云計算物聯(lián)工業(yè)制造柔性數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)*

楊素珍，肖家鑫

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

工業(yè)制造數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代化制造系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是采集制造流程中的數(shù)據(jù)，通過多種信息交互，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)式生產(chǎn)管理和維護(hù)[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品需求日趨個性化和復(fù)雜化，使得工業(yè)制造設(shè)備種類繁多，數(shù)據(jù)接口類型和通信協(xié)議等差異大，制約了制造系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)化集成和數(shù)據(jù)共享，工業(yè)制造數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)需要具備高柔性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)復(fù)雜多異構(gòu)對象智能工廠環(huán)境下的應(yīng)用。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和云計算的柔性工業(yè)制造數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)是智能工廠的關(guān)鍵技術(shù)之一，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-4]。本文提出一種可配置的數(shù)據(jù)監(jiān)控終端和可配置的數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，以解決現(xiàn)有系統(tǒng)在離散化、異構(gòu)性、可快速定制等特點(diǎn)的復(fù)雜智能工廠工業(yè)制造下應(yīng)用的不足。該系統(tǒng)使用終端配置軟件可靈活調(diào)整數(shù)據(jù)監(jiān)控終端的接口采集模式，數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺提供可配置的頁面，對人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)重構(gòu)規(guī)則進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)柔性高效數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的快速接入和數(shù)據(jù)重構(gòu)變換，兼容高動態(tài)、快變化的制造系統(tǒng)監(jiān)控需求，實(shí)現(xiàn)即插即用。

1 系統(tǒng)層次化架構(gòu)

本文系統(tǒng)的層次化架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為三層，分別記為采集層、服務(wù)層和應(yīng)用層。采集層將采集數(shù)據(jù)封裝成統(tǒng)一規(guī)則描述的數(shù)據(jù)格式發(fā)送至服務(wù)層，應(yīng)用層接收服務(wù)層數(shù)據(jù)并在應(yīng)用層人機(jī)交互界面下實(shí)現(xiàn)可視化，服務(wù)層則作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。

圖1 系統(tǒng)層次化架構(gòu)

采集層由現(xiàn)場物理設(shè)備、數(shù)據(jù)監(jiān)控終端和外接模塊組成。多個數(shù)據(jù)監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)采用分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而部分具備網(wǎng)絡(luò)通信能力的智能設(shè)備也能直接對接云監(jiān)控平臺中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。服務(wù)層基于云計算搭建服務(wù)器集群，并通過負(fù)載均衡提高系統(tǒng)資源利用率和并發(fā)數(shù)據(jù)處理能力。應(yīng)用層面向用戶提供應(yīng)用服務(wù)，基于不同制造系統(tǒng)的需求，在應(yīng)用層提供可配置界面，用戶根據(jù)需求進(jìn)行自主配置。

云監(jiān)控平臺基于B/S模式架構(gòu)，視圖界面以JSP結(jié)合CSS、JavaScript、AJAX等前端技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)的功能包括：（1）數(shù)據(jù)指令下行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制；（2）接收數(shù)據(jù)上行可視化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測；（3）數(shù)據(jù)報表顯示與分析、存儲及挖掘。

2 柔性可配置數(shù)據(jù)交互方案

2.1 數(shù)據(jù)交互模型

本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互模型如圖2所示，用戶通過人機(jī)交互界面進(jìn)行系統(tǒng)操作。下行數(shù)據(jù)指令由數(shù)據(jù)監(jiān)控終端解析和控制，通過I/O或數(shù)字接口輸出至物理設(shè)備；存儲數(shù)據(jù)主要包括節(jié)點(diǎn)注冊信息和數(shù)據(jù)重構(gòu)規(guī)則等配置信息。終端配置軟件用于配置數(shù)據(jù)監(jiān)控終端的設(shè)備ID、采集數(shù)據(jù)指令等信息，配置信息保存到終端的數(shù)據(jù)存儲模塊。對于一些智能設(shè)備、自主開發(fā)設(shè)備可根據(jù)中間件規(guī)定的數(shù)據(jù)協(xié)議格式上發(fā)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)注冊功能用于解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)在應(yīng)對制造系統(tǒng)離散化特點(diǎn)時可擴(kuò)展性不足的問題，云監(jiān)控平臺可面向多家公司節(jié)點(diǎn)及其下屬多個生產(chǎn)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊。

圖2 數(shù)據(jù)交互模型

2.2 終端可重構(gòu)采集模式

為了實(shí)現(xiàn)終端的快速應(yīng)用，本文利用終端配置軟件對數(shù)據(jù)監(jiān)控終端進(jìn)行基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)通信協(xié)議的配置。數(shù)據(jù)監(jiān)控終端通過RS-232接口連接PC，接收該配置軟件發(fā)送過來的配置信息進(jìn)行持久化。數(shù)據(jù)監(jiān)控終端上電后初始化時將讀取配置信息，根據(jù)配置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、封裝等處理。通過分析常用控制器通用協(xié)議如ModbusRTU、HostLink、ProfiBus等協(xié)議，可知其請求數(shù)據(jù)、響應(yīng)數(shù)據(jù)由一串各位置數(shù)據(jù)功能固定的數(shù)據(jù)幀格式組成，數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式一般包括和校驗(yàn)、CRC、FCS等，根據(jù)各協(xié)議的請求數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，將采集數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)處理過程中需要配置的變量進(jìn)行總結(jié)，各變量定義如表1所述。

在終端配置軟件上，通過“加載配置文件”按鈕讀取JSON格式數(shù)據(jù)的配置文件，在配置文件中對上述變量進(jìn)行定義。

2.3 可配置云監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)重構(gòu)規(guī)則

云監(jiān)控平臺根據(jù)用戶配置的信息對采集數(shù)據(jù)包進(jìn)行重構(gòu)，并存儲到數(shù)據(jù)庫。將數(shù)據(jù)重構(gòu)規(guī)則分為數(shù)據(jù)映射、注釋插入、I/O檢測、實(shí)時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)重構(gòu)流程如圖3所示。云監(jiān)控平臺的邏輯接口將Json格式的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，利用DeviceID查詢數(shù)據(jù)重構(gòu)規(guī)則配置信息，并將其封裝至數(shù)據(jù)集合，利用PortName、DataType匹配數(shù)據(jù)集合中的配置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)。建立所有數(shù)據(jù)類型的Data重構(gòu)規(guī)則，方便根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行具體構(gòu)造Data內(nèi)容和格式。

圖3 數(shù)據(jù)重構(gòu)流程

3 應(yīng)用案例

將本文柔性工業(yè)制造數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于多機(jī)器人角鐵激光切割自動化生產(chǎn)線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，數(shù)據(jù)監(jiān)控終端設(shè)置兩種采集模式對接現(xiàn)場設(shè)備，云監(jiān)控平臺設(shè)置四種數(shù)據(jù)重構(gòu)規(guī)則。

圖4 制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 物理設(shè)備

切割系統(tǒng)主要由兩臺激光切割機(jī)器人及其移載底座、兩組角鐵輸送平臺組成，主控制器采用三菱L系列可編程邏輯控制器PLC，與外設(shè)的通信協(xié)議為MELSEC協(xié)議。激光切割機(jī)器人控制箱設(shè)有設(shè)備信息I/O輸出板，以多路I/O并行數(shù)字信號來表征故障類型、設(shè)備狀態(tài)和焊接參數(shù)等。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控需求分析

切割系統(tǒng)被監(jiān)控對象包括工控PC、PLC和激光切割機(jī)器人。工控PC的工藝參數(shù)由數(shù)據(jù)監(jiān)控終端被動式采集，自定義通信協(xié)議和校驗(yàn)?zāi)Ｊ?，這些數(shù)據(jù)上傳至云監(jiān)控平臺進(jìn)行存儲并用于歷史工藝數(shù)據(jù)追溯，數(shù)據(jù)接口為RS-232。對PLC采用主動模式監(jiān)控其故障狀態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)，接口為基本I/O和RS-485，通信協(xié)議MELSEC。對激光切割機(jī)器人采用主動模式監(jiān)控其故障狀態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)、統(tǒng)計工作循環(huán)次數(shù)，接口為基本I/O、脈沖信號輸入和RS-485，通信協(xié)議PROFIBUS。數(shù)據(jù)監(jiān)控終端通過中國電信移動通信網(wǎng)絡(luò)連接Internet實(shí)現(xiàn)與云監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)交互。

3.3 系統(tǒng)配置

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控需求，使用三個數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，一個連接工控PC和PLC，另外兩個分別連接兩套激光切割機(jī)器人，通過終端配置軟件設(shè)置并導(dǎo)入三個數(shù)據(jù)監(jiān)控終端配置變量，在云監(jiān)控平臺進(jìn)行賬戶、生產(chǎn)線節(jié)點(diǎn)、設(shè)備節(jié)點(diǎn)注冊及數(shù)據(jù)重構(gòu)規(guī)則配置。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 實(shí)時狀態(tài)檢測

通過瀏覽器進(jìn)入云監(jiān)控平臺界面，在登陸系統(tǒng)后，可查看系統(tǒng)中所有連接設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)監(jiān)控終端與物理設(shè)備之間的通信狀態(tài)，系統(tǒng)接入三臺物理設(shè)備（工控PC和PLC當(dāng)作同一臺物理設(shè)備）的信息監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控

4.2 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控

數(shù)據(jù)監(jiān)控內(nèi)容包括統(tǒng)計計數(shù)、加工參數(shù)、故障數(shù)據(jù)等。其中，計數(shù)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)監(jiān)控終端2、3連接激光切割機(jī)器人獲取，設(shè)備ID分別為SL002、SL003，監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 統(tǒng)計計數(shù)數(shù)據(jù)

角鐵加工參數(shù)由數(shù)據(jù)監(jiān)控終端1監(jiān)控工控PC獲取，設(shè)備ID為SL001，監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 角鐵加工參數(shù)數(shù)據(jù)

故障診斷監(jiān)測由數(shù)據(jù)監(jiān)控終端分別監(jiān)控PLC和激光切割機(jī)器人獲取，監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 故障診斷數(shù)據(jù)

4.3 遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)

遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)包括開關(guān)量控制和文本指令控制，控制界面如圖9所示。開關(guān)量控制通過8路按鈕輸出，對應(yīng)數(shù)據(jù)采集終端1-8號開關(guān)量控制端口。文本指令通過對應(yīng)的接口名稱按鈕下發(fā)至數(shù)據(jù)監(jiān)控終端，數(shù)據(jù)監(jiān)控終端將指令在對應(yīng)的數(shù)據(jù)接口輸出。

圖9 遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

終端配置軟件對監(jiān)控終端進(jìn)行配置后，能夠穩(wěn)定對接現(xiàn)場設(shè)備異構(gòu)數(shù)據(jù)接口、通信協(xié)議、采集模式，且兼容云監(jiān)控平臺。云監(jiān)控平臺經(jīng)過配置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化與直觀語義解讀，視圖界面組件具備通用性。系統(tǒng)經(jīng)過配置對三臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)時性、故障監(jiān)控、數(shù)據(jù)檢測、遠(yuǎn)程控制等流程正常，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面系統(tǒng)具有良好的可配置性。

5 結(jié)束語

文章提出一種可配置層次化架構(gòu)的物聯(lián)工業(yè)制造柔性數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)控終端和云監(jiān)控平臺組成，建立動態(tài)可配置數(shù)據(jù)交互機(jī)制，針對不同工業(yè)制造系統(tǒng)應(yīng)用需求，采用多個具有多種通用接口的數(shù)據(jù)監(jiān)控終端分布式物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化連接現(xiàn)場物理設(shè)備，采用無線移動網(wǎng)絡(luò)連接云監(jiān)控平臺，并由云監(jiān)控平臺進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的柔性個性化定制。在角鐵激光切割機(jī)器人生產(chǎn)線上進(jìn)行系統(tǒng)功能和性能驗(yàn)證，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具備較高柔性，可兼容不同制造系統(tǒng)異構(gòu)物理設(shè)備進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控，具有較好的應(yīng)用推廣價值。