基于MindSphere的智慧工廠移動監(jiān)控平臺研究

朱明超，馬臣保，紀曉婷，李家樂，李宏洲

（北京理工大學 珠海學院，廣東珠海 519088）

通過現(xiàn)代信息技術和網絡可以更加具體地了解當前企業(yè)的生產狀態(tài)，決策層面能夠直觀地了解目前以及以后的效益發(fā)展?；贛indSphere 的智慧工廠移動監(jiān)控平臺可以實時保持一個虛擬與現(xiàn)實之間的閉環(huán)聯(lián)系。通過“智慧工廠”的數(shù)據(jù)收集功能和機器控制系統(tǒng)，既實現(xiàn)了管理者對包括機器生產效率、用戶需求變化等數(shù)據(jù)的掌握，通過可視化控制平臺，還實現(xiàn)了管理員對設備的精準控制、問題診斷和問題排查等，實現(xiàn)了智能化的控制工業(yè)生產。

1 當前研究現(xiàn)狀以及預期目標實現(xiàn)

互聯(lián)網引發(fā)了新的生產和商業(yè)模式，企業(yè)更加貼切的服務成為主要的發(fā)展方向和收入來源。而且環(huán)保節(jié)能的綠色發(fā)展、建設智慧工廠成為工業(yè)、制造業(yè)的大勢所趨，是企業(yè)轉型升級的一條途徑。根據(jù)當今各行業(yè)對智慧工廠的熱情，預計在未來仍將保持10%以上的年增長率（圖1）。

圖1 中國智慧工廠市場規(guī)模（億元）

“十五”期間重點提出支持工業(yè)以太網技術、現(xiàn)場總線等技術的發(fā)展和研發(fā)，對于發(fā)展智慧工廠的建設和發(fā)展具有巨大的意義，可以更好地結合物聯(lián)網技術，解決工業(yè)中由于不確定因素而導致的故障率較高、監(jiān)控水平不足的問題。

MindSphere 平臺是基于云的開放式物聯(lián)網操作系統(tǒng)，借助MindSphere 設計智慧工廠移動監(jiān)控平臺，來實現(xiàn)對工業(yè)生產的監(jiān)控和管理。本文通過對當前的智慧工廠和工業(yè)物聯(lián)網的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢及MindSphere 在智慧工廠應用中的優(yōu)點，提出了利用MindSphere 創(chuàng)新開發(fā)一個全新的、友好的工廠控制人機交互界面，實現(xiàn)實時、快捷、安全、互聯(lián)和智能的監(jiān)控與操作平臺。

2 MindSphere在智慧工廠中的應用與研究

在現(xiàn)代工業(yè)制造的工廠中，智慧工廠中的每一臺智能設備都承載著大量的數(shù)據(jù)，智能制造需要有一個能夠收集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的平臺，更加有利于管理和開創(chuàng)更先進的工業(yè)模式?；谠频拈_放式物聯(lián)網操作系統(tǒng)MindSphere 在這樣的需求下應運而生。

MindSphere 是西門子推出的基于云的開放式物聯(lián)網操作系統(tǒng)，能夠幫助生產制造企業(yè)高效、集中地處理和決策現(xiàn)場產生的龐大數(shù)據(jù)，從中獲取和分析有價值的信息和趨勢，實現(xiàn)更有利、更快捷的生產規(guī)劃。MindSphere 圍繞物聯(lián)網生態(tài)，智慧大數(shù)據(jù)協(xié)作，達成用戶和開發(fā)者之間的產業(yè)共贏。

2.1 MindSphere的功能配置

如圖2 所示，MindSphere 向下提供應用程序編程接口，該接口用于采集數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)同步到網關MindConnect，以連接其他第三方設備，了解實時情況，利用OPC UA 通訊標準進行通信。向上支持開發(fā)的應用程序編程接口，有助于用戶與合作伙伴可以密切聯(lián)系。

圖2 MindSphere的功能配置

MindSphere 的工作模式主要分為：工廠現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)安全傳輸與記錄、數(shù)據(jù)分析與仿真、數(shù)據(jù)分析和分析結果的可視化展示。基于這樣的工作模式，企業(yè)可以掌握和管理設備的啟動率，優(yōu)化能效，增加行業(yè)信息的安全性，有效地提高效率。

其中包含了3個核心軟件內容：

（1）MindConnect：負責將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。

（2）MindCloud：為用戶提供數(shù)據(jù)分析，應用開發(fā)環(huán)境及應用開發(fā)工具。

（3）MindApps：為用戶提供集成行業(yè)經驗和數(shù)據(jù)分析結果的工業(yè)智能應用。

通過MindSphere，制造商可以快速高效地收集大量復雜的數(shù)據(jù)，挖掘其深層含義，以最小的投資提高生產設備的可用性和效率。西門子利用其巨大的工業(yè)設備基礎和包含多個行業(yè)的專業(yè)技術為MindSphere 帶來了獨特的數(shù)據(jù)收集和價值挖掘優(yōu)勢。開放MindSphere 不僅提供了多種方式來確保對第三方設備的訪問，覆蓋了支持OPC UA 通信技術的所有設備或系統(tǒng)，而且還使更多的應用程序開發(fā)人員和最終用戶能夠使用該平臺開發(fā)或使用各種應用程序。

2.2 MindSphere的開放性應用

MindSphere 提供了設備與企業(yè)系統(tǒng)連接協(xié)議、工業(yè)應用、高級分析及專用開發(fā)環(huán)境，利用開放式平臺服務（PaaS）功能以及阿里巴巴云服務，將實際物體連接到數(shù)字化環(huán)境，并提供功能強大的工業(yè)應用和數(shù)字化服務以幫助推動業(yè)務成功實現(xiàn)。MindSphere不僅具有公用和私有功能，也能夠進行本地的部署，能對西門子自有應用程序（MindApps）和為客戶開發(fā)的個性化App 開放，建立工業(yè)場景的新業(yè)務模式。

3 基于MindSphere智慧工廠的方案設計

基于MindSphere 智慧工廠的方案設計包括的內容：①利用逐漸成熟的工業(yè)無線通信技術和5G 通信技術的發(fā)展，增加傳感器和實時監(jiān)測設備（如有限傳感器、RFID、帶Lora 或者ZigBee 功能的無線傳感器），對進入控制網絡的信號和信息進行采集依托；②MindConnect 集成靈活的方式把多個數(shù)據(jù)系統(tǒng)連接到MindSphere，通過工業(yè)網關MindConnect Nano和MindConnect IOT2040 實現(xiàn)MindSphere 的硬件連接，通過采用TIA Portal STEP 7 庫，還可以利用西門子公司的Siemens s7-1500可編程控制器直接連接到MindSphere；③建立系統(tǒng)的工業(yè)應用程序和數(shù)字服務；④搭建智慧工廠移動監(jiān)控平臺；⑤通過對于MindSphere，MindConnect，MindCloud，MindApps的協(xié)同作用，結合Java 語言開發(fā)基于MindSphere 的可視化軟件平臺，將處理好的數(shù)據(jù)整合在監(jiān)視器上，達到監(jiān)控和控制的功能目的。

4 MindSphere平臺構建過程中的難點與優(yōu)化

（1）消除網絡中的非確定性排隊延遲是實現(xiàn)時間敏感網絡的確定性網絡延遲和抖動的基本要求。時間敏感型的軟件定義網絡（TSSDN）的目標是實現(xiàn)具有確定性的網絡時延和抖動，以支持實時通信。因此是確定性的，并且非常?。ㄒ詎s 為單位），且處理延遲也可以被認為是確定性的。TSSDN 通過調度在源主機上屬于時間觸發(fā)流的數(shù)據(jù)包的傳輸來限制排隊延遲，使得它們總是在沿著它們的路徑的每個交換機上找到空隊列，也就是在空間或時間上隔離時間觸發(fā)的流。對時間觸發(fā)的流進行調度和路由，以避免網絡隊列發(fā)生排隊，可以為數(shù)據(jù)的傳輸提供實時保障。

（2）基于MindSphere 在云端數(shù)據(jù)和線下設備之間的數(shù)據(jù)傳輸會受到網絡或者寬帶以及其他因素的影響，同時由于在智能制造工廠中的設備實時性要求比較高，基于設備之間極大的關聯(lián)性和互通性，將在智慧工廠的數(shù)據(jù)采集過程中結合5G 上下行的傳輸技術，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩?，確保數(shù)據(jù)的時效性。

5 對平臺海量數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

為了建立更好的安全性，從網絡基礎設施中最小的代碼開始，加強測試和重新測試，同時關注不熟訪問控制，修補資產控制所有的明確性、扁平化的網絡問題和低效的修補程序管理，保持ITOT 中的IT、OT 的協(xié)同工作。其中關于針對物聯(lián)網的數(shù)據(jù)傳輸特點，在SSL（Secure Socket Layer，安全套接層）協(xié)議的基礎上，使用更加輕量級的高性能數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)姆椒↙SSL。其中SSL 協(xié)議的性能應用主要在以下方面。

（1）交換會話密鑰時的公鑰加密操作以及建立新的會話時候的性能應用。LSSL 的設計是根據(jù)SSL 協(xié)議的性能分析對SSL 的協(xié)議進行針對性的性能優(yōu)化該設計主要體現(xiàn)在公鑰加密算法原則中的ECC 加密算法與經典的RSA、DSA 等公鑰密碼體制相比安全性、處理速度、占用存儲空間上具有優(yōu)勢。

（2）減少密鑰協(xié)商時的信息量，提出使用安全散列算法，被認為是最安全的散列算法之一，具有不可逆，防沖突的良好特點。

輕量級的LSSL 的具體流程如圖3所示。

圖3 LSSL的流程

通過查找實驗數(shù)據(jù)，在服務器上部署LSSL 的程序，節(jié)點模擬環(huán)境內存為256M，WINXP 系統(tǒng)，對照環(huán)境為WIN2003的服務器部署SSL，性能結果的對比分析如表1所示。

表1 LSSL和SSL的性能對比

通過更新LSSL 作為高性能的數(shù)據(jù)傳輸方法，可以滿足智慧工廠中的海量節(jié)點，大量數(shù)據(jù)，高性能要求的特點，提升了MindSphere 軟件和云平臺鏈接時的數(shù)據(jù)傳輸能力。

6 結束語

智慧工廠采用MindSphere 實現(xiàn)工廠的信息化、數(shù)字化，將生產廠商、生產物、操作系統(tǒng)和操作設備安全、高效、快速地連接在一起，通過大數(shù)據(jù)和云平臺的計算算法來挖掘數(shù)據(jù)的潛在價值，通過信息平臺將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)應用中，并進行智能化深度分析，成為一種高效安全智能化的工業(yè)端應用解決方案。