基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

徐東，楊俊，柳龍

（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（上海）有限公司，上海 200232）

當前化工企業(yè)信息系統(tǒng)復(fù)雜，信息化建設(shè)水平參差不齊，數(shù)據(jù)標準不一致，作為典型的制造業(yè)，石油工業(yè)面臨著價格波動大、供氣壓力大、新能源不斷涌現(xiàn)等新問題。與此同時，國際市場競爭日趨激烈，環(huán)境管制面臨嚴峻挑戰(zhàn)。化工企業(yè)的車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于手工采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量差、動態(tài)數(shù)據(jù)難以采集，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信和共享成為制約其發(fā)展的瓶頸。

當前使用的基于標準語義模型和復(fù)雜事件處理的采集系統(tǒng)，主要包括設(shè)備端和云服務(wù)端兩部分，其中設(shè)備端為分布式結(jié)構(gòu)，通過OPC 的統(tǒng)一架構(gòu)完成數(shù)據(jù)采集[1]；使用以ARM+FPGA+ENC28J60 為核心的遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)通信，通過移植和改進LWIP 協(xié)議棧，實現(xiàn)服務(wù)器對設(shè)備信息的實時采集[2]。然而，當服務(wù)器關(guān)機或電源故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫不能連接時，數(shù)據(jù)就會丟失，不能保證數(shù)據(jù)的完整性。

針對上述方法存在的問題，提出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，集中管理不同行業(yè)的同一生產(chǎn)設(shè)備，以數(shù)據(jù)驅(qū)動方式保證各類設(shè)備安全、穩(wěn)定、優(yōu)化運行。以產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提升跨板塊的業(yè)務(wù)協(xié)同，構(gòu)建石化化工產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)體系[3]。設(shè)備使用在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的閉環(huán)反饋，促進了關(guān)鍵設(shè)備的自主創(chuàng)新，加速了信息收集[4]。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

由圖1 可知，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由OPC 客戶端和OPC 服務(wù)端兩部分組成，每個模塊包括三個子模塊[5]。數(shù)據(jù)訪問和訪問操作通過OPCDA 規(guī)范定義的接口實現(xiàn)；OPC 客戶端自定義接口對象模塊是最重要的模塊，其功能是將服務(wù)器上獲取的數(shù)據(jù)傳送給實時數(shù)據(jù)庫，完成.NET 平臺提供的數(shù)據(jù)庫操作類[6]；OPC服務(wù)端的對象模塊是通過連接現(xiàn)場設(shè)備模塊實現(xiàn)的，根據(jù)不同設(shè)備的驅(qū)動程度，通過OPCDA 規(guī)范對接口進行定制開發(fā)[7]。

1.1 石油化工行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)智能制造的重要基礎(chǔ)設(shè)施，為各產(chǎn)業(yè)要素的互聯(lián)互通提供了有力支撐。石油化工工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)如圖2 所示。

由圖2 可知，石油化工工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的服務(wù)體系結(jié)構(gòu)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，保證了體系的可靠性及安全性。與此同時，云計算平臺是開放的服務(wù)平臺，能夠容納大量外部信息[8]。在基礎(chǔ)框架中，使用各種引擎裝置，能夠支持多種整合技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸一。平臺體系采用模塊化設(shè)計模式，能夠保證平臺體系架構(gòu)具有一定的可擴展性。

圖2 石油化工工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)

1.2 采集電路設(shè)計

利用STM32 嵌入式16 通道高精度AD 模擬量轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，該通道所涉及的信號調(diào)理經(jīng)過放大、濾波處理后，能夠保證信號的線性度和靈敏度[9]。該系統(tǒng)主要由CAN 通信電路組成，測井儀采集的數(shù)據(jù)通過單芯電纜上傳至井內(nèi)，IIC 通信用于數(shù)據(jù)存儲[10]。

1.3 STM32F103ZET6單片機

使用STM32F103ZET6 型號單片機作為系統(tǒng)核心模塊，負責(zé)采集并傳輸數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 STM32F103ZET6單片機結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3 可知，該單片機內(nèi)置RC 振蕩器，最大工作頻率是70 MHz。單片機內(nèi)包含了兩個計時器，用于統(tǒng)計多通道編碼器的編號信號[11]?？偩€處存在一個同步串行的外圍接口，可使單片機與各種外設(shè)進行串行通信，以實現(xiàn)信息的高速共享[12]。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

2.1 掉電采集模塊設(shè)計

掉電采集模塊選用24C02 芯片，數(shù)據(jù)傳輸采用IIC 通信方式，聯(lián)機信號方式：數(shù)據(jù)啟動信號、數(shù)據(jù)停止信號和響應(yīng)信號。掉電采集的高低順序決定著線路上的信號模式。

掉電采集示意圖如圖4 所示。

圖4 掉電采集示意圖

由圖4 可知，在SCL 信號為高信號的情況下，SDA 電平從高到低，此時傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)啟動信號。在SCL 信號為高信號的情況下，SDA 電平從低到高，表明數(shù)據(jù)已停止傳輸[13]。采集數(shù)據(jù)的芯片發(fā)出低脈沖響應(yīng)，表示已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)，反之，可以檢查數(shù)據(jù)是否輸入到存儲區(qū)域。

2.2 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的任務(wù)調(diào)度算法

若程序不使用任何實時操作系統(tǒng)，則程序按順序執(zhí)行任務(wù)。在采集任務(wù)時，要計算100 份數(shù)據(jù)的平均值，雖然保證了數(shù)據(jù)的真實性，但是每一次采集都會有一定延遲[14]。因此，在數(shù)據(jù)采集過程中，需要管理任務(wù)線程和任務(wù)優(yōu)先級[15]。

USOS III 操作系統(tǒng)通過人為設(shè)置所有采集任務(wù)和通信任務(wù)的優(yōu)先級，使任務(wù)處于未完成狀態(tài)。在采集數(shù)據(jù)期間，系統(tǒng)處于延遲狀態(tài)，CPU 的權(quán)限從下一個任務(wù)開始計時。采用分片式任務(wù)調(diào)度方法，使采集程序和通信程序的任務(wù)在同一優(yōu)先級上運行。把采集周期中的時間分為采集時間和等待時間，在等待時間釋放CPU，負責(zé)其他采集或通信任務(wù)[16]。

在一個采集周期結(jié)束時，任務(wù)將暫停。在三種就緒任務(wù)中，任務(wù)調(diào)度算法示意圖如圖5 所示。

圖5 任務(wù)調(diào)度算法示意圖

由圖5 可知，Taskl、Task2、Task3 是三個調(diào)度任務(wù)，如果第一個任務(wù)的執(zhí)行處于延遲狀態(tài)，則啟動第二個任務(wù)。當?shù)诙€任務(wù)進入延遲狀態(tài)并且第一個任務(wù)的工作狀態(tài)標志沒有響應(yīng)時，執(zhí)行第三個任務(wù)。在完成第三個任務(wù)后，第一個任務(wù)的工作狀態(tài)會響應(yīng)并且開始第一個任務(wù)。通過這種任務(wù)調(diào)度算法，可以在一個周期內(nèi)執(zhí)行，從而提高了任務(wù)的調(diào)度效率。

在6 個任務(wù)中，存在5 個采集任務(wù)和一個通信任務(wù)，每個采集任務(wù)所耗費的時間為t1，采集任務(wù)周期為T，通信時間為t2，未加入任何操作任務(wù)時，采集時間計算公式為：

式中，表示平均采集時間。

為了保證數(shù)據(jù)采集的準確性，在系統(tǒng)中加入操作任務(wù)后，會將其他任務(wù)在延遲等待時間內(nèi)執(zhí)行。因此，延時時間計算公式為：

利用時間互補的方法，在第一個任務(wù)期間，不需要做其他的工作，在任務(wù)1 的延遲時間內(nèi)，所有的任務(wù)都被執(zhí)行。所以，當使用系統(tǒng)執(zhí)行采集任務(wù)時，當最后一次采集任務(wù)完成后，將會和第一次采集的延遲時間一致，然后進入第二次采集周期。在加入操作任務(wù)后，采集速度明顯加快，整個采集任務(wù)執(zhí)行一遍所需的時間與通信時間一致，從而提高了采集效率。

3 系統(tǒng)調(diào)試與實現(xiàn)

3.1 調(diào)試平臺

調(diào)試平臺結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 調(diào)試平臺結(jié)構(gòu)

由圖6 可知，生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自車間，以關(guān)鍵數(shù)據(jù)為依據(jù)進行數(shù)據(jù)整定，使調(diào)試過程中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的數(shù)值能夠保持最大程度的可信度。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)展示

系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)指的是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括石油堆存量、堆存費用、出庫量、出庫費用、入庫量及入庫費用，系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)展示情況如表1 所示。

以表1 所示的系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，進行調(diào)試結(jié)果分析。

表1 系統(tǒng)調(diào)試數(shù)據(jù)展示

3.3 調(diào)試結(jié)果分析

分別使用基于標準語義模型和復(fù)雜事件處理的采集系統(tǒng)、基于ARM 的遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對比分析調(diào)試數(shù)據(jù)采集結(jié)果，如表2-4 所示。

表2 三種系統(tǒng)1月份調(diào)試數(shù)據(jù)采集結(jié)果對比

由表2 可知，對于1 月份調(diào)試數(shù)據(jù)，使用前兩種方法采集到的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)存在較大誤差，而使用最后一種方法采集的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)僅存在1 元或1 噸的誤差；由表3 可知，對于2 月份調(diào)試數(shù)據(jù)，使用前兩種方法與實際數(shù)據(jù)最大誤差分別為142 噸和445 元，而使用最后一種方法采集的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)存在92 元的最大誤差；由表4 可知，對于3 月份的調(diào)試數(shù)據(jù)，使用前兩種方法與實際數(shù)據(jù)最大誤差分別為244 噸和132 元，而使用最后一種方法采集的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)存在45 元的最大誤差。

表3 三種系統(tǒng)2月份調(diào)試數(shù)據(jù)采集結(jié)果對比

表4 三種系統(tǒng)3月份調(diào)試數(shù)據(jù)采集結(jié)果對比

為了進一步分析數(shù)據(jù)采集周期調(diào)試結(jié)果，對三種系統(tǒng)的采集周期進行了比較和分析，比較結(jié)果如圖7 所示。

圖7 三種系統(tǒng)采集周期調(diào)試結(jié)果對比

由圖7 可知，使用基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集周期調(diào)節(jié)結(jié)果明顯比另外兩種時間短，最短采集周期為9 ms，說明使用該系統(tǒng)可在短時間內(nèi)完整采集石油車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)建石油石化行業(yè)大數(shù)據(jù)存儲、集成、分析與管理的開發(fā)環(huán)境。以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為平臺，為中小型化工企業(yè)構(gòu)建用于工藝優(yōu)化、設(shè)備優(yōu)化，致力于化工制造的網(wǎng)絡(luò)平臺，為中小型化工企業(yè)提供多種應(yīng)用。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的采集周期最短為9 ms，能夠改善傳統(tǒng)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)不完整的情況。