基于 Laravel 與Workerman的不銹鋼數(shù)據(jù)采集與過程控制系統(tǒng)

湯日升　張前進

關(guān)鍵詞：Laravel；Workerman；過程控制；數(shù)據(jù)采集；不銹鋼

中圖分類號：TP311.1 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0103-04

0 引言

隨著“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃和信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展規(guī)劃的貫徹實施，傳統(tǒng)制造業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系構(gòu)建不斷加快，數(shù)字化轉(zhuǎn)型意識不斷提高。在實際信息化建設(shè)中，許多成熟商用軟件和通訊協(xié)議存在授權(quán)費用較高和效果未達到預(yù)期等問題，如何降低生產(chǎn)線信息化建設(shè)成本受到廣泛關(guān)注[1]。

“數(shù)據(jù)采集與過程控制系統(tǒng)”位于國內(nèi)冶金企業(yè)多級計算機系統(tǒng)的第二級，也被俗稱為“二級系統(tǒng)”[2]。該類系統(tǒng)主要功能為數(shù)據(jù)采集和局部生產(chǎn)作業(yè)管控，解決第一級設(shè)備控制系統(tǒng)和第三層制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System， MES） 數(shù)據(jù)不互通的問題，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤，提高生產(chǎn)管控和生產(chǎn)效率。

本文針對不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線，提出一種基于PHP （PHP： Hypertext Preprocessor） 編程語言的數(shù)據(jù)采集與過程控制系統(tǒng)，下文均寫作“本文系統(tǒng)”。本文系統(tǒng)充分發(fā)揮 Laravel 框架和 Workerman 應(yīng)用容器等開源技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，有效降低了不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線的信息化建設(shè)的成本，具有一定的遷移價值和借鑒意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

本文系統(tǒng)采用前后端分離的網(wǎng)頁與服務(wù)器結(jié)構(gòu)，節(jié)省了維護客戶端的成本，分為四個模塊進行設(shè)計，分別為業(yè)務(wù)功能、通訊、前端和數(shù)據(jù)采集模塊，模塊之間相互獨立，系統(tǒng)的耦合度較低。

前端模塊是用戶與系統(tǒng)的交互界面。業(yè)務(wù)功能模塊是系統(tǒng)的主體，包含報文的解析和封裝、響應(yīng)前端數(shù)據(jù)請求等業(yè)務(wù)功能。數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）的數(shù)據(jù)采集和存儲。通訊模塊負責(zé)建立和維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路，選取 PLC 支持的通訊協(xié)議搭建系統(tǒng)與 PLC 的通訊，依據(jù) MES 的通訊協(xié)議構(gòu)建系統(tǒng)與 MES 的通訊。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文系統(tǒng)硬件主要包含一臺戴爾 T340 塔式服務(wù)器和一臺工控機，通訊依托光纖局域網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集與過程控制系統(tǒng)服務(wù)器承載本文系統(tǒng)的軟件程序主體。工控機是用戶操作本文系統(tǒng)的實體終端，負責(zé)采集和存儲生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)，部署有 KEPServerEX 工業(yè)連接平臺。

實際生產(chǎn)中，本文系統(tǒng)接收 MES 下發(fā)的生產(chǎn)計劃報文，解析報文中的不銹鋼卷號和生產(chǎn)工藝等參數(shù)，在用戶選擇計劃開始生產(chǎn)后，參數(shù)寫入 PLC 數(shù)據(jù)塊，用戶也可以在人機界面（Human Machine Interface，HMI） 中修改參數(shù)。生產(chǎn)結(jié)束后，生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，新的參數(shù)寫入 PLC 數(shù)據(jù)塊，開始生產(chǎn)。圖1 為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

本文系統(tǒng)使用 MySQL 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，基于 Laravel 框架的業(yè)務(wù)功能模塊、基于 Workerman 應(yīng)用容器的通訊模塊、基于 Vue-element-admin 框架的前端模塊和基于KEPServerEX 工業(yè)連接平臺的數(shù)據(jù)采集模塊相互獨立部署，圖2為系統(tǒng)功能設(shè)計圖。

1.3 開發(fā)與生產(chǎn)環(huán)境

本文系統(tǒng)在 Windows 平臺進行開發(fā)，使用 Php?Study 進行集成環(huán)境的配置和管理，使用 Git 進行開發(fā)版本的控制。服務(wù)器的生產(chǎn)環(huán)境為基于 Linux 的Ubuntu 系統(tǒng)，搭載了高性能的HTTP和反向代理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Nginx。工控機的生產(chǎn)環(huán)境為 Windows 系統(tǒng)，搭載 Siemens TIA Portal 軟件和 KEPServerEX 工業(yè)連接平臺。生產(chǎn)線的 PLC 型號是西門子S7 15系列。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 業(yè)務(wù)功能模塊設(shè)計

Laravel 框架是世界知名度較高的開源框架之一，應(yīng)用于不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線的主要優(yōu)點是其成熟的案例模板和龐大的社區(qū)支持可快速解決編程問題，有效提高開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)成本[3-4]。

業(yè)務(wù)功能模塊在 Laravel 框架的基礎(chǔ)模型-視圖- 控制（Model-View-Controller， MVC） 架構(gòu)中，添加了服務(wù)層（Service） 。服務(wù)層位于控制器和模型層中間，所有業(yè)務(wù)邏輯都封裝到相應(yīng)服務(wù)層中，由控制器調(diào)用。該設(shè)計基于 Slim Model 理念，模型層只負責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的表達，服務(wù)層的添加增強了模型層的細粒度，方便了后期本文系統(tǒng)的維護和升級。圖3為業(yè)務(wù)功能模塊接收請求流程圖。

在不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線中，需要進行不間斷生產(chǎn)。不間斷生產(chǎn)是一種生產(chǎn)模式，生產(chǎn)過程中將后一卷鋼卷的頭部人工焊接到前一卷鋼卷的尾部，生產(chǎn)結(jié)束時進行裁切。不間斷生產(chǎn)的目的是節(jié)省重新穿鋼卷的時間，提高生產(chǎn)效率。在數(shù)據(jù)層面，某一時刻的生產(chǎn)線中存在兩條計劃數(shù)據(jù)，分別為開卷臺和收卷臺的計劃數(shù)據(jù)，使用收卷臺電機編碼器的轉(zhuǎn)速和鋼卷厚度換算生產(chǎn)的長度，以此進行生產(chǎn)跟蹤。收卷臺計劃生產(chǎn)結(jié)束的標(biāo)志是鋼卷裁剪成功，該標(biāo)志觸發(fā)時，收卷臺的數(shù)據(jù)上傳，開卷臺的數(shù)據(jù)寫入收卷臺，計劃緩存區(qū)的數(shù)據(jù)寫入開卷臺。

在不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線中，需要按照計劃對鋼卷進行裁剪分卷。裁剪分卷需要修改鋼卷的特征標(biāo)識，在數(shù)據(jù)層面需要把原計劃分解成多條獨立計劃連續(xù)下發(fā)，當(dāng)?shù)谝粭l分卷計劃開始生產(chǎn)時，后續(xù)分卷計劃寫入計劃緩存區(qū)，等待裁剪成功信號。圖4為計劃管理服務(wù)開卷流程圖。

2.2 通訊模塊設(shè)計

通訊模塊基于多進程的開源 PHP 應(yīng)用容器Workerman 進行開發(fā)，包含服務(wù)端和客戶端，其運行均不依賴 Nginx 服務(wù)器，進程常駐后臺。通訊模塊與MES 服務(wù)器通過建立 Socket 長連接方式進行報文通訊，與 PLC 通過 Modbus TCP 協(xié)議進行通訊。

Workerman 基于 Master-Worker 模型架構(gòu)，主要包含 Master 和 Worker 兩種進程。Master 進程是主進程，只負責(zé)監(jiān)控子進程，不負責(zé)接收數(shù)據(jù)也不做任何業(yè)務(wù)邏輯。監(jiān)控子進程包括監(jiān)控 Worker 子進程的退出、監(jiān)控服務(wù)器的停止和平滑重啟等。Worker 進程是 Master 進程派生的子進程，繼承了父進程的監(jiān)聽端口，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)處理，每個Worker 進程相互獨立。為了防止進程的意外關(guān)閉，安裝了 Supervisor 實現(xiàn)自動重啟隊列進程，Supervisor 是 Linux 系統(tǒng)中常用的進程守護程序。

服務(wù)端的設(shè)計在 Master-Worker 模型基礎(chǔ)上加入了 Gateway 進程，為Master-Worker-Gatewa 模型，主要包含三種進程，分別為 Gateway、Register 和 Busi?nessWorker。表1為進程功能明細表。

上述三類進程均受 Master 進程監(jiān)控，關(guān)系如圖5 模型進程關(guān)系圖所示。當(dāng) MES 發(fā)起長連接時，Gate?way 進程監(jiān)聽到端口信息并將信息傳遞給 Business?Worker 進程，BusinessWorker 進程調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯函數(shù)進行業(yè)務(wù)處理。此外，針對常駐內(nèi)存的進程在使用MySQL 數(shù)據(jù)庫時經(jīng)常會遇到“ mysql gone away ”錯誤的問題，本項目使用 WorkermanMySQL 類保持連接的穩(wěn)定性，避免 MySQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)端中斷靜置時間過長的連接[5]。

客戶端與服務(wù)端相比，主要區(qū)別為客戶端中Worker 進程啟動時，需要先借助AsyncTcpConnection 類異步建立一個到 MES 的連接對象，主動發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)起連接。客戶端的建立基于 Worker 進程，Worker 進程啟動時，異步連接到 MES 的IP 地址及端口，創(chuàng)建一個 TcpConnection 連接。

在本文系統(tǒng)與 MES 通訊中，本文系統(tǒng)是客戶端也是服務(wù)端，建立基于 Socket 的雙線長連接通訊鏈路，提高數(shù)據(jù)收發(fā)的效率。通訊邏輯由心跳報文、數(shù)據(jù)報文和自動應(yīng)答報文三者構(gòu)成。心跳報文由客戶端向服務(wù)端周期性發(fā)送，用于周期性檢測過程控制級系統(tǒng)與 MES 間的長連接通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)報文由客戶端向服務(wù)端發(fā)送，包含數(shù)據(jù)內(nèi)容。服務(wù)端收到數(shù)據(jù)報文后，自動應(yīng)答報文由服務(wù)端向客戶端原路發(fā)送，作用是告知客戶端數(shù)據(jù)報文是否被成功接收和內(nèi)容是否有效。服務(wù)端可以根據(jù)心跳報文的接收與否判斷連接狀態(tài)，客戶端可以根據(jù)數(shù)據(jù)報文發(fā)送后自動應(yīng)答報文的接收情況判斷連接狀態(tài)。

本文系統(tǒng)共協(xié)定九條數(shù)據(jù)報文。六條發(fā)送報文分別為：生產(chǎn)開始報文、計劃刪除報文、產(chǎn)出實績報文、停機實績報文、工藝實績報文和操作應(yīng)答報文。三條接收報文分別為：計劃信息報文、計劃撤銷報文和操作應(yīng)答報文。其中，自動應(yīng)答報文回應(yīng)的是接收信息成功與否，操作應(yīng)答報文回應(yīng)的是接收信息后處理信息的操作成功與否。

在本文系統(tǒng)與 PLC 通訊中，本文系統(tǒng)只作為服務(wù)端。使用 Siemens TIA Portal 軟件對 PLC 進行編程，調(diào)用 TSEND_C 模塊建立客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)的格式與計算機中的存儲格式不同，十六位數(shù)據(jù)需要進行高八位和低八位對調(diào)循環(huán)讀取。

2.3 前端模塊設(shè)計

前端模塊使用Vue-element-admin 前端框架。該模塊為基于 Vue 系列技術(shù)和 Element-UI 開源庫的單頁面架構(gòu)。Vue 是目前生產(chǎn)環(huán)境中使用最廣泛的 Ja?vaScript 框架之一，Element-UI 是一個桌面端用戶界面（User Interface， UI） 庫。圖6為前端模塊界面組件架構(gòu)圖。

工藝實績數(shù)據(jù)的顯示存在數(shù)據(jù)量巨大的困難，本系統(tǒng)使用 ECharts 組件的異步請求加載、降采樣渲染和分段渲染進行解決。在不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線中，一卷鋼卷生產(chǎn)時間可長達六小時，一個參數(shù)的完整生產(chǎn)周期數(shù)據(jù)達到十萬級別。前端模塊進行異步請求加載數(shù)據(jù)，結(jié)合 ECharts 組件的大數(shù)據(jù)加載方式 Ap?pendData 進行分片加載數(shù)據(jù)，使用散點圖方式渲染，禁用動畫效果，開啟 Sampling 降采樣渲染模式，更改Datazoom 的 startValue 和 endValue，進行分段渲染。圖7為實績顯示效果圖。

數(shù)據(jù)報表的導(dǎo)出使用 SheetJS 組件，其優(yōu)點是可以直接把 JSON 數(shù)據(jù)寫入 Excel 表格，方便快捷。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊借助 KEPServerEX 工業(yè)連接平臺進行實現(xiàn)。在 KEPServerEX平臺中，使用 Siemens TCP/IP Ethernet 協(xié)議與西門子 S7 系列 PLC 建立連接，使用開放數(shù)據(jù)庫互連（Open Database Connectivity， ODBC） 協(xié)議與數(shù)據(jù)庫建立連接。

在不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線中，使用了KEPServerEX 平臺的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)映射功能。前者每間隔 250 毫秒采集PLC 數(shù)據(jù)直接寫入 MySQL 的數(shù)據(jù)表，后者分別把 PLC 中的數(shù)據(jù)與MySQL 中的數(shù)據(jù)建立標(biāo)簽，通過標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)映射，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)變動時對應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)實時變動的效果。在數(shù)據(jù)庫設(shè)置讀取表與寫入表進行數(shù)據(jù)交互。圖8為數(shù)據(jù)映射原理圖。

3 測試與應(yīng)用

本文系統(tǒng)的測試使用了 Wireshark 軟件監(jiān)聽報文信息，使用了 Apifox 軟件管理接口文檔和調(diào)試服務(wù)器請求接口。測試后響應(yīng)用戶需求，把部分登錄賬號的令牌（Token） 有效時限延長到一周，避免了生產(chǎn)中煩瑣的登錄行為。

本文系統(tǒng)實際運行界面如圖9系統(tǒng)實際運行圖所示，已成功于廣東省某不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線試運行三個月。運行結(jié)果表明，本文系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，能以較低成本有效解決質(zhì)量跟蹤與局部生產(chǎn)管控問題，提高生產(chǎn)效率，該系統(tǒng)方案是一種有效的信息化建設(shè)方案。

4 結(jié)束語

本文提出了一種應(yīng)用于不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集與過程控制系統(tǒng)，并以總分結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的主要設(shè)計進行了闡述。詳細闡述了基于Laravel 框架的業(yè)務(wù)功能模塊設(shè)計和基于 Workerman 應(yīng)用容器的通訊模塊設(shè)計，簡單闡述了基于 Vue-element-admin 框架的前端模塊設(shè)計和基于KEPServerEX 工業(yè)連接平臺的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計。

本文系統(tǒng)能有效解決不銹鋼整卷磨生產(chǎn)線的工業(yè)信息化建設(shè)成本較高的問題，解決質(zhì)量跟蹤與局部生產(chǎn)管控問題，提高生產(chǎn)效率和信息化程度，可推廣應(yīng)用于相似生產(chǎn)線，具有一定工程遷移價值和借鑒意義。后續(xù)的研究方向是使用開源協(xié)議編程升級數(shù)據(jù)采集模塊，避免 KEPServerEX 工業(yè)連接平臺的費用支出，進一步降低工業(yè)信息化建設(shè)成本。

【通聯(lián)編輯：梁書】