基于物聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；計(jì)算機(jī)技術(shù)；工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP277；TP393.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的高度集成和綜合運(yùn)用，可以將日常生活中的各類事物與互聯(lián)網(wǎng)相連接，并借助現(xiàn)代化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各類事物的智能化管理。通過科學(xué)地應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其他新興技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)檢測和智能化監(jiān)管，從而獲取信息數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，并以此為依據(jù)進(jìn)行自動化調(diào)節(jié)和操控。目前，隨著研究理論日益深入，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮的作用也愈發(fā)重要?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，通過結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備智能互聯(lián)和自動監(jiān)管，在相關(guān)技術(shù)助力下，為我國工業(yè)企業(yè)智能化發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

1 研究背景

越來越多現(xiàn)代化技術(shù)的出現(xiàn)加快推進(jìn)我國工業(yè)化進(jìn)程。目前，在多元化技術(shù)支持下，工業(yè)智能化發(fā)展成為主要方向。從宏觀角度來看，智能化建設(shè)是指設(shè)備、服務(wù)器之間通過有效連接來實(shí)現(xiàn)交互；從微觀角度來看，智能化建設(shè)是指設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動化、智能化建設(shè)水平。工業(yè)智能化發(fā)展為智慧工廠建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，而設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是其決定性因素。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的核心在于服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)化、遠(yuǎn)程化管控[1]。

現(xiàn)階段，以設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、智能化建設(shè)為核心的工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)平臺得到廣泛研究，相關(guān)理論日益成熟豐富。具體來看，監(jiān)控工業(yè)設(shè)備的系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)方案多種多樣，以某系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為例，其通過結(jié)合以太網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)，但該系統(tǒng)造價(jià)成本相對高昂，對于一部分實(shí)力較弱的企業(yè)而言，經(jīng)濟(jì)壓力較大。因此，本文從成本角度出發(fā)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在為工業(yè)企業(yè)進(jìn)一步推進(jìn)智能化、實(shí)時(shí)化管控提供支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

目前，“工業(yè)4.0”“智慧工廠”等概念不斷深化，為我國工業(yè)發(fā)展指明了智能化、自動化的新方向。在此背景下，基于現(xiàn)代化技術(shù)，構(gòu)建科學(xué)、高效、智能的工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)成為重點(diǎn)。

該系統(tǒng)主要目的是實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的智能化監(jiān)管和遠(yuǎn)程化操控。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)過程中，需要綜合考慮以下5 項(xiàng)內(nèi)容：①全面性。保證該系統(tǒng)可以對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行全方位監(jiān)管，實(shí)時(shí)化掌控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、操作參數(shù)及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等各項(xiàng)信息。②遠(yuǎn)程化。確保該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并且無須近距離接觸儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化調(diào)控。③便捷化。系統(tǒng)采集的各項(xiàng)信息均可以自動化匯總、分析、處理和備份存儲，利用網(wǎng)絡(luò)將其分類并且傳輸?shù)较鄳?yīng)操縱界面，便于工作人員查看和調(diào)取。④智能化。系統(tǒng)具備異常信息自動化識別、分析及預(yù)警功能，其可以將采集的信息與歷史信息進(jìn)行對比，確定異常信息，并及時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较鄳?yīng)的操作界面，同時(shí)自動示警來提示工作人員。⑤安全性。系統(tǒng)內(nèi)部儲存大量信息內(nèi)容，應(yīng)科學(xué)構(gòu)建防護(hù)體系，避免信息遺失、錯(cuò)漏或者被惡意篡改[2]。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)由軟件部分和硬件部分組成。其中，軟件部分包括服務(wù)器網(wǎng)站系統(tǒng)和設(shè)備端視覺檢查軟件。軟件運(yùn)行機(jī)制流程如圖1 所示。

由圖1 可知，該系統(tǒng)軟件部分的設(shè)備端視覺檢查軟件先發(fā)揮作用，對產(chǎn)品標(biāo)簽進(jìn)行檢查，保存設(shè)備信息。借助物聯(lián)網(wǎng)將獲取的信息傳輸?shù)椒?wù)器中的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)發(fā)揮用戶界面（user interface，UI）截圖的作用，將獲取的圖像文件通過文件傳輸協(xié)議（file transfer protocol，F(xiàn)TP）傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器接收到來自數(shù)據(jù)庫或者FTP 目錄文件發(fā)送的刷新信號后，將其展現(xiàn)在網(wǎng)站界面上，便于工作人員查看，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程智能化管理。此外，服務(wù)器可以基于自身內(nèi)部的算法、模型自動判斷設(shè)備是否正常，如果正常則完成本次設(shè)備監(jiān)控，等待下一次監(jiān)控信號；如果存在問題，則依靠設(shè)備端光源展示信息，判斷具體問題并示警。例如，未通過（notgood，NG）信號表明產(chǎn)品標(biāo)簽環(huán)節(jié)有誤。基于此，設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)得到智能化管理。

結(jié)合圖2 可知， 硬件由服務(wù)器PC（serverPC）、設(shè)備PC（machine PC）和有線局域網(wǎng)組成。server PC 和machine PC 依靠有線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互。

2.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫和FTP 作用發(fā)揮過程

為了確保系統(tǒng)功能得以充分發(fā)揮，其服務(wù)器網(wǎng)站具備實(shí)時(shí)查看設(shè)備端軟件信息、軟件UI 圖像的功能，這也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)視功能的前提。本文提出的設(shè)計(jì)方案中，服務(wù)器端網(wǎng)頁以因特網(wǎng)服務(wù)器為基礎(chǔ)，應(yīng)用腳本語言ASP.NET 完成開發(fā)。該軟件部分在HTTP 請求文檔上完成創(chuàng)建[3]。

設(shè)備端軟件應(yīng)用C# 語言完成開發(fā)。該部分具備自動拍照功能，可以通過服務(wù)器發(fā)布的命令實(shí)現(xiàn)自動拍照，并對產(chǎn)品標(biāo)簽進(jìn)行視覺檢查，確定標(biāo)簽是否存在。同時(shí)，其可以匯總檢查結(jié)果并借助網(wǎng)絡(luò)將其傳輸?shù)椒?wù)器端。該設(shè)計(jì)方案中各光源設(shè)備之間存在聯(lián)系，使智能化管控成為可能。這為系統(tǒng)具備光源控制功能奠定了基礎(chǔ)，當(dāng)檢查標(biāo)簽無狀態(tài)時(shí)，呈現(xiàn)NG 信號，此時(shí)標(biāo)簽設(shè)備相應(yīng)的光源開關(guān)被觸發(fā)，并且同步示警，提醒相關(guān)人員。

此外，為了保證該系統(tǒng)具備可擴(kuò)展性，降低后期維護(hù)難度，設(shè)備端、服務(wù)器端軟件都借助NET平臺完成開發(fā)。這確保了軟件功能的整體耦合性，避免出現(xiàn)各功能模塊難以協(xié)同運(yùn)行的問題。

machine PC 與server PC 通過有線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接。服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫開啟遠(yuǎn)程讀寫允許配置，設(shè)備端軟件借助SPL 語句實(shí)現(xiàn)特定IP、端口數(shù)據(jù)庫插入。為了確保遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫記錄清晰明了，數(shù)據(jù)翔實(shí)，服務(wù)器網(wǎng)站每隔2 s 讀取數(shù)據(jù)庫信息并顯示在屏幕端，此時(shí)可以在網(wǎng)站頁面查看來自設(shè)備端的信息[4]。

設(shè)備端軟件完成產(chǎn)品檢查后，會自動對軟件當(dāng)前狀態(tài)界面進(jìn)行截圖，然后歸檔保存，并通過FTP協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器FTP 目錄中。網(wǎng)站會實(shí)時(shí)獲取拍攝的圖像文件，將其與信息數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行對比驗(yàn)證。通過這一操作，保證設(shè)備端和服務(wù)器端界面能夠有效對應(yīng)，從而提升工作人員查看流暢度和效率，避免信息失真、失誤的現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.4 基于Socket 的設(shè)備狀態(tài)控制過程

在采集設(shè)備端檢查作業(yè)數(shù)據(jù)信息后，基于套接字（Socket）控制設(shè)備狀態(tài)，其會自動識別判斷服務(wù)器設(shè)備是否正常，如果識別出的信號為NG信號，則會對相關(guān)數(shù)據(jù)做出自動反應(yīng)（如數(shù)據(jù)提取、匯總及分析等）。此過程中，信號通過有線局域網(wǎng)傳輸?shù)皆O(shè)備端軟件部分，其接收到信號后，觸發(fā)光源控制按鈕，在確保按鈕打開時(shí)同步示警。通過這一設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化監(jiān)控，即使作業(yè)現(xiàn)場無人值守，也可以智能化地完成工業(yè)設(shè)備信息反饋。Socket 通過描述IP 地址和端口，實(shí)現(xiàn)不同虛擬機(jī)之間或者不同計(jì)算機(jī)之間的通信，也可以將其看作是通信鏈的句柄[5]。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，服務(wù)器和設(shè)備端主機(jī)往往包含多個(gè)服務(wù)軟件，內(nèi)部包含多個(gè)服務(wù)體系，可以提供種類多樣的服務(wù)，為了有效區(qū)分服務(wù)類型，確保每個(gè)服務(wù)都可以打開一個(gè)Socket，其可以與對應(yīng)的端口進(jìn)行連接。盡管服務(wù)器和設(shè)備端主機(jī)上存在多個(gè)類似的Socket，但其對應(yīng)的服務(wù)和服務(wù)端口可以被精準(zhǔn)區(qū)分。

本文應(yīng)用Socket 實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)控制，其過程如下：設(shè)備端負(fù)責(zé)監(jiān)聽并獲得信號，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控及傳輸信息，并且設(shè)備端處于待連接狀態(tài)。服務(wù)器發(fā)出請求后，基于IP 和端口，借助Socket 實(shí)現(xiàn)連接。確認(rèn)連接之后，設(shè)備端就連接請求做出響應(yīng)，此時(shí)新線程建立，設(shè)備端處于持續(xù)工作狀態(tài)，可以接收來自服務(wù)器的相關(guān)命令，并根據(jù)命令信息，有針對性地做出響應(yīng)動作[6]。

3 系統(tǒng)方案驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)用性。在實(shí)驗(yàn)之前，按照本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以某無標(biāo)簽設(shè)備和有標(biāo)簽設(shè)備為研究對象，借助系統(tǒng)識別設(shè)備信息，并且以結(jié)果為基準(zhǔn)，探究該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用價(jià)值[7]。

對于無標(biāo)簽的設(shè)備進(jìn)行識別，在檢測過程中，設(shè)備端軟件識別出NG 信號，將其信息傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)庫端的信息刷新信號后，將信息同步更新到網(wǎng)站界面，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁頁面和設(shè)備端的信息一致，之后基于Socket 通信向設(shè)備端軟件發(fā)出打開光源命令信號，此時(shí)設(shè)備端軟件接收信號并且打開光源。經(jīng)過人工復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)設(shè)備端同步打開光源，此時(shí)服務(wù)器端也呈現(xiàn)該提示。

對于標(biāo)簽正常的設(shè)備進(jìn)行識別，在檢測過程中，設(shè)備端軟件信號正常，將其傳輸?shù)椒?wù)器數(shù)據(jù)庫。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站實(shí)時(shí)讀取信號并同步刷新界面，然后服務(wù)器判斷信號，確定其代表產(chǎn)品有標(biāo)簽，則不會觸發(fā)設(shè)備端光源報(bào)警，直接完成設(shè)備監(jiān)控。通過人工復(fù)檢發(fā)現(xiàn)，設(shè)備端軟件并未激發(fā)光源設(shè)備打開。

由上述驗(yàn)證可知，該系統(tǒng)架構(gòu)合理，可以滿足對工業(yè)設(shè)備的自動化、實(shí)時(shí)化管控的需求。同時(shí)，相較于傳統(tǒng)人工監(jiān)控方式，該方法效率更高，其所需時(shí)間為傳統(tǒng)人工方式完成監(jiān)控時(shí)長的1/3，且準(zhǔn)確率達(dá)到99.99%。雖然其也會受多種因素影響出現(xiàn)故障，但其準(zhǔn)確性具有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文圍繞工業(yè)設(shè)備監(jiān)控需求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的工業(yè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，是確保其功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的設(shè)計(jì)方案在工業(yè)設(shè)備監(jiān)控中具備優(yōu)良性能，可以有效識別產(chǎn)品狀態(tài)。相較于傳統(tǒng)人工監(jiān)控方式，其在準(zhǔn)確性、效率和整體成本方面占據(jù)優(yōu)勢。