基于物聯網的經編制造執行系統關鍵技術

1 體系結構

1.1 硬件環境

根據經編車間對數據采集與傳輸的要求，為經編車間設計的硬件結構如圖1所示。在整個制造執行系統中，利用各種傳感器采集經編機的生產數據，將數據實時顯示在數據采集終端并通過紫蜂(ZigBee)模塊將生產數據臨時保存在本地數據庫上。本地服務器通過連接因特網將本地數據庫中的數據同步到云數據庫中。任何安裝瀏覽器的客戶端只需向web服務器發出請求，即可實現生產信息的遠程檢測、控制和生產過程的管理。

圖1 經編制造執行系統硬件結構圖Fig.1 Hardware structure diagram of warp knitting MES

1.2 軟件架構

系統采用B/S的3層架構(如圖2所示)，3層分別是web表示層、業務邏輯層和數據訪問層。web表示層是系統功能的顯示界面，為相關數據提供展示平臺并負責與用戶直接交互；業務邏輯層是3層架構中的中間層，主要負責系統內部業務邏輯處理；數據訪問層主要實現數據讀寫與存儲功能，為其他2層提供數據服務，通常作為整個分層體系的最底層[3]。每層的任務十分明確，系統各層必須逐層按序調用，客戶端瀏覽器不能跨越中間層直接訪問數據庫，而必須先使用通信接口與中間層建立連接，中間層再調用ADO.NET完成對數據的最終操作[4]。通過分層規劃，有效實現了系統中各部分功能的模塊化、獨立化，達到高耦合低內聚，使系統具有更強大的靈活性、可擴展性、可維護性以及更高的安全性。

圖2 ASP.NET 3層架構圖Fig.2 Three-tier architecture of ASP.NET

2 數據采集技術

2.1 ZigBee技術

傳統的人工巡視、手抄卡片等采集生產數據的方式存在即時性差、可靠度低等問題，已不再適用于當今的生產環境，本系統采用基于ZigBee技術的數據采集模塊實現數據的采集和雙向傳輸。基于IEEE 802.15.4標準的 ZigBee無線通信技術，是一種適用于短程、低功耗、高可靠度和低成本的雙向數據傳輸技術，被廣泛應用于工業控制領域[5]。數據采集是利用數據采集終端從生產現場采集數據并及時傳入到云數據庫中，采集的數據是可被轉換為電訊號的各種模擬量或數字量，根據經編車間需求和經編工藝特點，采集的數據主要包括：機器編號;擋車工號;機器速度V，r/min;匹號;縱密P，橫列/cm;落布米數DL，m;停車時間TS，h;停車原因;當班能耗E，kW·h等。由采集到的數據經過計算可得機器當前產量LC=60VT/100P。其中T為實際生產時間，由當前時間減去停車時間TS獲得。為了更好地分析停車原因，經編機停車時終端機會自動跳出停車原因選擇界面，若為坯布疵點則會記錄疵點位置和長度[6]。

2.1.1系統硬件設計

數據采集終端主要由傳感模塊、數據處理存儲模塊和無線通信模塊組成，經認真比較，選用Chipcon公司的CC2430 ZigBee芯片，因為它與同類產品相比具有集成度高、功耗低、與ZigBee/802.15.4全兼容的硬件層和物理層以及增強型8051內核。此外，該芯片還集成了8KB的隨機存儲器(RAM)和256KB的閃存，用該芯片設計經編數據采集終端既可以提高系統性能，又可以方便系統升級需求。基于ZigBee技術的數據采集模塊硬件設計如圖3所示。

圖3 硬件設計簡化框圖Fig.3 Simplified block diagram of hardware design

傳感模塊由PT100溫濕度傳感器采集經編車間環境信息、智能電表記錄能耗、TK12-N轉速傳感器采集主軸轉速以及射頻識別(RFID)卡獲取員工操作記錄。

數據存儲模塊采用的是容量大、可靠性高、改寫速度較快的計算機閃存設備。

無線通信模塊是整個系統的關鍵，該模塊主要包括CC2430、功放芯片CC2591和一小部分外圍電路。在經編車間里，經編機數量多分布廣，CC2430芯片傳輸范圍有限，功放芯片可以延伸節點的傳輸范圍，這樣既可以減少路由器數量，同時也可提高通信質量。

2.1.2數據輪詢機制

ZigBee網絡帶寬有限，當車間多個節點同時主動發送數據時，將導致傳輸網絡擁塞并出現數據延時和丟失。為保證數據采集的實時性和可靠性，本系統在ZigBee數據傳輸網絡中引入小數據包輪詢的機制。該機制由ZigBee中心節點發起傳輸請求，然后依次詢問車間其他的子節點，確保任意時刻信道中有且僅有一條通信處于開啟狀態。運用這種輪詢機制，避免了某一經編機終端在某一段時間內持續占用無線信道，這樣就既能保證數據傳輸速度，又能使報修等關鍵信息及時向上層發送。

2.2 RFID技術

RFID無線射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術[7]，它無需與物料接觸即可識別特定目標并實現相關數據訪問與讀寫。電子產品代碼(EPC)作為唯一的身份標識，附著在每個目標物體上，另外還可根據用戶需求在存儲區域寫入特定信息，這些優點都是原始的條形碼技術無法匹及的。在經編生產過程中，管理人員要想實時了解計劃執行進度、設備、物料、半成品的狀態，必須要對物料進行唯一標記，擋車工也應分配RFID白卡標識身份。在RFID的數據采集終端，擋車工通過刷卡進行登錄，然后掃描坯布上的標簽，再開始生產。此時，該擋車工對應的生產信息就會自動錄入后臺數據庫。當達到落布要求時，剪下坯布，再次掃描一下坯布標簽，系統會記錄相關信息并存入數據庫，然后將坯布送到驗布車間檢驗。若生產過程中發生設備異常，應及時停機并點擊數據采集終端上的呼叫報修按鈕，機修工會收到通知并及時趕到現場。在機修工調機前應刷一下自己的RFID卡，終端會記錄調機時間、當前訂單號、設備狀態等信息并存入數據庫。若生產過程中發現坯布疵點，只需手動選擇疵點類型，數據庫會自動記錄當前疵點位置及對應的疵點信息，數據采集流程如圖4所示。

注：JSON為一種輕量級的數據交換模式。圖4 數據采集流程圖Fig.4 Flow chart of data acquisition

在生產過程中，所有的生產數據都被臨時保存在本地數據庫中，再通過本地服務器聯網同步到與數據庫。后道環節中，只需掃一下生產單的電子標簽，就可得到生產過程的全部信息，從而實現提高數據采集效率、減少人工錄入的易錯性和對產品質量的全方位追蹤，滿足經編車間實時生產數據的實時性和有效性要求。

3 數據處理技術

經編車間生產品種多、變化快，翻改品種頻繁，多用戶同時操作，另外企業歷史生產數據龐大、業務邏輯復雜，導致系統產生并發故障，因此需要制定完善的數據鏈路層協議，對系統數據庫進行合理的設計，并通過ADO.NET數據訪問接口對數據進行訪問，以提高數據處理效率，從而實現數據共享的目的。

3.1 數據完整性約束

首先，根據收集的數據源抽象出實體對象，再根據實際的業務需求和規則建立各實體對象之間的聯系，進而確定各關系之間的約束。實體對象完成任務的前提是明確實體對象的行為，如瀏覽器對象模型信息的編輯、工序管理信息的錄入、原料庫存的更新等。同時，由于經編企業實際生產中各個業務對象之間并非完全獨立，而是相互關聯，如計劃排單的調整、原料庫存信息反饋、擋車工平均產量的換算等業務規則，而這些規則約束了某些業務對象的屬性和關系。為保證生產數據的正確性、有效性和一致性，數據庫完整性約束必不可少。完整性約束主要有實體完整性約束、參照完整性約束、函數依賴約束、統計約束4類[8]。

3.2 ADO.NET數據訪問技術

在經編MES系統中，用戶不直接訪問數據庫，而是通過ADO.NET數據訪問接口對數據進行訪問，交互過程如圖5所示。ADO.NET技術有二大突出優勢：一是能夠靈活訪問不同類型數據；二是采用中斷式訪問模式。完成此任務的是由ADO.NET提供的NET Framework數據提供程序和DataSet[9]2個核心組件。NET Framework 數據提供程序包括一系列快速處理數據的對象，如Connection、Command、DataAdapter等。DataSet像一個簡單化的關系數據庫，用于高速緩存數據。針對任何業務流程的操作，最終都可抽象為對數據庫的查詢、插入、修改以及刪除運算。為避免代碼里出現很多SqlConnection、SqlCommand等類和方法，同時為保證后臺代碼的簡潔和可維護性，系統采用微軟提供的一個靜態類SqlHelper。數據訪問功能被封裝在SqlHelper類的一組靜態重載方法中，需要訪問數據庫時，調用SqlHelper的靜態方法，傳入相應參數即可。

圖5 ADO.NET的數據訪問過程Fig.5 Data access process of ADO.NET

3.3 數據鏈路層協議

數據鏈路層(HDLC)能夠連接網絡層和物理層，是確保數據正確傳輸的最低協議層。數據鏈路層主要實現分組轉發、確認、差錯控制、優先級排隊、控制擁塞、控制拓撲等功能。為了提高差錯控制，數據鏈路層將比特流組合成以幀為單位傳送，每個幀除了傳送信息字段外，還傳送標志字段、校驗字段等數據，HDLC標準幀格式如圖6所示。接收方根據校驗碼對收到的數據幀進行逐條檢測，若發現其中存在錯誤數據則返回請求重發的應答，應答回傳到發送方后，發送方只需解析編碼重發對應數據幀，而不用整體數據都重傳，這種選擇性重傳極大的節約了資源，提高了信道利用率。選擇性重傳的信令流程如圖7所示。

圖6 HDLC標準數據幀格式Fig.6 Sandard data frame format of HDLC

圖7 選擇性重傳的信令流程Fig.7 Signaling procedure of selected retransmission

4 數據安全性

4.1 權限控制

經編MES系統包含多個模塊，為了使系統數據的安全穩定性得到提高，根據經編企業實際需要給系統設定不同管理角色，每個角色擁有一定權限，再將角色分配給用戶，角色和用戶之間為多對多的映射關系。用戶與權限之間不會直接關聯，而是由角色分配權限，實現了訪問權和用戶的分離，極大的簡化了權限管理同時保證了數據安全[10]。

4.2 信息摘要算法

對于企業來說，用戶信息安全是最重要的，一旦密碼被破解整個數據庫就存在重大安全隱患。本系統中采用信息摘要算法(MD5加密)技術來解決這個問題，將用戶密碼經過MD5加密后再存入數據庫中，最后當用戶登錄時對比用戶加密口令和數據庫密文，兩者完全一致時才實現登錄。

4.3 存儲過程與參數化查詢

相比直接使用結構化查詢語言(SQL)語句，調用存儲過程操作數據可以提高執行的速度，存儲過程在調用時只進行一次解析，然后存在內存中，而執行SQL語句每次都要進行解析[11]。為保證程序免受SQL注入攻擊，調用全部使用參數化的存儲過程，而不是通過字符串的簡單拼接。只要存儲過程接口不改變，任何對數據庫的修改都不會影響web表示層和業務邏輯層，這為系統的修改維護提供了便利。

5 web前端設計技術

5.1 頁面無刷新更新技術

為提高客戶端/服務器頁面交互過程中用戶體驗，解決請求過程中等待服務器響應的低效、費時，經編MES頁面中應用Asynchronous Javascript and XML(AJAX)技術[12]。AJAX技術是一種交互式動態網頁開發技術，它通過后臺服務器少量的數據交換實現web頁面異步更新。經編制造執行系統主要包括車間管理、設備管理、生產計劃、疵點統計等功能模塊，其中車間管理模塊涉及到頻繁刷新操作，但發生變化的往往只是頁面中的一小部分，如果每次服務器都生成整個頁面再返回給客戶端，則無形中增加了網絡信息傳輸量，加大了服務器負擔。此外，等待期間會出現白屏或者頁面閃爍，降低用戶體驗，因此，利用AJAX異步交互模式，通過核心組件 XMLHttpRequest對象傳遞數據，然后用JavaScript綁定和處理所有數據。系統應用AJAX技術后，界面顯示速度明顯提高、服務器負載降低、人機交互體驗良好。

5.2 數據可視化技術

經編企業通過傳統的數據報表來觀察分析生產數據，很難直觀看到數據走勢及其結構關系，所以經編MES系統的web頁面采用HTML5中的Canvas繪圖技術來實現數據可視化展示[13]。現在的主流瀏覽器大部分都支持HTML5標準，基于Canvas的數據可視化模型如圖8所示。Canvas技術實質上是在頁面中加入1個畫布標簽，通過JavaScript完成畫布中數據操作和圖像渲染。通過數據可視化技術，用戶可以清晰、直觀地看到車間每臺機器訂單排列情況及當前生產進度、機器在某段時間內的運行效率及停機原因、擋車工工作時間、工作效率及績效工資統計等，并可以按自己的需求查詢出相應的報表，如查詢一段時間內某幾臺機器的運行效率來分析機器故障原因、查詢若干擋車工在某時間段內對同一品種訂單的生產效率來評估平均生產水平等。

圖8 基于Canvas的數據可視化模型Fig.8 Data visualization model based on Canvas

數據可視化通過多維度分析展示經編生產數據，使用戶能夠高效直觀地分析數據關系及其中的隱含信息，為經編企業計劃層提供了良好的決策支持，有效銜接了上層和車間制造層之間的信息“鴻溝”。

6 應用情況分析

為驗證系統的穩定性和準確性，已將系統應用于浙江海寧某經編企業，該企業正在使用的設備有35臺。經過一段時間運行，對比企業實際產量數據和MES系統采集的數據，結果如表1所示，坯布產量精確度相差小于1%，采集終端界面如圖9所示，使用系統后生產排單清晰直觀，員工績效、疵點數據、生產進度等數據實時同步，減少了車間管理人員的煩瑣勞動。

表1 數據對比Tab.1 Comparison of data

圖9 數據采集終端界面Fig.9 Interface of data acquisition terminal

7 結束語

基于ASP.NET的經編MES系統根據經編企業實際情況設計、人際交互友好、易于升級維護，很好地滿足了經編車間生產管理的需求。采用一系列數據優化處理和安全性技術保證了系統安全穩定運行，為生產數據的正確有效提供保障。所設計的web前端頁面在降低服務器負載的前提下，可實現無刷新更新和實時監測可視化效果，為管理者提供真實有效的決策依據。

FZXB

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