基于MTConnect的噴氣織機遠程監控系統設計

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(1.山東大學機械工程學院，濟南　250061;2.山東日發紡織機械有限公司，山東聊城　252000)

當前，國產噴氣織機產業發展迅速，各種新型噴氣織機被先后推出，對織機遠程監控系統的研究已經成為各高校、企業、研究機構關注的熱點之一，相應也取得了一定研究成果。董卿霞[1]借助局域網開發了一套C/S架構的織機監測系統，能夠在局域網內部完成對車間織機的監測。鄧玉文[2]研發了一套基于Web技術的噴氣織機網絡管控系統，借助CAN網關監控程序與服務器進行信息交互，對噴氣織機生產車間進行網絡管控。羅東升[3]開發了一套織機實時織造信息管理系統，采用硬件采集卡采集織機數據，選用TCP/IP協議組建信息管理系統，實現遠程監測。北京經緯紡機針對棉紡設備開發了經緯E系統[4-6]，能夠監視紡織設備的運行信息，并統計監視的信息。無錫絲普蘭公司為噴氣織機配備有SPR1000噴氣織機網絡監控系統[7]，系統不僅能夠采集、監視噴氣織機的實時狀態，還具有部分生產管理功能。以上織機遠程監測系統雖然在一定程度上實現了對噴氣織機的遠程監控，但各系統之間缺乏統一的數據接口，限制了不同設備、系統的互聯互通。針對這一現狀，本文研究了MTConnect協議，為噴氣織機控制系統添加了標準數據輸出接口，并完成了基于B/S架構的噴氣織機遠程監控系統設計。

1　噴氣織機控制系統MTConnect接口設計

1.1　MTConnect分析

圖1　MTConnect應用示例

MTConnect[8-10]是美國機械制造技術協會提出的一種基于開放式協議的數控設備互聯通信協議，其目的是提高設備的數據采集功能，增強設備的互操作性，創造一種“即插即用”的應用環境。雖然MTConnect協議最初是針對數控機床提出的，但是其具有超強的設備描述能力[11]，且用戶可根據需要添加描述元素，因此其適用于噴氣織機監測信息的描述。圖1所示為MTConnect在實際應用中主要包括4種模型概念：設備、適配器、代理和客戶端。其中，設備是所要監測的目標單位，也是監測數據源；適配器是一種數據格式轉化器，用于將設備原始數據轉化為代理能夠識別的數據格式；代理是MTConnect的核心，負責采集、存儲設備數據，并響應客戶端HTTP請求，與客戶端進行數據交互；客戶端是監測數據的最終使用者，可以是應用分析軟件或是其他處理系統。本文借助MTConnect 協議，為噴氣織機控制系統設計標準數據輸出接口，遠程監控服務器作為MTConnect客戶端與各噴氣織機控制系統MTConnect接口通信，完成分散織機數據的采集。

在MTConnect協議中，XML語言被用于描述設備的各項監測信息。MTConnect協議采用4種類型的XML文件對設備進行描述，即MTConnectDevices、MTConnectStreams、MTConnectErrors和MTConnect-

Assets。MTConnectDevices是設備描述文件，在完整的設備描述文件中，包含設備集(Devices)、組件集(Components)等。其中設備集可以包含多個設備，在本文中，設備即噴氣織機；組件集是組件的集合，組件指的是軸(Axes)、傳感器(Sensors)、控制器(Controller)等。每個組件可以包含多個數據項(DataItems)，用于描述組件的各個屬性。MTConnectStreams是數據流文件，設備和組件的具體數據通過此文件描述。MTConnectErrors是錯誤文件，當客戶端請求出現錯誤時，則通過此文件將錯誤報告返回給客戶端。MTConnectAssets是資產描述文件，主要和機床加工刀具相關，在噴氣織機設備描述中忽略此文件。

1.2　基于MTConnect的噴氣織機監測信息建模

對噴氣織機監測信息進行基于MTConnect的建模需要明確噴氣織機的機械結構和所需監測的信息。噴氣織機主要包括3個平行傳動軸和布面張力傳感器，3個平行傳動軸分別是織機主軸、送經軸和卷取軸，其中送經軸和卷取軸同步運行，將其簡化為一個進給運動軸。噴氣織機所需監測內容主要包括：織機主軸轉速、工作效率、布面張力及報警信息等織機狀態信息；織機系統參數、工藝參數、張力參數等配置信息；報表統計等歷史信息。本文主要針對織機狀態信息完成基于MTConnect的噴氣織機遠程監控系統設計與驗證。

圖2所示為基于MTConnect的噴氣織機狀態信息結構圖，圖2描述了噴氣織機的供電系統、張力傳感器、織機主軸和進給運動軸。根據噴氣織機狀態信息結構圖，可使用XML文件對噴氣織機運行狀態信息進行描述。圖3所示為噴氣織機的狀態信息描述文件，文件中，除了圖2中的基本信息，還增加了運行效率、當前狀態、擋車工等數據項，并根據MTConnect協議規定為各數據項的id，type，category等屬性進行了賦值。

圖2　基于MTConnect的噴氣織機狀態信息結構

圖3　噴氣織機狀態信息描述文件

1.3　MTConnect接口設計

噴氣織機控制系統MTConnect接口負責讀取噴氣織機控制系統內部數據，將數據統一整合為符合MTConnect標準協議的數據格式，并將其存儲于臨時存儲區。當接收到客戶端發送的HTTP請求，MTConnect接口做出響應，返回符合標準協議的織機數據。在MTConnect協議中，客戶端主要有4種HTTP請求，即Probe、Sample、Current和Asset。其中，Probe請求用于查詢設備的組件和數據項，代理返回MTConnectDevices文檔；Sample請求用于查詢某一段數據，代理返回MTConnectStreams文檔；Current請求用于查詢設備組件的當前狀態，代理返回MTConnectStreams文檔；Asset請求用于獲取設備資產信息，本文不涉及此類請求。

MTConnect接口的設計重點是代理的設計，美國制造技術協議為方便用戶開發代理端程序，提供了代理軟件開發工具。該開發工具提供了一系列函數接口，用戶可直接以DLL類庫的形式調用。如圖4所示，為噴氣織機控制系統MTConnect接口工作原理圖。MTConnect接口主要包括4個模塊，即數據讀取模塊、XML解析器、數據存儲模塊和HTTP Server。

a) 數據讀取模塊從噴氣織機控制系統的配置文件、Sqlite數據庫以及共享內存中獲取監測數據，并借助開發工具提供的IData函數接口將數據存儲入數據存儲模塊。

b) XML解析器負責解析設備描述文件和代理配置文件，并根據XSD定義文件校驗設備描述文件。在XSD文件中對設備描述文件中的組件、屬性等均有定義，用戶可根據需要添加定義。

c) 數據存儲模塊按照MTConnect協議整合Probe、Current、Error請求的響應數據包，并將數據包存儲在臨時存儲區。當客戶端有HTTP請求進入時，利用.NET LINQ技術[12]從存儲區內獲得相應數據包。

d) HTTP Server偵聽HTTP請求，進而從數據存儲模塊中得到響應數據包，并做出響應。

圖4　噴氣織機控制系統MTConnect接口原理

2　噴氣織機遠程監控系統設計

2.1　數據傳輸模型設計

噴氣織機遠程監控系統的數據傳輸模型包含兩層含義：噴氣織機監測信息的上傳和遠程控制指令的下發。噴氣織機監測信息通過MTConnect接口即可獲得，然而由于MTConnect協議尚不支持控制指令下發，因此自定義數據協議傳輸加密/解密控制指令。圖5所示為自定義數據包結構，數據包由前導符、數據屬性、數據長度、組包數據、加密碼以及CRC校驗碼組成。其中，前導符占據6個字節位，

用于對數據包做第一道校驗，檢測其是不是本系統內部定義；數據屬性占據1個字節位，用于標識數據包的類型；數據長度占據2個字節位，用于記錄組包數據的字節數，組包數據可以包含多個數據節點，分別存儲不同數據；加密碼占據6個字節位，基于MD5加密算法[13]獲得，是保證加密/解密控制指令安全性的又一道保障；CRC校驗碼占據4個字節，用于校驗數據包傳輸過程中是否出現錯誤。噴氣織機監測信息符合MTConnect協議標準，為提高監測信息的安全性，防止信息泄露，MTConnect數據包同樣按照圖5的數據包結構再次組包。

圖5　自定義數據包結構

如圖6所示，在噴氣織機控制系統軟件上層設計有MTConnect接口和協議解析模塊，協議解析模塊負責解析控制指令數據包，為統一管理，在MTConnect接口和協議解析模塊上層設計有請求過濾模塊，該模塊對接收到的數據包按照自定義的數據結構進行過濾，將HTTP請求數據包傳遞給MTConnect接口處理，而控制指令數據包交由協議解析模塊處理。

圖6　噴氣織機控制系統軟件上層模塊示意

2.2　系統整體設計

如圖7所示，噴氣織機遠程監控系統在硬件上主要需要以下設備：帶有通用串口的工業控制計算機、串口轉Wi-Fi模塊、工業路由器、云服務器、遠程客戶端。

工業控制計算機作為噴氣織機控制系統的上位機主控制器，其上運行有噴氣織機控制系統上位機軟件和與噴氣織機遠程監控系統相關的各功能模塊。噴氣織機工業控制計算機通過串口通信線與串口轉Wi-Fi模塊相連接。

串口轉Wi-Fi模塊負責透明轉發串口與服務器之間的數據。本系統中的串口轉Wi-Fi模塊選擇的是濟南有人物聯網公司開發的工業級產品，該模塊能夠實現串口與Wi-Fi之間數據的雙向透明傳輸。串口轉Wi-Fi模塊既可以作為TCP Server存在，也可以作為TCP Client工作，在本系統，該模塊作為TCP Client存在。串口轉Wi-Fi模塊與遠程服務器的通信是采用Socket通信的方式完成的，該模塊相當于Socket通信的TCP Client，而布置在云服務器上的數據處理模塊相當于Socket通信的TCP Server。

圖7　噴氣織機遠程監控系統整體方案

工業路由器負責提供網絡接入服務，通過工業路由器，車間織機與云服務器完成信息交互。

云服務器是噴氣織機遠程監控系統的核心，其上運行有數據處理模塊和遠程監控服務器，遠程監控服務器包括數據庫服務模塊和Web服務模塊。數據處理模塊作為車間織機與服務器Socket通信的TCP Server，與車間各織機的串口轉Wi-Fi模塊建立連接。系統正常運行時，數據處理模塊主動向噴氣織機控制系統MTConnect接口發送HTTP請求獲取各織機信息，并將織機監測信息分類存儲到數據庫服務模塊。另外，數據處理模塊定時檢測數據庫服務模塊中的織機加密/解密控制信息，并將該控制指令按照前文的自定義數據協議打包下發給車間織機上位機主控制器，實現遠程控制。數據庫服務模塊是車間織機與遠程用戶進行數據交互的媒介，車間噴氣織機需要遠程監視的數據被上傳到數據庫服務模塊以備查看，遠程用戶借助于Web服務模塊將加密/解密等控制指令寫入數據庫服務模塊，以備數據處理模塊檢測。Web服務模塊用于提供監控信息瀏覽服務，其響應用戶的HTTP請求，與數據庫服務模塊完成數據交互。

3　實驗驗證

噴氣織機遠程監控系統開發完成后，需要對系統進行系統功能測試和現場車間試驗，以檢測系統的可行性。

3.1　系統功能測試

圖8所示為噴氣織機遠程監控系統功能測試環境。系統功能測試是在實驗室內部搭建起噴氣織機遠程監控系統進行的測試，服務器、客戶端均接入內部局域網，噴氣織機通過串口轉Wi-Fi模塊接入同一局域網。由于內部測試過程中，噴氣織機控制系統未實際控制噴氣織機機械結構運動，因此編寫測試文件，按照測試文件手動操作噴氣織機控制系統軟件模擬噴氣織機正常工作。

圖8　系統功能測試環境

系統功能測試主要測試噴氣織機遠程監控系統的邏輯功能、Web服務器的兼容性等內容，如圖9所示。

圖9　噴氣織機遠程監控系統織機列表頁面

為噴氣織機遠程監控系統功能測試過程截圖，圖9顯示了配備有噴氣織機遠程監控系統的織機列表，通過該列表可選擇查看某一特定噴氣織機的具體監測信息(圖10)。經測試，基于MTConnect的噴氣織機遠程監控系統方案可行。

圖10　噴氣織機運行狀態頁面

3.2　現場車間試驗

在本系統中，噴氣織機采用無線連接的方式與服務器通信，由于無線連接的抗干擾能力相對較弱，因此系統功能測試完成后，還需進行現場車間試驗，進一步驗證噴氣織機遠程監控系統在車間復雜環境下的穩定性和遠程控制對車間噴氣織機的影響。圖11所示為該系統被配備在新疆某紡織企業現場圖，服務器布置在云服務器中，客戶端通過公共網絡訪問服務器。圖12所示為車間噴氣織機控制系統上位機軟件顯示的噴氣織機運行信息，圖13所示為噴氣織機遠程監控系統監測到的該噴氣織機的運行信息，對比后發現，遠程監測的信息與噴氣織機控制系統上位機軟件顯示的一致。通過噴氣織機遠程監控系統對車間織機進行遠程加密/解密操作，車間織機運行正常，遠程加密/解密操作不會影響車間噴氣織機的安全性。

圖11　車間試驗現場

圖12　噴氣織機控制系統上位機軟件顯示界面

圖13　噴氣織機遠程監控系統顯示頁面

4　結　語

本文針對現存織機遠程監控系統缺乏統一數據接口這一問題，研究了MTConnect協議，為噴氣織機控制系統設計了MTConnect接口，實現了監測信息的標準輸出。對于遠程加密/解密等控制指令的下發，則通過自定義數據協議完成。系統基于B/S架構設計完成，服務器布置在云服務器上，遠程用戶不受地理位置限制，可實時對車間噴氣織機進行遠程監控。最后分別對噴氣織機遠程監控系統進行了系統功能測試和現場車間試驗，經測試，系統方案可行。