針織裝備云平臺的構建技術

汪松松， 彭來湖， 沈春婭， 胡旭東

(浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

在互聯網+和中國制造2025的大背景下，工業機器聯網(機聯網)以提高企業生產效率、提高自動化水平和作為企業資源計劃(ERP)、工業大數據智能化服務的基礎平臺而迅速崛起[1-3]。現有的針織裝備制造企業在設計裝備控制系統時，一般尚未提供網絡接口，行業上也沒有統一的接口標準和通信協議，事實上裝備無法互聯互通。理論上，工業裝備的物聯網應以工業以太網為主，配置OPC統一架構(OPC UA)互聯互通協議，但是此類網絡布局要求高，以中小企業為主的針織生產無法承擔工業網絡的高成本[4-6]。而從針織裝備聯網要實現的功能分析，針織生產主要是生產數據的監測，通信的實時性，數據量的要求都不高，因此要建立簡約的機聯網系統，監測裝備的生產數據并將數據發送到云平臺，實現基于云平臺的智能制造服務。基于此，本文主要討論在針織行業實現互聯互通，設計針織裝備網絡通信層的網絡聯接與互聯互通協議，將不同裝備制造企業開發的針織裝備接入到云平臺，并通過云存儲數據庫技術提供信息服務的構建技術。

1 系統結構設計

針織裝備云平臺主要結合針織裝備信息交互和業務功能特點進行建設，屬于工業物聯網簇的一類[7-8]。針織裝備聯網的目的是提取裝備的生產工作信息、下傳工藝數據、監測裝備的狀態數據等，以監測需求為主。以中小企業為主體的針織生產企業存在裝備種類多、規模小、分散分布等特點，所以機聯網需要應對多機型、接入端口多樣化等問題，因此結構務必要方便布網，又能兼容企業現役設備的多種接口，且成本要求低。

1.1 系統結構

不失一般性，針織網絡必須符合ISO/OSI通用架構，網絡層次如表1所示。針織裝備機聯網系統考慮設備接入、網絡通信、數據處理和信息服務等基本模塊[9-10]，其網絡結構如圖1所示。

表1 針織裝備機聯網通信協議棧Tab.1 Communication protocol stack of knitting equipment networking

圖1 針織裝備云平臺系統結構Fig.1 Cloud platform system structure of knitting equipment

針織裝備提供商可配置統一的互聯網接口，而現役的針織裝備可通過數據網關接入互聯網絡；通過高帶寬彌補互聯網調度的不足，以滿足信息監測需求；制定統一的針織裝備互聯互通協議以達到數據的統一接入；用統一的云平臺取代各企業自建服務器的傳統模式，并在云平臺上開發制造執行系統(MES)、網絡公關系統(ERP)、關系系統(CRM)、辦公服務(OA)等服務功能，該方式降低了企業建網和維護成本。

1.2 針織裝備接入設計

現役的針織裝備都沒有統一的物理接口，僅設置有串口(RS232)、串行總線(USB)等直連接口，作為電控系統調試和設置用。當前有線和無線工業網絡模塊廣泛投入物聯網使用，其主要接口類型如表2 所示，現役裝備的直連接口需通過網關轉化為互聯網的有線和無線接口，如雙絞線接口、WIFI空口等，接入互聯網絡。

表2 針織裝備通信接口類型Tab.2 Communication interface type of knitting equipment

此外，部分針織裝備的控制系統受存儲和通信能力限制，也制約裝備節點直接接入機聯網，也應配置互聯網轉化網關。

2 網絡層通信設計

采用無線網絡，簡單方便，成本低，但是需要設計針織裝備應用層的通信協議，以保證云平臺機聯網的互聯互通。

2.1 網絡結構

考慮到針織生產車間占地面積大，布置有線連接每臺機器成本高，并妨礙裝備上方紗筒的擺放，在該云平臺機聯網的構建中，兼顧到信號的穩定性，保證無線信號的全覆蓋，避免無線信道沖突，以高帶寬解決通信擁擠，采用無線訪問接入點(AP)陣列布局網絡。中心節點布局有線接入企業網絡，最后通過外網接入云端。網絡組建如圖2所示。

圖2 機聯網網絡結構Fig.2 Network structure of machine network

2.2 互聯互通協議

云平臺系統通信數據流如圖3所示。以數據云平臺為中心，針織裝備終端信息通過云平臺進行統一轉發，并對數據通信內容進行存儲與回放，為上層網站系統(WEB)、管理系統、應用程序(APP)等提供數據服務。

圖3 通信數據流Fig.3 Communication data stream

建立互聯互通協議是針織裝備云平臺實現信息互通的關鍵，安全可靠的通信機制和簡潔實用的語言格式才能保證針織裝備網絡互聯互通協議能廣泛應用。由于針織裝備種類多，通信能力差異大，針織裝備控制軟件對成熟的通信協議包的支持能力有限，以OPC UA為代表的重量級互聯互通技術和以消息隊列遙測傳輸(MQTT)為代表的輕量級通信技術并不能直接應用于針織裝備的互聯互通，但可作為協議制定的重要參考對象，以設計通用性強的針織裝備簡捷可靠的通信協議。針織裝備云平臺基于互聯網傳輸，考慮到TCP協議的可靠性，并且TCP通常作為MQTT、可擴展通訊和表示協議(XMPP)、OPC UA等互聯互通協議的基礎標配，在該云平臺設計中，在TCP基礎上設計應用層針織裝備互聯互通協議，以適應圓緯機、橫機、經編機與云平臺服務器間的通信需求。

基于穩定的TCP握手協議基礎，以確保信息無損傳輸，根據針織裝備需要接收云端指令并向服務器傳送數據包和相關即時指令，以監測功能需求為核心，通信協議主要指令類型如表3所示。

表3 針織裝備通信協議Tab.3 Communication protocol for knitting equipment

通信連接管理：云平臺與針織裝備終端的連接和登錄進行相互授權，通信線路心跳保活，以保障針織數據安全、通暢。

裝備數據監測：服務器訂閱針織終端數據服務后，針織裝備按相應工作頻率實時發送針織裝備運行數據給云平臺，供針織生產企業監測生產狀況。

裝備遠程控制：數據下行管理是針織裝備遠程控制的基礎。通過設置針織裝備參數，改變針織裝備的運行狀態、生產過程等。

裝備文件管理和系統管理主要是花型生產文件、系統文件的收發，為針織裝備提供生產任務與系統升級文件，也用于針織裝備制造企業對針織裝備遠程維護。

管理系統發送給針織裝備的每個數據幀分為指令頭信息和指令信息。指令頭信息包括：指令序號、指令類型代碼、時間戳、裝備編號和云平臺管理系統編號4部分內容，為定長數據。指令信息部分包括指令代碼、參數(代碼)，根據指令類型和內容不同，為可變長數據。針織裝備相關的所有數據按照功能分成各參數塊，在各參數塊中再對所包含的參數進行編碼，每個參數塊中留有擴展空間。在實際應用中，各企業可對操作業務進行個性化補充與裁剪，并設計規范化的操作數，以完善針織裝備的數據交互規范。

信息模型是制造裝備信息化、智能化的基礎。針對參數部分，通過針織裝備信息模型實現針織裝備參數實例化，包括屬性、操作方法及其組件信息，每個組件又包含對應屬性及其子組件，針織裝備信息模型總體結構如圖4所示。

根據圓緯機、橫機、經編機3類裝備的特點構建以下屬性集：

1)組件包括電動機、氣閥、選針器等器件；

2)靜態對象屬性集反映針織裝備的類型、廠家、系統屬性等靜態屬性，包括機械信息、主控信息、人機信息、工廠信息等；

圖4 針織裝備信息模型結構Fig.4 Information model structure of knitting equipment

3)過程對象屬性集反映針織裝備在實際運行過程中的狀態、運行參數等過程信息，包括基本信息、系統參數、面板操作、編織信息、訂單信息、產品信息、班次信息、花型信息、文件屬性、報警信息等。

4)方法集主要反映針織裝備的文件傳輸、遠程調用等。

以針織裝備訂單信息屬性集為例，如表4所示，對訂單信息參數塊及參數編碼，賦予具體參數通用數據類型，確定參數的必要性與讀寫屬性，構建針織裝備全部屬性集編碼與具體數值，完成針織裝備通信的數據格式與語義規范。

表4 訂單信息數據結構表Tab.4 Order information data structureTable

3 云平臺設計

針織裝備數據接入到云平臺后，涉及數據清洗、轉化、分析、存儲等業務功能。以服務器集群模式來分工協作處理數據，保證云平臺服務器穩定運行，其結構如圖5所示。

圖5 針織服務器集群結構Fig.5 Knitting server group structure

云平臺對上要給MES、ERP等云應用提供可靠的數據服務功能，對下要快速處理針織裝備的通信數據。在現有云平臺上開發針織裝備處理服務器是一種快速、穩定的方案。目前市場擁有如阿里云、百度天工云、中國移動云平臺等通用云服務器和西門子、阿里物聯網套件等專有云，提供服務(PAAS)功能平臺和專用數據庫服務器。

針織裝備連接到云平臺，云平臺上架構數據采集、數據處理和MES管理服務器，為企業生產和裝備廠家提供服務，并促進企業內各種資源云端化、信息共享和優化配置，以促進資源增值增效。統一云平臺屏蔽資源異構性，按需取用資源，使針織管理業務在云平臺上互聯互通。

3.1 數據交互和處理機制

考慮到針織裝備規模大、數據并發性高，需充分發揮服務器多核中央處理器(CPU)的性能，針織數據采集服務器需要支持多進程多任務。開啟一個主進程和多個子進程對針織終端提供服務，主進程負責進程管理，通過套接子程序接口(socket)監控子進程，子進程獨自監聽網絡連接終端(client)并收發及處理數據，進程模型簡單，使得服務器軟件更加穩定、高效，數據采集服務器基本結構如圖6所示。

圖6 針織裝備數據采集服務器結構Fig.6 Data acquisition server structure of knitting equipment

針織互聯互通協議指令種類多、運行狀態在實時切換，在停車、運行、報警、通信異常、文件傳輸、點動、裝備鎖定下接收到的信息含義不盡相同，需要服務器進行判別處理。另外，受網絡異構的協議轉換差異和網絡干擾、入侵等影響，數據預先需要清洗和轉化，針對上層企業管理MES、ERP也要進行業務預處理。

3.2 云存儲結構

云存儲數據庫是實現機聯網功能的數據核心，涉及生產廠家多，針織裝備種類多，數據量大。針織裝備的狀態、警告、參數改變是非線性變化的，參數數據變化之間并無直接關系，為此采用分布式系統(Hadoop)集群大數據數據庫作為針織裝備云平臺根數據庫，存儲針織裝備終端的非關系數據。而MES、ERP等用戶應用數據庫主要是實時查詢功能，對數據的實時性要求高，為此，云數據庫中數據服務部分采用關系數據庫來存儲Hadoop集群中已整理好的業務關系數據，以減少存儲重復數據，提高利用率；針對查詢功能的數據表設計時考慮查詢速度，設置必要的索引和臨時表；采用分廠家分布式建庫，根據功能特點建立分級機制。

云數據庫架構如圖7所示。屬性類表為靜態數據，針織裝備聯機時一次存入云數據庫系統即可，無需重復存儲；針對需要快速查詢類的數據，云數據庫則根據業務端對數據訂閱的周期將狀態、速度、產量等數據實時更新，屏蔽歷史數據，以提高云平臺應用服務的查閱速度；歷史數據庫則主要供云平臺做大數據統計和分析應用；業務類則供云平臺應用完成相關管理服務。數據表的設計做到動靜分離，實時查詢優先調度。

圖7 針織裝備云數據庫結構Fig.7 Cloud database structure of knitting equipment networking

針對針織生產廠家而言，各自數據是互相透明的，各自的數據庫包括裝備屬性表、臨時查詢表、歷史數據表、業務類表等。針織裝備關系數據庫中各實體間存在一對一(1∶1)、一對多(1∶N)的關系，主要實體-關系(E-R)圖如圖8所示。

3.3 云服務功能

典型的云服務以針織MES為主，其功能和效率直接體現系統用戶對針織裝備云平臺的效能評價，設計實用可靠的針織MES功能是云服務平臺開發的重點[11-13]。

針織MES功能主要有產量與工資計算、故障報警與分析、車間排產、實時信息顯示等。排產人員根據各機器的綜合生產效率來安排生產計劃，如圈數、件數、生產班次、時間、機器、人員、原料等資源分配，系統屏幕顯示排產信息和實時生產的產量、時效、裝備狀態、速度等信息。維修人員可查看機器的報警信息、維護信息、工作時長等，并根據MES系統運行情況給出裝備使用建議。

4 實驗驗證

采用阿里云基礎平臺，開發針織裝備云服務數據交互與處理服務軟件，并采用Mysql數據庫軟件作為云數據庫系統。在該平臺上開發基于瀏覽器/服務器(B/S)的MES云服務和手機系統移動APP監測功能，測試用戶對機聯網應用的體驗。針織裝備終端將狀態與運行參數及時傳輸給云服務器并進行處理，實驗過程中，針織裝備運行監控的狀態、速度、產量等信息豐富，用戶體驗無卡頓，該服務可通過針織裝備廠商大規模地推廣到針織生產企業中。

圖8 針織裝備關系數據庫E-R圖Fig.8 E-R diagram of knitting equipment relational database

手機APP主要分為運行監控、訂單管理、生產統計、設備管理等以監測為主的功能。運行監控部分是企業生產人員最希望獲得、使用頻率最高的數據，并設定為首頁，包括設備狀態(運行、停車、維護、故障、報警、關機等6大類)、裝備機號、實時產量/預設產量、效率、時速/最高速度等；訂單管理則主要實現對花型生產任務的監控，并能向針織裝備下發花型文件；生產統計則主要對班次、時間、產量進行統計分析，以識別影響針織生產的關鍵要素，獲得改進方案；設備管理則主要面向針織裝備維護人員與設備廠商，實現針織裝備的保養維護、參數設置等功能。

針織裝備終端將狀態與運行參數及時傳輸給云服務器并進行處理，試驗過程中，針織裝備運行監控的狀態、速度、產量等信息豐富，用戶體驗無卡頓，可推廣到針織生產企業中。

5 結 論

通過對針織裝備云平臺的構建研究和實踐應用，在此基礎上設計了針織裝備互聯互通協議，為針織行業的智能制造平臺建設提供支撐。得到的主要結論如下。

1)提出了一種針織裝備機聯網結構，可應對多機型、接口多樣化等特點，采用數據網關，兼容企業現役設備的多種接口，方便布網且低成本的聯網方案。

2)建立了針織裝備云平臺，針織裝備通過云平臺互聯互通，實現了以針織MES為主的云服務。

3)設計基于云平臺的管理系統，通過企業實際運行，驗證了該平臺功能的可用性，云平臺為針織生產企業提供了智能制造大數據基礎。