基于多協議物聯中間件的產線設備融合管控系統的設計與實現

劉燁 陳端迎 王剛 張國政

摘 ?要： 針對我國制造企業車間產線設備存在不同廠家、不同專業、不同協議的高端裝備之間，信息化應用系統之間，以及高端裝備與信息化系統之間的集成難問題，進行多協議物聯中間件與產線設備融合管控的關鍵技術研究、系統功能設計、軟件代碼開發，實現車間信息化應用系統、移動設備、數控設備、智能設備、RFID設施、條碼設施等設備設施的聯網集成、數據采集、程序代碼管理、電子看板顯示等功能。在某造船企業數字化車間的成功應用，證明基于多協議物聯中間件的產線設備融合管控系統能為數字化車間建設提供高效、可靠的解決方案。

關鍵詞： 多協議物聯中間件; 異構系統集成; 設備融合; 集中管控; RFID; 管控系統設計

中圖分類號： TN876?34; TP311.52 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0127?05

Design and implementation of multiprotocol IoT middleware based management

and control system for production line equipments integration

LIU Ye1， CHEN Duanying1， WANG Gang2， ZHANG Guozheng1

（1. JARI Deep?Soft Technology Co.， Ltd.， Lianyungang 222006， China; 2. Shaanxi Electronic Technology Research Institute， Xian 710032， China）

Abstract： The production line equipment of manufacturing enterprise workshop is difficult to integrate the high?end equipments with different manufacturers， different specialties and different protocols， information application systems， and high?end equipments and information systems. Therefore， the key technology of multiprotocol IoT middleware and production line equipments integration management are researched， the system functions are designed， and the software code is developed. The functions of networking integration， data acquisition， procedure code management， electronic display board of workshop information application system， mobile device， CNC device， intelligent device， RFID facility and barcode facility are realized. The system was successful applied in a shipbuilding enterprise′s digital workshop， which proved that the multiprotocol Internet of Things middleware based management and control system of production line equipments integration on can provide the efficient and reliable solution for the construction of digital workshop.

Keywords： multiprotocol IoT middleware; heterogeneous system integration; equipments fusion; management and control integration; RFID; management and control system design

0 ?引 ?言

隨著“中國制造2025”國家戰略政策的不斷深化推進，國內制造企業掀起了智能工廠、智能車間、數字化車間等建設熱潮。但是不少企業由于缺乏統一的總體規劃和標準規范，從而產生不同廠家、不同專業、不同平臺、不同功能、不同協議的高端裝備之間，信息化應用系統之間，以及高端裝備與信息化系統之間難以深度集成，造成無法對車間高端裝備聯網、數據采集和集中管控;信息化應用系統無法數據共享、流程穿透、業務協同;上層信息化應用系統無法管控底層設備，底層采集的數據無法反饋到生成信息系統等問題。企業的研發、生產、服務和管理能力提升沒有達到預期目標。智能工廠、智能車間、數字化車間建設需連接各現場設備，其間的通信涉及多個技術領域，如信息技術SOA接口、自動化控制技術標準、RFID等。目前，還沒有一個統一的標準能實現制造企業車間信息化應用系統、控制系統、產線制造/裝配設備、在線檢測設備、物流設備等軟硬件異構系統物聯通信[1]。因此針對底層通信協議開展基于多協議物聯網中間件的設備融合管控系統的研究、設計和開發，以實現不同協議、不同專業的設備物聯。

1 ?多協議物聯中間件

多協議設備物聯中間件[2]的關鍵是封裝具有可集成性與可擴展性的協議倉庫[1]，并配備有在線協議仿真軟件、協議分析軟件和協議測試等工具。協議倉庫對內集成可支持自動化系統現場設備的Modbus，RS 232，RS 485等主流通信協議和無線通信WiFi，Bluetooth，ZigBee等協議，對外集成可支持過程控制的對象鏈接嵌入技術（OPC）、動態數據交換（DDE）、開放數據庫互連（ODBC）、分布組件對象模型（DCOM）、應用程序接口（API），Web，Telet服務和TCP/IP雙機映射。同時，協議倉庫提供可配置軟件架構，為設備接口配置相關標準通信協議。用戶可以根據協議倉庫提供的協議接口模塊開發軟件工具包，使協議組件標準化、可配置化，并擴充、積累、豐富有序的協議倉庫，使得軟件集成只要面對OPC，DDE，ODBC，DCOM，API等標準軟件接口，無需直接面對制造物聯裝備，從而能解決不同協議設備物聯的通信難題。多協議設備物聯中間件架構設計[3]如圖1所示。

圖1 ?多協議設備物聯中間件架構圖

多協議設備物聯中間件可以支持連接生產現場的各種自動控制設備和制造執行系統，采集設備、物料等制造資源信息和產品信息。具有高效、安全、可靠、實時的數據傳輸，靈活、精準的協議解析，協議擴充、接口定義和配置用戶化等特點，為智能工廠、智能車間、數字化車間提供基礎技術支撐。

2 ?系統設計與關鍵技術

2.1 ?系統架構設計

產線設備融合控制系統設計主要考慮到制造車間內不同專業、不同協議智能設備之間采用OPC（OLE for Process Control）工業標準和國家GB/T19582?2008標準，基于多協議設備物聯中間件構建包括軟硬件設備聯網管理、控制程序管理、集中管控、數據采集傳輸、電子看板等功能的智能設備融合管控系統，實現對智能設備物聯、集中控制和數據采集，為上層的車間制造執行層和底層的智能設備層建立連接橋梁和樞紐，使車間制造執行系統對底層的智能制造/裝配設備、檢測設備、物流設備進行全面、統一、實時管控。產線設備融合控制系統體系架構[4?6]如圖2所示。

圖2 ?設備融合管控體系架構圖

設備融合管控系統通過多協議物聯網中間件，對企業級、車間級、設備級的軟硬件異構系統集成，實現生產制造相關部門業務橫向協同、縱向管控，為制造車間的數字化、網絡化、智能化建設提供關鍵的技術支撐。

對不同的軟硬件異構系統集成，系統提供不同的集成方式：

1） 集成車間信息化應用系統，采用XML，Web Server等協議服務組件，集成企業級的協同設計管理平臺，實現圖紙、工藝、程序代碼直接下車間到設備;集成車間級的制造執行系統，實現車間作業指令直接到設備，調度、控制設備執行產品制造/裝配任務;同時，將產品制造/裝配任務執行情況直接反饋給車間制造執行系統。

2） 集成車間產線設備設施，系統采用工業標準OPC Server，Modbus Server等協議服務組件，通過PLC與OPC接口總線Modbus/TCP對產線的移動設備、數控設備、智能設備、傳感器、RFID設施、條碼設施等進行物聯、數據采集、數據交換、傳輸和集中控制。

3） 集成統一數據庫，采用集成的ODBC進行集成。

2.2 ?關鍵技術

產線設備融合管控系統采用OPC技術[7]，通過PLC與OPC接口總線Modbus/TCP實現車間產線移動設備、數控設備、智能設備、傳感器、RFID設施、條碼設施等設備設施物聯、集中管控和數據采集，如圖3所示。

圖3 ?OPC DA Server技術架構圖

OPC Server由OPC Interface Module和Communication Module兩個主要部分組成。OPC Interface Module按照OPC數據的規范訪問實現OPC Server與OPC Client之間的信息交互。Communication Module是OPC Server與智能設備之間的連接通道樞紐。Modbus/TCP是實施信息交換的工業以太網協議，為OPC數據訪問服務與智能設備之間建立數據訪問通道。設備控制過程是當OPC Client接收到信息化應用系統對某智能設備訪問控制時，只需要通過OPC Server對訪問的設備進行控制。

制造企業涉及多個車間多條產線，每條產線又有多套不同專業、不同功能、不同協議的異構設備。例如，在某造船企業應用中，有堆場自動化物流、鋼板預處理生產線、肋骨拼接生產線、殼圈拼接生產線、非耐壓分段生產線、非耐壓板切割自動分揀線、耐壓板切割自動分揀線、型材切割自動分揀線等8條自動化線，涉及下料切割、銑邊、校平、機器人、焊接、專機等設備。需要對8條自動化產線多專業、多功能、多協議設備進行聯網、統一調度和管控。自動化產線設備融合控制[8?9]如圖4所示。

系統通過多協議物聯中間件的ONS Server解析或傳感網絡[10]，把MES向設備融合管控系統下達車間作業指令映射到指定設備，并對多產線、多設備融合管控，實現對8條自動化產線多專業、多功能、多協議設備按指令精準控制執行。

3 ?系統功能實現

系統按照ISA?95《企業控制系統集成標準》和軟件工程化管理CMMI（Capability Maturity Model Integration） 四級（量化管理級）要求，采用B/S+C/S架構開發實現。在設備聯網、監控、數據采集、處理、傳輸部分的功能模塊采用C語言+C/S技術架構開發;在程序代碼管理，設備接口、協議管理、功能配置等功能模塊采用.NET+B/S技術架構開發。設備融合系統功能覆蓋了DNC?MDC，SCADA，DCS等系統的所有功能，還具備企業級的PDM，ERP應用系統，具有較好的安全性、擴展性、實時性和個性化定制等特點。

圖4 ?產線設備融合管控架構圖

圖5 ?設備融合管控系統實現界面圖

3.1 ?功能實現描述

1） 設備聯網和監控

系統基于多協議物聯中間件，實現對不同接口、不同協議、不同專業的異構設備以及不同功能、不同架構的異構軟件互聯、集成和監控，主要由服務器、客戶終端、聯網客戶端、聯網服務端、交換機、傳感器、數據采集卡、電子看板等組成，分設備、數據采集和監視等三個層級。設備層包括制造設備、裝配設備、在線檢測設備、物流設備、傳感器及數據采集卡等，負責輸出底層設備的信息;數據采集層是溝通底層設備層和上層監視層的橋梁，負責從設備層獲取數據并對采集的數據進行處理、匯總，同時以實時的方式顯示采集的信息，最后將這些數據發送到監視層和車間制造執行系統（MES）;監視層（電子看板）能監控車間產線設備的運行狀態、參數值。

2） 數據采集

根據產線設備的 （RS 232/RS 485/RS 422）串口、RJ 45以太網接口、數據采集卡和傳感器等物聯方式，主要能提供的數據采集方法有四類：

① 以太網口數據采集

對于帶有RJ 45以太網接口的數控/智能設備，可直接通過網線與采集系統連接。因網口設備系統的開放性，采集到的數據較多，只要系統內部支持，都能盡可能地采集到。可采集到的內容有設備運行狀態、具體報警信息、正在執行的程序、伺服參數、當前坐標信息、位移量。

② 串口數據采集

串口設備因為接口原因不能直接聯網，需要通過單串口服務器進行接口轉換，可支持TCP，UDP，HTTP，DNS等協議，支持過網關、跨路由通信，通過設置可以實現串口設備立即聯網。此方式適用于現有帶串口的專機，可采集到的內容有設備電壓、電流、速度及位移量，可對質量進行實時監督和追溯。

③ 數據采集卡數據采集

此方法不受數控系統、設備接口限制，只要能與設備相關的I/O點、對應的傳感器連接上，采用專用的采集卡即可采集到設備相關信息。可采集到的內容有設備上電，設備斷電，程序加工開始，程序加工結束，設備故障，主軸功率，各種壓力、溫度等。

④ 傳感器數據采集

此方法適用于工作環境比較惡劣，需要有較好的抵抗環境干擾的能力，并保證有較高的采集精度。可采集到的內容有設備的電流、電壓信號、環境溫度和濕度等。

3） 程序代碼管理

產線的柔性生產主要通過設備控制的程序代碼和工裝夾具的變換來實現。不同產品的生產勢必需要不同的程序代碼對制造設備、在線檢測設備、物流設備進行程序控制。系統主要能提供程序代碼分類、編制、仿真、分析、版本核對、審核、有權限上傳導入、下載、查詢和瀏覽等功能。

4） 電子看板

電子看板是設備融合管控系統的重要組成部分，實現對產線設備的集中可視化管理。由設備運行/報警的監控顯示屏、監控報警控制模塊、聲光報警裝置和計算機在線配置模塊組成。系統給用戶提供電子看板顯示的內容、報警條件和控制條件等內容的自定義功能。

5） 系統集成

通過多協議物聯中間件集成的XML，ODBC，Web Server等軟件服務標準接口，提供接口協議、數據交互內容、交互方式等定義和配置功能，實現與企業級的BI，PLM，ERP，OA，車間級的MES，WMS等應用系統無縫有機集成。

6） 系統管理

為確保系統安全、可靠和環境適應性要求，系統提供設備信息、賬戶、角色、權限、安全策略、系統日志、數據備份、配置管理、元數據維護、菜單定義、編碼規則、預警機制、審批流程定義、主界面定義等管理功能。

3.2 ?系統測試

系統測試主要針對某造船廠數字化管子加工車間產線設備和上層的協同設計管理軟件（PDM）與車間制造執行系統（MES）對接進行融合管控測試。該造船廠已經上線了PDM，MES系統，但是PDM的圖紙、工藝，MES的作業指令都無法直接下達到產線設備，產線設備的運行狀態、執行的作業指令也無法反饋給上層的PDM，MES等系統，不能實現企業級、車間級和設備級的縱向管控，設備利用率低，生產過程信息反饋滯后、不透明。

通過本文系統的應用，構建了PDM，MES與產線設備的樞紐通道，實現了立庫、配送、切割、組對、焊接、轉運、檢測等設備設施聯網集成、集中管控、數據采集和程序代碼統一管理功能。通過電子看板查看產線生產進度、產品質量、設備運行狀態、故障等信息的關聯視圖、匯總、統計、分析內容，以及向產線設備下達調度控制指令，實現了對產線生產任務和設備運行的實時融合管控。系統測試效果如圖6所示。

圖6 ?電子看板（設備實時狀態和運行時間統計）界面截圖

4 ?結 ?語

本文提出基于多協議物聯中間件的產線設備融合管控系統，通過對系統的研究、設計、開發和應用，使其具備了對制造企業主流應用系統、設備等異構軟硬件系統集成功能，達到融合管控的目標。但是系統實施的用戶定制化程度還很高，需要進一步標準化、產品化，豐富協議倉庫內容，完善接口標準和接口配置功能。

參考文獻

[1] 侯瑞春，丁香乾，陶冶，等.制造物聯及相關技術架構研究[J]. 計算機集成制造系統，2014，20（1）：11?20.

HOU Ruichun， DING Xiangqian， TAO Ye， et al. Internet of manufacturing things and relevant technical architecture [J]. Computer integrated manufacturing systems， 2014， 20（1）： 11?20.

[2] 陳明海，石海龍，李勐，等.物聯網服務中間件：挑戰與研究進展[J].計算機學報，2017，40（8）：1725?1749.

CHEN Minghai， SHI Hailong， LI Meng， et al. Service middlewrar for Internet of Things： challenges and approaches [J]. Chinese journal of computers， 2017， 40（8）： 1725?1749.

[3] 全國工業過程測量和控制標準化技術委員會.GB/T19582?2008：基于Modbus協議的工業自動化網絡規范[S].北京：全國工業過程測量和控制標準化技術委員會，2008.

SAC/TC124. GB/T19582?2008： Modbus industrial automation network specification [S]. Beijing： SAC/TC124， 2008.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 20720.1?2006：企業控制系統集成標準[S].北京：中華人民共和國國籍質量監督檢驗檢疫總局，中國國籍標準化管理委員會，2006.

AQSIQ， Standardization Administration. GB/T 20720.1?2006： enterprise?control system integration [S]. Beijing： AQSIQ， Standardization Administration， 2006.

[5] PRESSER M， BARNAGHI P M， EURICH M， et al. The SENSEI project： integrating the physical world with the digital world of the network of the future [J]. Global communications newsletter， 2009， 47（4）： 1?4.

[6] 劉明星，馬武彬，鄧蘇，等.面向服務的信息物理融合系統建模與驗證[J].計算機應用，2014，34（6）：1770?1773.

LIU Mingxing， MA Wubin， DENG Su， et al. Modeling and verification of service oriented cyber physical systems [J]. Journal of computer applications， 2014， 34（6）： 1770?1773.

[7] 曼克，萊特納，達姆.OPC統一架構[M].馬國華，譯.北京：機械工業出版社，2012.

MAHNKE W， LEITNER S H， DAMM M. OPC unified architecture [M]. MA Guohua， Translation. Beijing： China Machine Press， 2012.

[8] 陳海明，崔莉.面向服務的物聯網軟件體系結構設計與模型檢測[J].計算機學報，2016，39（5）：853?871.

CHEN Haiming， CUI Li. Design and model checking of service oriented software architecture for Internet of Things： a survey [J]. Chinese journal of computers， 2016， 39（5）： 853?871.

[9] 陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究[J].計算機學報，2013，36（1）：168?188.

CHEN Haiming， CUI Li， XIE Kaibin. A comparative study on architectures and implementation methodologies of Internet of Things [J]. Chinese journal of computers， 2013， 36（1）： 168?188.

[10] MORITZ G， GOLATOWSKI F， TIMMERMANN D. A lightweight SOAP over CoAP transport binding for resource constraint networks [C]// Proceedings of 2011 IEEE Eighth International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems. Valencia， Spain： IEEE， 2011： 861?866.