智能車間監測系統設計與實現

鄭嘉怡 謝豆 鄒欣欣 劉文軍

摘要：當前制造業車間生產更加注重對生產過程的監測以提升安全性和環保性。綜合運用傳感技術、無線通信技術、邊緣網關以及云端處理技術，設計了對車間環境、設備狀態進行實時監測和分析智能化平臺，以溫度、濕度、氣壓值等環境特征作為參數對象，對車間設備狀態進行實時監測，并通過聲光予以實時警示。邊緣端分析和處理的結果能夠遠程數據發送到云服務平臺，服務器端對數據進行可視化展示。系統的開發能夠幫助排除安全隱患，提高工業智能化水平。

關鍵詞：綠色車間;邊緣網關、邊緣服務器;實時監測;能耗分析

中圖分類號：TP399 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The current manufacturing workshop production pays more attention to the monitoring of the production process to improve safety and environmental protection. Comprehensive use of sensor technology， wireless communication technology， edge gateway and cloud processing technology， designed an intelligent platform for real-time monitoring and analysis of the workshop environment and equipment status， using temperature， humidity， pH and other environmental characteristics as parameter objects， to the workshop Real-time monitoring of equipment status， and real-time warning through sound and light. The results of analysis and processing at the edge can be sent to the cloud service platform remotely， and the server can visualize the data. The development of the system can help eliminate potential safety hazards and improve the level of industrial intelligence.

Key words： green workshop; edge gateway， edge server; real-time monitoring; energy consumption analysis

1 引言

《中國制造2025》將綠色發展作為未來主要發展方向之一，明確提出全面推行綠色制造的要求，綠色車間成為生產企業實現綠色制造的主要方式。傳統車間采用人力監測，一方面造成對人力資源的浪費，另一方面采用人力監測由于部分特別車間內不穩定因素無法確定，造成不必要的人員傷亡、財產損失。

隨著物聯網技術、無線通信技術以及云端技術的發展，對傳統車間進行智能化改造以提升安全性和能效已經成為行業發展趨勢[1-3]。在車間內通過邊緣計算模式設計的智能監測平臺能夠有效提升系統的實時性和隱私性[4-5]。本設計選擇車間生產過程中典型的溫度、濕度、氣壓等設備狀態和環境數據，設計了一套車間環境監測的智能化平臺。采集車間內實時數據通過邊緣網關對異常數據進行反饋處理再將數據以及異常日志發送到云服務平臺，云端接收到數據后進行數據分析處理，最終實現可視化。通過監測系統的可視化界面，使相關人員能夠更方便，有效的監控車間內環境，提高數據精準度和信息準確化。系統對實時數據的監測記錄有效地減少了人工判斷的誤差，同時避免了不必要的人員傷亡以及經濟損失。

2 總體方案

2.1 系統架構

基于邊緣計算的智能車間監測服務平臺分為邊緣端、云端兩大部分。系統架構如圖1所示。

1）設備傳感層

該層負責接入設備，設備開啟后，專用傳感器（氣體，溫度，濕度，位移等傳感器）開始監測綠色車間內環境安全，耗能（用電量），設備開關狀態，設備運轉狀況等。車間內部通過RS485和ZigBee將不同類型的傳感器、執行器接入到邊緣網關，實現設備及傳感器數據的收集，如圖2所示。

2）網絡傳輸層

該層基于邊緣網關。設備開始工作后，在傳感器、設備數據傳輸至云端時在網絡邊緣對產生的數據進行異常處理然后再傳輸至云端，云端數據庫數據同步于本地數據庫。

3）監控應用層

該層部署在服務器端，智能車間數據來源于服務器端數據庫，通過系統平臺將數據可視化，相關人員瀏覽可視化界面實時監控綠色車間內環境安全、設備運行狀態等。

2.2 系統功能模塊

本平臺以對車間實時檢測為主要應用目標，功能上包含為數據采集、存儲、分析以及展示，主要功能如圖3所示。

1）設備管理

當用戶登錄系統后顯示為設備管理頁面，在設備管理頁面中可進行添加設備并且可點擊設備調試頁面對新增設備進行調試，包括將指定設備刪除、修改以及對設備進行的控制。

2）用戶管理

綠色車間監測平臺就有完善的用戶管理功能，平臺可由技術人員、管理人員以及普通用戶進行操作，但所面對不同的用戶，開放相應權限的功能。用戶權限的設置及添加可由系統管理員修改和管理。

3）能效管理

將傳感器、設備的信息進行集中采集，對獲取到的信息進行顯示，分析，預測、控制及監控，通過對數據的整合實現數據的實時傳輸與監測。

3 系統設計

3.1 通信協議

整個平臺將采集到的數據按照統一的通訊協議進行打包，通過串口將打包好的數據發送出去，協議定義了數據單元所需要的格式，數據單元應該包含的數據和含義以及數據發送和接收的順序，從而確保數據之間能夠順利地傳送到確定的地方。同時串口接收控制命令，根據統一的通訊協議進行解析，根據解析后的命令對設備進行控制，表1給出了通信協議格式。

3.2 數據采集與傳輸

系統使用RS485和ZigBee兩種通信模式實現車間中不同類型的設備接入。RS485協議在車間中普遍應用，用于有線方式獲取數據采集設備上傳的各種數據;利用Zigbee組網安全、低能耗的特點，將包括紅外傳感技術以及其他感知的新型傳感技術設備能夠無縫的融入互聯網，實現數據之間的信息交換及進一步的監控管理。

利用邊緣網關在將數據傳輸到云端之前先在邊緣側完成數據的預處理和分析、通訊與數據格式標準化以及實現兼容新節點接入的能力。數據通過邊緣網關首先進行處理分析減少了網絡通信負載，有效降低數據處理延遲以及大量的垃圾數據占用資源。此外，邊緣處理對于車間隱私數據的保護也有積極作用。

3.3 數據分析與處理

將傳感器、設備獲取到的數據通過通信協議約定的格式進行打包并上傳，利用邊緣網關首先對上傳數據進行預處理，對異常數據進行實時判斷并做出處理，故障處理邏輯如圖4所示。當接收數據值超過預期設定閾值還將聯合執行器做出聯動處理，聯動處理邏輯如圖5所示。邊緣服務器匯總車間數據，通過本地處理終端對執行器、車間設備發送處理指令，實現設備間的協作。

處理過后的數據以及異常數據（日志）都將上傳至云端，在云端進行進一步大數據分析。同時云端數據庫（如MySql）的數據也會同步到本地數據庫，Web服務器可通過對對本地數據庫和遠程數據庫的數據訪問進行可視化展示。

4 系統實現

智能車間監測系統的實現基于硬件和軟件的融合開發，其中對傳感器以及設備傳來的信息進行處理后對數據展示，當數據超過閾值時邊緣網關對異常數據進行處理。云平臺端使用Java語言進行開發，通過消息組件實現數據接收。Web端采用Spring MVC框架實現業務分離，提供數據顯示界面。如圖6車間在中午12：00時溫度超過閾值，邊緣網關進行數據處理，自動啟動工廠空調進行降溫處理，且大屏調出設備所在車間攝像頭查看實時情況。從圖6中可以看出下午13：00時車間的溫度已經下降到27攝氏度。如圖7給出夜間21：00時空氣濕度大于閾值，高濕度會影響設備的正常運轉。根據定義的處理邏輯，邊緣網關啟動對異常數據進行處理，下發解決異常處理命令，打開排風扇以及恒溫器保持空氣濕度保持50%以下。從圖示例中可以直觀地看出系統對設備以及車間環境實時監測和自動化聯動處理，有助于提升車間的自動化管理水平，有效減少車間機器事故的發生并實現節能減排目的。

5 結論

針對工業智能車間監測典型應用的實際要求，給出了基于邊緣計算的智能車間監測系統的設計與實現。首先給出了系統的架構，主要構成模塊及系統功能;然后給出系統的設計細節，包括系統采集與發送、數據接收與反饋、數據傳輸的通訊協議等;最后給出了系統的實現。根據智能車間的監測應用需要，設計了一條從數據采集、傳輸、存儲、處理和數據可視化的完整鏈路。初步應用表明，該系統運行良好、性能穩定，能夠較好地滿足實際應用需要，提高了車間的智能化水平。

參考文獻：

[1] 魏彥，姜明君.車間能源監測與分析改善平臺的設計[J].機電工程技術，2019，48（7）：165-169.

[2] 鄒旺，李少波.數字化車間生產現場數據采集與智能管理研究[J].組合機床與自動化加工技術，2018（1）：150-153.

[3] 劉皖蘇，盧彪.基于傳感器信息采集技術的CO2濃度監測系統的研究與設計[J].赤峰學院學報（自然科學版），2019，35（10）：33-35.

[4] 鄒萍，石瑞杰，吳夕科，等.基于邊緣計算的電工裝備集成接入技術研究與仿真驗證[J].系統仿真學報，2019，31（3）：592-600.

[5] 袁佳偉，宋慶增，王雪純，等. 邊緣計算設備的性能功耗測量與分析[EB/OL].[2020-03-29].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/31.1289.tp.20200320.1722.001.html.

【通聯編輯：梁書】