流程自定義的工業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

胡文強　胡建鵬　張彭明　薛斌　賴羅斌

摘要：為解決在5G環(huán)境下工控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集與回送部分的設(shè)備兼容性問題，以及在數(shù)據(jù)可視化方面缺少靈活性與定制性的問題，設(shè)計了面向多變需求自定義生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)功能，同時開發(fā)了設(shè)備兼容性良好的5G智能邊緣網(wǎng)關(guān)中間件;對SVG-Edit開源項目進(jìn)行了二次開發(fā)，使系統(tǒng)具有靈活部署工控場景的功能。該系統(tǒng)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)提供了新思路。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)采集;可視化;SVG技術(shù);狀態(tài)監(jiān)控

【Abstract】Inordertosolvetheproblemofequipmentcompatibilitybasedon5Gindustrialcontrolsystemindatainteraction，aswellasthelackofflexibilityandcustomizationindatavisualization，acustomizedproductionprocessdatamonitoringsystembasedonever-changingrequirementsisdesigned.ThesystemrealizesthebasicfunctionsofdevicestatusmonitoringbyusingInternetofThingstechnologyanddevelops5Gintelligentedgegatewaymiddlewarewithgooddevicecompatibility.ThesecondarydevelopmentofopensourceprojectSVG-Editenablesthesystemtoflexiblydeployindustrialcontrolscenarios.ThesystemprovidesafirmtheoreticalfoundationandreferencevalueforindustrialInternetapplicationservice.

【Keywords】industrialInternet;dataacquisition;visualization;SVGtechnology;statemonitoring

作者簡介：胡文強（1994-），男，碩士研究生，主要研究方向：多元信息融合、室內(nèi)定位;胡建鵬（1980-），男，博士，副教授，主要研究方向：軟件工程、數(shù)據(jù)挖掘、云計算。

0引言

隨著5G技術(shù)的商用落地，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新興技術(shù)快速取得突破，為未來工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為核心的第四次工業(yè)革命正在迅速推進(jìn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建了一種云邊協(xié)同的工業(yè)數(shù)據(jù)采集和分析應(yīng)用的服務(wù)體系，同時對企業(yè)內(nèi)部的各工業(yè)制造系統(tǒng)，如MES、ERP與PLM等進(jìn)行邏輯上的智能控制，實現(xiàn)了整個工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化執(zhí)行，工業(yè)控制系統(tǒng)正在向網(wǎng)絡(luò)化、集成化與智能化方向發(fā)展[1]。

基于B/S的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)具有便捷的開發(fā)、維護(hù)與使用流程，系統(tǒng)平臺主要將其核心功能集成在服務(wù)器端，目前得到了較為廣泛的使用。李勃良[2]提出了一種基于PLC和工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的電力監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，根據(jù)船舶電力應(yīng)用場景，實現(xiàn)了對系統(tǒng)電力參數(shù)的監(jiān)控。馮金金等人[3]設(shè)計并提出了一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程感知、實時監(jiān)測和功能動態(tài)擴(kuò)展。侯一鳴等人[4]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了對選礦設(shè)備運行實時數(shù)據(jù)的感知與監(jiān)測，并且提出了基于物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)云的選礦設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。趙炯等人[5]提出了一種面向工業(yè)應(yīng)用的通用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器設(shè)計方案，引入了基于Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的實時配置功能，滿足了工業(yè)上對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)擴(kuò)展性與靈活性的需求。高慧慧等人[6]構(gòu)建了4種新型可視化工具，包括基于信息融合的解釋結(jié)構(gòu)模型、層次高密度報警圖、層次優(yōu)先級色彩圖、性能水平趨勢圖，實現(xiàn)了報警與評估的系統(tǒng)功能。

上述研究對系統(tǒng)的實時性、跨設(shè)備以及可視化等方面進(jìn)行了探討，但數(shù)據(jù)采集方面沒有較好地考慮設(shè)備兼容性問題，在數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用上靈活性差，面對工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變的需求，不能為工程業(yè)務(wù)提供適應(yīng)性良好的平臺搭建效果。為此，本文采用了基于云服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對PLC設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，能夠提供在線監(jiān)控、故障及數(shù)據(jù)查詢、分析、統(tǒng)計功能。5G智能邊緣網(wǎng)關(guān)部分開發(fā)了能兼容多種下層設(shè)備的系統(tǒng)中間件，同時對開源項目SVG-Edit進(jìn)行了二次開發(fā)，能為用戶提供快速構(gòu)建工控系統(tǒng)監(jiān)控功能的通用軟件服務(wù)。

1數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

基于B/S模式的PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)有3種常見實現(xiàn)方式：組態(tài)軟件、有Web功能的控制器和云服務(wù)器[7]。其中，組態(tài)軟件是一種能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的專用開發(fā)軟件，實現(xiàn)了與控制軟件及智能裝置的無縫對接;基于PLCWeb服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將Web服務(wù)器內(nèi)嵌到PLC中，使信息交互變得更加便捷;基于云服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以智能網(wǎng)關(guān)作為現(xiàn)場設(shè)備及控制系統(tǒng)與云服務(wù)器通信的橋梁。本文采用了基于云服務(wù)器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)可分為3層結(jié)構(gòu)，分別是：感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層與應(yīng)用服務(wù)層[8]。對此擬做闡釋分述如下。

（1）感知控制層。由傳感器終端和控制器終端組成，其中傳感器終端主要對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并上傳給上一層結(jié)構(gòu)，控制器終端的主要作用是對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。通常由智能網(wǎng)關(guān)與平臺服務(wù)器組成，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要傳輸通道，其中智能網(wǎng)關(guān)具備工業(yè)協(xié)議解析、數(shù)據(jù)過濾和分發(fā)等核心功能，可支持多種主流工業(yè)協(xié)議，向下兼容不同的現(xiàn)場設(shè)備與控制器，能通過5G、Wi-Fi等無線傳輸技術(shù)，將信息傳送至云服務(wù)器。

（3）應(yīng)用服務(wù)層。是流程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵部分，也是系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钌蠈樱瑧?yīng)用服務(wù)層的設(shè)備可通過網(wǎng)絡(luò)連接平臺服務(wù)器，再由平臺服務(wù)器與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互。

2數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1智能邊緣網(wǎng)關(guān)

5G邊緣網(wǎng)關(guān)具備工業(yè)協(xié)議解析、數(shù)據(jù)過濾和分發(fā)等核心功能，同時具有跨平臺、易使用和二次開發(fā)等特點。系統(tǒng)適配多種接入和協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有較強的下層設(shè)備與上層服務(wù)的兼容性。

智能網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)中間件驅(qū)動程序可以通過Modbus、SiemensSnap7以太網(wǎng)套件以及OPCUA等方式收集PLC數(shù)據(jù)，并通過UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給MQTT客戶端，MQTT客戶端再通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至代理服務(wù)器。最終，用戶通過訂閱方式接收PLC數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控。智能網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)流如圖2所示。

2.2服務(wù)器系統(tǒng)

服務(wù)器系統(tǒng)在云計算設(shè)施的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理后發(fā)布對應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，系統(tǒng)主要包含2個部分：實時數(shù)據(jù)庫與Web服務(wù)器。這里將對此展開研究論述如下。

2.2.1實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫是指對數(shù)據(jù)和事務(wù)都具備顯式實時限制的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，使用時序約束來表示數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)的有效值，能實時處理狀態(tài)不斷變化的工作負(fù)載，并保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性，同時為上層系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。實時數(shù)據(jù)庫需要滿足對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、指令下發(fā)、報警及數(shù)據(jù)處理等操作的實時要求。

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫總體框架如圖3所示。由圖3可知，除了實時數(shù)據(jù)庫以外，系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及應(yīng)用程序接口模塊[9]。其中，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制指令的回送;數(shù)據(jù)處理模塊主要處理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，具體包含了實時數(shù)據(jù)處理、報警處理與歷史數(shù)據(jù)處理;應(yīng)用程序接口模塊作為數(shù)據(jù)的最上層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)用與控制命令的傳輸。

2.2.2Web服務(wù)器

系統(tǒng)采用了Node.js技術(shù)進(jìn)行Web后端開發(fā)，Node.js是一個封裝了GoogleV8引擎、基于ChromeJavaScript運行時的平臺，用于方便地搭建擴(kuò)展性良好、響應(yīng)速度快的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Web服務(wù)器同時包含了MQTT代理服務(wù)器。

2.3前端可視化系統(tǒng)

應(yīng)用服務(wù)層主要將設(shè)備管理系統(tǒng)通過在工業(yè)云上進(jìn)行部署來完成狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)化，同時提供實時狀態(tài)檢測服務(wù)、運行統(tǒng)計分析服務(wù)、故障/異常工況報警服務(wù)、自定義畫面生成服務(wù)、在線故障診斷服務(wù)，以及其他的應(yīng)用服務(wù)等。

2.3.1SVG-Edit

SVG是一種基于XML的具有可伸縮性的矢量圖形技術(shù)。利用SVG中各種不同對象，以及相應(yīng)的腳本程序，就能實現(xiàn)工控系統(tǒng)可視化圖形的繪制與動畫功能[10]。

本文對工控系統(tǒng)常規(guī)可視化效果進(jìn)行了總結(jié)分析，如圖4所示，同時對SVG-Edit進(jìn)行了二次開發(fā)，對生成的圖形進(jìn)行動畫事件綁定，主要包含8種動畫類型，分別為：文字動畫、顏色動畫、圖形顯示與隱藏動畫、填充動畫、位置動畫、伸縮動畫、旋轉(zhuǎn)動畫以及點擊事件的添加。

2.3.2vue-element-admin

Vue.js是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架，可自底向上逐層進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。vue-element-admin則是基于Vue的一個后臺前端解決方案，具有動態(tài)路由，權(quán)限驗證等基礎(chǔ)功能，提煉了典型的業(yè)務(wù)模型，其效果圖如圖5所示。

3數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

3.1系統(tǒng)演示

基于上述研究內(nèi)容，利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)和微服務(wù)架構(gòu)對狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和開發(fā)。系統(tǒng)部署在阿里云上，并進(jìn)行平臺的運維和應(yīng)用服務(wù)的實時監(jiān)控等。系統(tǒng)主要包含了系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、畫面布局、圖形畫面四個部分，如圖6所示。

3.2系統(tǒng)驗證

應(yīng)用系統(tǒng)平臺完成了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的初步驗證，系統(tǒng)采用Siemens的S7系列PLC設(shè)備做測試。PLC與5G智能邊緣網(wǎng)關(guān)通過ModbusRTU通信協(xié)議進(jìn)行信息傳輸。由結(jié)果可知，智能邊緣網(wǎng)關(guān)能夠通過5G網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍枚伍_發(fā)后的SVG-edit，用戶可自行增添系統(tǒng)功能來滿足定制化的需求，如增添系統(tǒng)操作變量或報警信息等。同時系統(tǒng)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，以及設(shè)備管理與報警查詢，并對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程遙測與故障排查。

4結(jié)束語

本文針對目前狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題與不足，利用移動互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)構(gòu)建了基于工業(yè)云和物聯(lián)網(wǎng)的自定義生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)了5G環(huán)境下具有良好設(shè)備兼容性的智能邊緣網(wǎng)關(guān)中間件，可支持主流的PLC設(shè)備，同時二次開發(fā)了開源項目SVG-Edit，滿足了系統(tǒng)根據(jù)不同場景進(jìn)行靈活部署的功能需求，最終形成了實時狀態(tài)檢測服務(wù)、運行統(tǒng)計分析服務(wù)、故障/異常工控報警服務(wù)、自定義畫面和歷史數(shù)據(jù)趨勢分析等應(yīng)用服務(wù)，從而可以為不同場景提供定制化的設(shè)備監(jiān)控服務(wù)。

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