基于中间件的小型断路器数字化车间数据采集及控制系统*

闫俊涛, 吴自然, 吴桂初, 舒 亮

(1.温州大学 计算机与人工智能学院, 浙江 温州 325000;2.温州大学 电气与电子工程学院, 浙江 温州 325000)

0 引 言

小型断路器是一种具有对线路进行过载和短路保护的开关设备,因其具有体积小、易操作、价格低廉等特点而普遍应用于工业、商业、民用住宅等各种场所[1-2]。随着小型断路器需求的不断增长以及制造行业的不断发展,众多从事小型断路器生产制造的企业都在利用技术的革新进行数字化转型升级。在当今制造业中,“智能制造”已经成为众多从事制造型企业追求的方向[3]。同时,在国家层面,智能制造也已经成为众多国家新一代信息技术革命背景下制造业发展的主攻方向,成为国家发展战略重要的组成部分[4]。其中比较有代表性的包括德国的“工业4.0”[5],美国的“工业互联网”,以及我国的“工业互联网”[6-7]。这些国家性战略也为小型断路器等制造行业的转型升级提供了发展机遇。

对于普通的生产车间向数字化车间转型的过程大概可以划分为4个阶段。第一阶段:生产设备及硬件设施的升级改造,先实现机器换人的自动化阶段[8]。第二阶段:设备间的互联互通,包括设备的通信接口,通信线路,以及工业交换机、路由等通信所需要的基本设施[9]。第三阶段:信息化,需要数据采集及控制系统和硬件设备供应商协同工作,使得车间生产设备的信息能够按照协议格式实时发出,该采集系统会通过网络链路按照协议格式接收、解析并进行后续的一系列操作[10]。第四阶段:数据采集及控制系统与公司上层的ERP系统、MES系统以及展示系统信息互通,进行智能化任务调度。

目前很多企业都处于第二到第三的过渡阶段,在众多企业转向数字化的过程中遇到非常大的障碍,就是现有设备品牌不同、通信协议多样化,很难将各个设备生产数据统一进行采集和处理,阻碍数字化车间发展进程。罗国富等[11]提出了基于RFID的实时数据采集方案,采用RFID、多线程和数据库技术对车间的生产数据进行了数据采集和分析,在一定程度上解决信息孤岛问题。王勇[12]提出了一种基于GPRS的无线数据采集方案,借助其网络高覆盖率和优良传输特性实现了具有GPRS通信模块的设备小数据量实时传输,但是车间的设备不一定配有GPRS通信模块。齐亚萍等[13]提出了基于ARM的远程数据采集方案,设计了基于ARM的多路电量采集与处理模块,同时通过信号调理电路保证信号的无失真采样,实现了数据的采集、存储和发送。然而上述的这些方案都没有解决不同设备通信协议多样化的问题,也不具有系统性和稳定的可扩展性。

本文针对数据采集方面遇到的瓶颈问题,结合EasyStudio中间件技术来助力数据采集及控制系统,解决了上述由不同设备通信协议多样化带来的数据采集困难的问题。该技术的突出优势是能够兼容并转换多种通信协议,还能够应对高并发、高复杂度、高度多样化的数据处理业务,同时具有可移植强、稳定性高、便于扩展和维护等特点。在继承了上述中间件自身优势的基础上,结合小型断路器生产车间数据采集的特点及实际需求,提出了基于中间件的小型断路器数字化车间数据采集及控制系统。在中间件技术的推动下,该系统可以兼容并转换TCP、UDP等多种通信协议,采用模块化开发周期短、易扩展、稳定性好,程序可直接移植在Windows、Linux等主流操作系统上运行等。

1 总体方案设计

某小型断路器生产车间中一共有5条生产线,车间单条生产线布局如图1所示。一条完整生产线中包括装配线和检测线,装配线中根据装配工艺流程分为6个装配单元,装配A线和装配B线两条相同的装配线配一条检测线,装配单元的总数量为12台,检测线中根据检测的流程分为12个检测单元,因此一条完整的生产线中需要实时采集24个单元的实时数据。其中有些单元设备的品牌不同,通信协议也是多样化的,需要数据采集系统根据具体的通信协议来获取现场数据,同时还需要将采集到的数据进行解析和处理,再以不同通信协议分别发送给数据库和虚拟现实(VR)展示系统。

1.1 数字化车间数据采集及控制系统布局

数据采集及控制系统整体布局如图2所示。其中数据采集中核心的模块是“中间件数据采集流程组件”,控制流程中核心模块是“中间件控制流程组件”。这两个核心模块是连接上层应用和下层硬件的重要纽带。

1.2 中间件数据采集流程组件

中间件数据采集流程组件细化图如图3所示。对整体布局中的核心模块“中间件数据采集流程组件”进一步细化分解,包括通信、报文接收及解析、数据存储及转发等功能模块,用于数据的上行传输。

1.3 中间件控制流程组件

中间件控制流程组件细化图如图4所示。是对上面整体布局中的核心模块“中间件控制流程组件”进一步细化分解,包含命令接收及解析、拼包及转发模块,用于命令下行发送。

1.4 硬件平台及软件资源构成

基本硬件资源配置需求:中间件服务器,配置CPU 4核或以上,内存16 GB或以上,硬盘300 GB或以上、配SSD,系统Linux或Windows Server,中间件开发EasyStudio;核心数据库,支持MySQL、Oracle、SQL Server等。

软件资源配置:

(1) 中间件平台选用某公司的EasyStudio业务处理平台(3.0)。该业务平台拥有业务系统作业处理的高效自动运行的一套完整作业管理机制。从而,在充分有效地利用计算机资源的基础上,为应用用户提供一个安全稳定的业务应用环境。其功能特点:支持多种方式的作业的调度方式;支持时间表定制功能和作业按计划自动执行的机制;支持系统容错和故障恢复机制;支持集中、图形化的作业流定义、调度、监控和管理模式;支持HTTP、TCP、UDP、MQ、联通短信等多种协议;支持跨平台调度批处理作业等[14]。

(2) 中间件EasyStudio业务处理在Linux、Windows主流系统上都能实现兼容性运行,只需要给中间件服务器配置Java环境即可。

2 方案实现

为了实现基于中间件的小型断路器数字化车间数据采集及控制系统的操作简单性、易扩展性和易移植性,经过多次论证和优化之后,最终决定在通信模式上采用C/S (Client/Server,客户端/服务器)的方式,即中间件数据采集系统作为客户端,现场硬件设备作为服务器端,客户端向服务器端发出数据请求后服务器端给客户端返回相应的数据包,从而实现数据采集的过程;在程序设计上采用模块化的设计模式,即将程序分为数据处理模板定义和模板调用两大块,具体是舍弃原来1台设备对应1个数据处理流程的冗余模式,采用对于相同处理流程的项目只建立1个公共数据处理模板,如果多个工程都需要用到这个数据处理模板时,只需要多次调用处理模板;在实际项目中1个处理模板不能满足所有设备数据处理需求,系统会建立多个数据处理模板,在调用时引入数据映射组件,根据产线编号和设备编号两个条件来自动选择数据处理模板。经过改进优化后,在后面大规模扩展应用时只需要扩展调用部分即可,这样既提高效率又极大地降低程序错误率。

2.1 数据处理模板

2.1.1 基本数据处理

在基本数据处理阶段,首先要与不同生产设备建立通信连接来获取生产数据,通信协议转换这一部分的核心内容。由于中间件可以灵活选择通信协议,所以借助这一特点针对不同通信协议的设备选择不同协议和报文格式进行通信的建立和数据的获取,获取数据后中间件能以任意的通信协议、任意的报文格式来重新进行报文拼装和发送,从而实现通信协议灵活转换。在这个项目中是以工业应用较普遍的Modbus[15]协议来获取设备的生产数据,经过转化再以TCP协议发送至虚拟现实(VR)展示系统进行展示。

基本数据处理流程如图5所示。数据获取过程一般包括3个阶段,即报文拼装、通信和报文解析,其中读取寄存器信息的报文拼装定义报文的数据头格式以及需要读取的寄存器的起始地址和长度,通信是根据不同的硬件设备所支持的通信协议(如Modbus-TCP、UDP)选择对应的通信协议将上述申请读取寄存器数据的报文包发送出去并接收反馈回来的数据,报文解析是按照寄存器中字段顺序和字段长度来定义特定的数据段将获取到的原始数据包进行解析。在这个过程中,有些数据还需要判断存储标志位是否是0-1跳变来确定当前数据是否是有效数据。在这种情况下就需要将该标志位的上1个状态存到数据库中,由于这个标志位需要频繁的写入和读取,如果将该标志位存储在远程的MySQL或Oracle,存储大量其他数据的数据库效率就会比较低,因此该系统为存储标志位添加1个本地专用小型数据库,避免远程数据库通信和大量数据筛选,可以进行高效的写入和读取。

2.1.2 数据存储

数据库操作流程如图6所示。实现产品信息的可追溯,将数据传输到远端Oracle数据库中,并且按照不同字段格式分别存储在不同数据表中,以满足后续进行不同需求的查阅。其中基本信息表写入的是产线编号、设备编号、产量、不合格数、运行时间等基本信息;测试信息表写入的是产品的测试值、测试结果、产品型号、条码等测试信息;单极条码信息表写入的是单极产品的条码信息;多极组合条码信息表写入的是多极产品的组合条码信息。

2.1.3 数据重组发送至虚拟现实(VR)展示端

数据发送至虚拟现实(VR)流程如图7所示。将解析的数据按照虚拟现实(VR)展示系统所需的通信协议以及报文格式进行报文拼装和TCP通信,将数据发送到虚拟现实(VR)展示系统进行前端可视化展示。

2.1.4 硬件控制指令处理

硬件控制流程如图8所示。中间件控制流程组件是通过向硬件的寄存器写入指令码来控制PLC等硬件进行相应动作的。以控制PLC为例,控制流程组件通过Fins-TCP协议向PLC发送握手请求,PLC反馈建立通信连接后,就可以对特定寄存器进行读写操作,通过向相应寄存器写入命令来控制硬件执行机构进行相应的动作。

2.2 模板调用

在上述数据处理模板定义完成之后即可进行调用,模板调用流程如图9所示。定时器调度组件定义系统获取数据的频率;变量设置组件定义产线编号和设备编号;数据映射组件通过调用数据映射表结合上面定义的产线编号和设备编号来确定采用哪一个数据采集模板,以及调用哪一个IP适配器,IP适配器决定要获取哪一台设备生产数据;最后的子工作流程组件扮演分流的角色,通过前面结果从这里进入到不同流程分支,进行不同处理过程。

2.3 EasyStudio中间件开发界面

EasyStudio中间件开发界面如图10所示。中间件平台包含了报文类组件、通信类组件、流程控制类组件、数据库类组件等一系列可灵活调用的组件,这些基本组件按照一定的逻辑就可以实现上述流程图的功能,实现程序的图形化操作,极大地提高开发效率和系统的稳定性。

3 结果展示

设计并实现的数据采集及控制系统已经与某断路器生产企业的虚拟现实(VR)系统完成了数据对接,当前设备接入数量是24个单元。其中每一个单元分配一个线程,每个线程独立运行,采集或控制的延时时间主要由该线程的定时调度决定,数据延时时间平均为1 s;就中间件本身而言4核CPU、8G内存的主机每秒可以处理2 000笔业务,因此可以保证数据采集及控制系统在当前并发数量下可以稳定地运行。以某企业中某一条检测线为例,单个检测单元数据采集信息如表1所示。

表1 单个检测单元数据采集信息

VR展示系统的单个检测单元数据如表2所示。该数据是由前面单个单元采集解析的数据得到的。

表2 VR展示系统的单个检测单元数据

VR展示系统整条产线的数据如表3所示。产线数据是基于该产线所有单个单元数据的统计计算得到的。其中整线运行状态只有在所有单元都正常时才正常,否则为故障,计划检测数量是设定值,计划达成率是通过最后一个检测单元的产出除以总计划检测数,一次直通率是各个单元合格率的乘积,整线设备能耗是通过产线的能耗监测设备提供数据。

表3 VR展示系统整条产线的数据

另外,在硬件的反向控制方面,根据采集到的信息来进行分析判断,当发现数据异常(如合格率非常低),需要及时对远程设备进行暂停检修时,就可以在控制命令脚本程序中进行设备暂停命令写入,通过中间件控制流程组件进行控制命令解析和下发,将写操作指令和写的内容通过路由器和交换机发送给现场设备,同时将控制命令内容写入PLC控制器的寄存器中,从而将设备暂停,实现对现场设备的反向控制。根据PLC的FINS通信协议的需求,对PLC进行写操作前需要先进行握手连接。与PLC握手连接数据报文如表4所示。向PLC写入命令数据报文如表5所示。

表4 与PLC握手连接数据报文

表5 向PLC写入命令数据报文

虚拟现实(VR)数据展示效果如图11所示。从获取到的生产数据中按照提前商定的报文格式通过TCP协议发送需要展示的数据信息给虚拟现实(VR)展示系统展示的效果,既包含整条检测线的全局数据信息(整线的运行状态、设备能耗、检测计划达成率、一次直通率等),也包含单个检测单元的数据信息(单元的运行状态、检测数量、不合格数、不合格率、OEE等)。该虚拟现实(VR)系统的展示效果表明本文实现的数据采集模块达到预期的效果。

4 结 语

研发的基于中间件的小型断路器数字化车间数据采集及控制系统已经在某生产断路器企业正式上线运行,根据数据采集及控制系统在工业现场获取到的生产数据情况、数据存储情况、虚拟现实(VR)展示情况以及硬件控制情况等,表明该系统能够实时、准确、全面地采集车间的生产数据,并实时地将采集到的数据发送到虚拟现实(VR)数据展示系统以及将所有数据存入Oracle数据库,在数据库中通过产品条码可以追溯到该产品在所有检测环节的测试结果,实现产品质量可追溯。同时,在发现数据异常的情况下向相应的硬件控制器发送暂停指令码,实现对特定执行器件的反向控制。该数据采集及控制系统能为企业提升小型断路器产品质量和经济效益,同时也为企业优化生产环节、合理规划生产任务提供参考依据,为断路器企业生产车间走向数字化、智能化提供强有力的数据支持。