基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的管樁生產(chǎn)控制系統(tǒng)

陳翅剛，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006)

基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的管樁生產(chǎn)控制系統(tǒng)

陳翅剛，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006)

針對傳統(tǒng)管樁生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)性差、數(shù)據(jù)通信速率低，數(shù)據(jù)易丟失性、系統(tǒng)不穩(wěn)定等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的管樁生產(chǎn)控制系統(tǒng)。通過PLC、MCU等處理器對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行有效控制，應(yīng)用RFID射頻、現(xiàn)場總線、數(shù)據(jù)庫等相關(guān)技術(shù)，將設(shè)備狀態(tài)與控制信息通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過測試和實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信速率和實(shí)時(shí)性大為提高，數(shù)據(jù)易丟失性問題消除，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu); 數(shù)據(jù)通信; 控制系統(tǒng)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)[1-4]是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過射頻識(shí)別(RFID)[5]、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)[6]、激光掃描[7]等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議擴(kuò)展和延伸上的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)通過物與物，人與物，人與人之間進(jìn)行廣闊的信息交互與通信，在國防、工業(yè)、公共安全、城市管理、智能家居、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的拓展和創(chuàng)新，國內(nèi)外業(yè)界人士都將發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)視為新的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)信息化已成為當(dāng)代國家和企業(yè)獲取競爭優(yōu)勢不可或缺的途徑之一，特別是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)再造的變革為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益帶來巨大實(shí)惠。美國政府在2008年將物聯(lián)網(wǎng)列為未來振興美國經(jīng)濟(jì)的兩大重點(diǎn)之一，建立了EPCGlobal[7]物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，并在電力能源領(lǐng)域大力推廣物聯(lián)網(wǎng)終端。多年以來自動(dòng)化行業(yè)對傳統(tǒng)制造業(yè)領(lǐng)域做了大量的工作，自動(dòng)化水平有極大的提升，特別是對管樁生產(chǎn)的自動(dòng)化過程；然而面對新一代智能制造的要求，現(xiàn)有的制造業(yè)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其信息化，管理便捷化，作業(yè)流程化的要求，必須從一個(gè)全新的戰(zhàn)略高度來構(gòu)建一個(gè)安全、穩(wěn)定、可靠、實(shí)用的制造物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。目前有很多關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)在具體行業(yè)的應(yīng)用報(bào)道，如文獻(xiàn)[8]通過對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究狀況的分析將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、信息化生產(chǎn)中；文獻(xiàn)[9]從藥品領(lǐng)域、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、醫(yī)療信息化、醫(yī)療設(shè)備管理等方面系統(tǒng)的論述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的具體應(yīng)用框架。但是絕大多是處于學(xué)者研究探討階段，很少有具體應(yīng)用實(shí)例。

預(yù)應(yīng)力管樁[10-12]是建材行業(yè)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)流程繁多，數(shù)據(jù)處理量大，傳統(tǒng)系統(tǒng)存在通信速率低，實(shí)時(shí)性差、系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，經(jīng)常需要停機(jī)檢查、數(shù)據(jù)保存時(shí)間短，導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)缺失嚴(yán)重等缺陷。

針對上述情況，采用物聯(lián)網(wǎng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合射頻識(shí)別技術(shù)、現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)庫等相關(guān)技術(shù)對管樁生產(chǎn)過程實(shí)行遠(yuǎn)程控制。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

分析整體管樁生產(chǎn)流程架構(gòu)，面向管樁生產(chǎn)過程的制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上必須包含感知層，網(wǎng)絡(luò)層，和應(yīng)用層；功能上應(yīng)貫穿信息采集、信息傳輸、信息集成和信息決策，最終形成綠色節(jié)能環(huán)保、界面友好、資源高度優(yōu)化配置的管樁生產(chǎn)制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

目前基于管樁生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)終端采集存在極大的盲區(qū)，對數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集基本處于人工手抄狀態(tài)，比如管樁生產(chǎn)流程中的養(yǎng)護(hù)池溫度每隔30分鐘要人工抄寫一次溫度，下料過程同樣是每隔幾十分鐘需要人工抄寫幾種配料的重量。如此，導(dǎo)致無法對整個(gè)管樁生產(chǎn)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與決策，系統(tǒng)內(nèi)部存在諸多信息孤島。整個(gè)生產(chǎn)流程每個(gè)工藝流程點(diǎn)信息孤立，并且信息流通單向，無法形成有效反饋補(bǔ)償控制，整體信息割裂無法形成有效的有機(jī)信息整體。

搭建面向管樁生產(chǎn)過程的制造物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，其目的在于有效的利用物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中的應(yīng)用架構(gòu)，形成全面感知、全方位信息聚集和決策的多任務(wù)，上下層雙向互動(dòng)的實(shí)時(shí)的面向管樁生產(chǎn)過程的管樁制造物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，如圖 1所示。

圖1 信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管樁生產(chǎn)的不同生產(chǎn)階段的具體應(yīng)用要求，面向管樁生產(chǎn)過程的制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。

(1)感知層

感知層位于物聯(lián)網(wǎng)的最底層，主要由傳感器等器件組成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)通過RFID射頻技術(shù)、條型碼、工業(yè)現(xiàn)場總線、藍(lán)牙、紅外感應(yīng)器等短距離傳輸技術(shù)，采集管樁生產(chǎn)內(nèi)部和外部的各類信息數(shù)據(jù)。涵蓋范圍包括管樁生產(chǎn)設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)(編籠設(shè)備、下料設(shè)備、張拉設(shè)備、離心設(shè)備、養(yǎng)護(hù)設(shè)備、蒸養(yǎng)設(shè)備、節(jié)拍、大屏幕設(shè)備和RFID設(shè)備)、管樁物流信息、工廠內(nèi)部車輛、工人、外來人員、外來車輛等的信息。現(xiàn)場采集的信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)處理器的信息預(yù)處理接入感知終端用于互動(dòng)的交互操作，實(shí)現(xiàn)信息的雙向流動(dòng)。

(2)網(wǎng)路層

網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)主要用于解決各種管樁生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場有線和無線RFID傳感器和控制信息全識(shí)別，其統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的高速互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，易于開發(fā)應(yīng)用層的中間件軟件模塊。管樁生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)層由無線局域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)組成最終接入互聯(lián)網(wǎng)。

(3)應(yīng)用層

應(yīng)用層是對物品感知和控制信息的識(shí)別、控制和管理的應(yīng)用。應(yīng)用層則解決了管樁生產(chǎn)過程的信息處理和可視化顯示的問題。系統(tǒng)應(yīng)用層結(jié)合生產(chǎn)過程中的感知信息，將計(jì)算機(jī)技術(shù)同現(xiàn)代化管理手段相結(jié)合，最大限度地提高管理效率，變被動(dòng)式管理為主動(dòng)式管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用

管樁生產(chǎn)過程相對復(fù)雜、工序繁多，管樁生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)效性顯得尤為重要。

EtherCAT協(xié)議處理直達(dá)I/O層，單一系統(tǒng)即可涵蓋所有設(shè)備的IO，傳感器等相對于傳統(tǒng)工業(yè)總線EtherCAT的傳輸速度高，有效數(shù)據(jù)率可達(dá)90%以上等特點(diǎn)完全滿足系統(tǒng)各方面的性能要求。一個(gè)EtherCAT數(shù)據(jù)幀包含若干子報(bào)文，每個(gè)報(bào)文都服務(wù)于一塊邏輯郵箱過程映像區(qū)的特定內(nèi)存區(qū)域，這個(gè)內(nèi)存區(qū)域由FMMU寄存器和SM寄存器定義。EtherCAT數(shù)據(jù)幀頭位16位，其中11位為長度，1位為保留位，4位為類型。

系統(tǒng)主從站數(shù)據(jù)交換包括周期性數(shù)據(jù)和非周期性數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)形式，兩種方式在任何時(shí)間可以訪問該方式定義的內(nèi)存，更新數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)由Sync-Manger寄存器來定義，程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程圖

主站需要配置相應(yīng)的配置文件：

幀頭定義

從站信息讀取

從站數(shù)據(jù)定義

從站數(shù)據(jù)初始化

... ...

2.2 MCU與Beckhhoff的從站通信

協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)主機(jī)按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式給從機(jī)發(fā)送一系列的數(shù)據(jù)信息和控制命令，從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)過來的信息后，對信息進(jìn)行解碼，命令執(zhí)行后，在根據(jù)規(guī)定的方式進(jìn)行應(yīng)答。系統(tǒng)通過自由串行協(xié)議完成從站與主站Beckhoff的通信。圖3是MCU與Beckhoff的數(shù)據(jù)通信模式。

圖3 MCU與Beckhoff的數(shù)據(jù)通信模式

MCU提供自由串行通信支持，主機(jī)讀取其內(nèi)部寄存器Databuffer，MCU內(nèi)部自帶命令控制，主機(jī)只需發(fā)送命令，從站響應(yīng)完成應(yīng)答后即可完成一次正常通信，通過在Bechkoff內(nèi)編寫協(xié)議通信程序?qū)CU內(nèi)部的相應(yīng)的控制寄存器進(jìn)行讀寫。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以8位寄存器的方式進(jìn)行傳輸，一共可定義255種數(shù)據(jù)內(nèi)容，通信時(shí)按照先接收高位再接收低位的方式進(jìn)行。根據(jù)實(shí)際需要255個(gè)命令拆分成數(shù)據(jù)格式與命令格式，部分16位的數(shù)據(jù)必須連續(xù)傳輸2次，24位的數(shù)據(jù)必須連續(xù)傳輸3次才能完成一次數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸必須按照先接收高字節(jié)后接收低字節(jié)的形式，避免數(shù)據(jù)混亂，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)格式

2.3 XML關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1. XML數(shù)據(jù)讀取與保持功能設(shè)計(jì)

函數(shù)定義：

fbXmlSrvReadByName :FB_XmlSrvReadByName;

fbXmlSrvWriteByName :FB_XmlSrvWriteByName;

…

文件存放路徑：

sFilePath :T_MaxString

:='Hard DiskftpFile.xml';

數(shù)據(jù)讀取fbXmlSrvRead：

fbXmlSrvRead(pSymAddr:=ADR(value), cbSymSize:=SIZEOF(value), sFilePath:=sFilePath,sXPath:=sXPath, bExecute:=bLoad);

數(shù)據(jù)寫入fbXmlSrvWrite：

fbXmlSrvWrite(nMode:=XMLSRV_ADDMISSING, pSymAddr:=ADR(value),

cbSymSize:=SIZEOF(value), sFilePath:=sFilePath,sXPath:=sXPath, bExecute:=bSave);

2. XML文件格式與內(nèi)容定義

… …

2.4 RFID電子標(biāo)簽信息過濾

使用關(guān)系模式與XML文件結(jié)合的方式可以解決電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)格式改變的問題，描述信息的可讀寫電子標(biāo)簽信息的結(jié)構(gòu)不適合用簡單二維表定義，但采用這種結(jié)構(gòu)需要根據(jù)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行變動(dòng)的數(shù)據(jù)壓縮或擴(kuò)展。各功能對應(yīng)的信息過濾標(biāo)準(zhǔn)XML文件需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。創(chuàng)建各個(gè)功能對應(yīng)的過濾標(biāo)準(zhǔn)XML文件后，需要在數(shù)據(jù)庫中另外建立一個(gè)關(guān)系表維護(hù)特定功能與過濾標(biāo)準(zhǔn)XML文件的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 信息過濾

圖4 中顯示了RFID功能塊的過濾過程，當(dāng)RFDI功能塊需要讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)，必須從信息過濾表中獲取相應(yīng)的XML文件的位置信息，然后RFID系統(tǒng)才可以訪問該文件的過濾信息。

2.5 與傳統(tǒng)模式對比

圖5中系列2代表本系統(tǒng)，系列1代表傳統(tǒng)模式。

圖5 效能對照圖

3 結(jié)束語

基于三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的系統(tǒng)通過引入工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及數(shù)據(jù)傳輸速率高速靈活，從而能夠快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)管樁的下料生產(chǎn)，該系統(tǒng)的研究對于管樁生產(chǎn)中減少人工勞動(dòng)，減少機(jī)器運(yùn)輸時(shí)間、降低成本、提高自動(dòng)化水平具有重要的理論與實(shí)際意義。

[1] 王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2009,23(12):1-7.

[2] 李四海,張峰.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜述及海洋信息化發(fā)展對策[J].海洋通報(bào),2012,31(3):354-359.

[3] 寧煥生,張瑜,劉芳麗，等.中國物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)系統(tǒng)研究[J].電子學(xué)報(bào),2006,34(z1):2514-2517.

[4] 孫其博,劉杰,黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(3):1-9.

[5] 元媛,姜巖峰.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)綜述[J].半導(dǎo)體技術(shù),2006,31(11):801-804.

[6] 劉美生.全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用綜述(一) ——導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展的沿革[J].中國測試技術(shù),2006,32(5):1-7.

[7] 張成海,孔洪亮.EPC-引領(lǐng)物流新技術(shù)發(fā)展[J].//中國食品工業(yè).2005(01):24-26.

[8] 孫彥景,丁曉慧,于滿，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2011,48(z2):326-331

[9] 俞磊,陸陽,朱曉玲，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2012,29(1):1-7.

[10] 蔣元海,魏從九.關(guān)于我國管樁行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展的建議[J].混凝土與水泥制品,2007(4):31-32.

[11] 王重.中國管樁十五年發(fā)展及未來展望[C].中國硅酸鹽學(xué)會(huì)鋼筋混凝土制品專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2004.

[12] 張維華,謝紅波,羅冬梅，等.PHC管樁在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展[J].廣東建材,2008(8):38-39.

(編輯 趙蓉)

Pipe Piles Production Control System Based on Three-layer Network Architecture

CHEN Chi-gang , CHENG Liang-lun

(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006，China)

Being directed against the features such as the low efficiency of real-time during the production of the pile piles, low rate of data communications, data easy being lost and the instability of the system. This design is based on three-layer network architecture of the pile piles production system. The effective control of the field devices of the processing unit of PLC and MCU together with the applying to RFID，fieldbus and database such regarding technology, it realizes the real time remote monitor of the equipment status and control information via internet. Rate of the data communications and the real time efficiency has been improved greatly, the problem of losing data easily has been eliminated, also the system runs stable according to the final test and real motion,the design meets the requirements.

three-layer network architecture; data communication; control system

1001-2265(2014)06-0154-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.042

2013-10-22；

2013-11-23

陳翅剛(1989—)，男，江西永新人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，(E-mail) chigangchen@qq.com。

TH16;TG65

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