基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的針織機(jī)械互聯(lián)互通結(jié)構(gòu)研究

汪松松， 彭來(lái)湖， 戴 寧， 沈春婭， 胡旭東

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

2011年美國(guó)GE公司提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，美國(guó)把工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提高到國(guó)家戰(zhàn)略高度，引領(lǐng)下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)改革。在“中國(guó)制造2025”的大背景下，工業(yè)和信息化部實(shí)施了智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目[1]，并成立了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究機(jī)構(gòu)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟等組織。針織機(jī)械是典型的離散制造型裝備，在工業(yè)3.0時(shí)代由于缺乏裝備間的協(xié)同生產(chǎn)信息交互，針對(duì)針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，仍處于基礎(chǔ)通信、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等分項(xiàng)研究[2-3]。構(gòu)建針織機(jī)械終端到云平臺(tái)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系，符合針織機(jī)械智能制造需求。紡織行業(yè)是我國(guó)智能制造重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域，中國(guó)是世界上主要的紡織機(jī)械生產(chǎn)基地，目前國(guó)際上也沒(méi)有針織機(jī)械專用的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)通信協(xié)議，針織機(jī)械互聯(lián)互通是亟待解決的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)有100多萬(wàn)臺(tái)針織機(jī)械[2]，基本無(wú)聯(lián)網(wǎng)功能，單機(jī)化生產(chǎn)模式較落后，生產(chǎn)方主要以針織機(jī)械種類多、數(shù)量少的中小企業(yè)為主，無(wú)法承擔(dān)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的成本。隨著第5代通信技術(shù)(5G)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、工業(yè)云平臺(tái)等技術(shù)發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)逐步從“商業(yè)級(jí)”領(lǐng)域擴(kuò)展到“工業(yè)級(jí)”[4-5]，互聯(lián)網(wǎng)的可靠性、安全性進(jìn)一步提升，構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)的針織機(jī)械工業(yè)網(wǎng)絡(luò)成為可能[6]。

本文的針織機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模型以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)為核心，安全為保障，重點(diǎn)設(shè)計(jì)針織機(jī)械互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)與通信協(xié)議，并設(shè)計(jì)互聯(lián)互通驗(yàn)證平臺(tái)，以達(dá)到針織生產(chǎn)的智能制造互聯(lián)互通目標(biāo)。

1 針織機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模型

針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)遵循工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)以滿足信息管理應(yīng)用場(chǎng)景為前提，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程設(shè)置功能為主要目標(biāo)。依據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)[7-9]，針織機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模型如圖1所示。以其數(shù)據(jù)在各層次間的流動(dòng)為核心，基于各類工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)進(jìn)行傳輸。作為一種工業(yè)設(shè)備，安全保障貫穿于針織機(jī)械泛在連接層、網(wǎng)絡(luò)通信層、互聯(lián)互通協(xié)議層、云平臺(tái)層和應(yīng)用層。

針織機(jī)械泛在連接層主要功能是將針織機(jī)械接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)有統(tǒng)一的裝備標(biāo)識(shí)和物理通信接口，標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。各裝備廠商的針織機(jī)械應(yīng)有統(tǒng)一規(guī)范的物理通信接口。網(wǎng)絡(luò)通信層的主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)互通，在企業(yè)內(nèi)部以工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線上網(wǎng)(Wi-Fi)等為主，企業(yè)外部則主要為基于傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議(TCP/IP)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?；ヂ?lián)互通協(xié)議層則體現(xiàn)針織機(jī)械報(bào)文語(yǔ)義的互通，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域主要有OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)、消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(MQTT)等通用標(biāo)準(zhǔn)，而設(shè)計(jì)針織機(jī)械互聯(lián)互通專用標(biāo)準(zhǔn)則可提高通信效率和信息的安全性?？傊?，針織機(jī)械泛在連接、網(wǎng)絡(luò)通信和互聯(lián)互通協(xié)議是針織機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

2 針織機(jī)械泛在連接

針織機(jī)械包括橫機(jī)、圓緯機(jī)、經(jīng)編機(jī)等，以圓緯機(jī)為例，包括大圓機(jī)、小圓機(jī)、內(nèi)衣機(jī)、襪機(jī)、腰口機(jī)等，裝備種類多，每個(gè)針織企業(yè)裝備規(guī)模從單一臺(tái)套到大規(guī)模生產(chǎn)均有分布。通過(guò)對(duì)現(xiàn)役裝備和即將出廠的裝備進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識(shí)，不僅讓針織機(jī)械在針織行業(yè)互聯(lián)互通中唯一化，而且可融入廣義信息物理系統(tǒng)(CPS)中。目前我國(guó)有對(duì)象標(biāo)識(shí)符(OID)技術(shù)，國(guó)際上也擁有對(duì)象命名服務(wù)(ONS)、Handle方案，無(wú)論取哪一項(xiàng)，需做到兼容、高效可靠。從互聯(lián)網(wǎng)本身的IP技術(shù)來(lái)看，采用128位編碼的第6版互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IPv6)技術(shù)能唯一標(biāo)識(shí)幾乎所有聯(lián)網(wǎng)實(shí)體，也是針織機(jī)械的一種簡(jiǎn)捷的標(biāo)識(shí)模式。

針織機(jī)械制造商需要配置統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)以Wi-Fi、以太網(wǎng)為主的通用網(wǎng)絡(luò)，才能讓針織機(jī)械在物理上達(dá)到互聯(lián)互通；現(xiàn)役的全國(guó)針織機(jī)械幾乎沒(méi)有統(tǒng)一的通信接口，僅有的總線接口只有作為電控系統(tǒng)調(diào)試和設(shè)置用，需采用數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。

3 針織機(jī)械互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)是針織機(jī)械互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)互聯(lián)互通的可靠性，便捷、低成本的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)則容易被針織生產(chǎn)企業(yè)廣泛接納。從目前主要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看， 以連接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與系統(tǒng)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)+連接信息系統(tǒng)與終端的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)(OT +IT)形式為主，但逐步向簡(jiǎn)捷網(wǎng)絡(luò)過(guò)度，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將更適應(yīng)針織機(jī)械互聯(lián)互通需求[10-11]。為此，研究“互聯(lián)網(wǎng)+”與未來(lái)網(wǎng)絡(luò)在針織機(jī)械中的應(yīng)用問(wèn)題與解決方法，以提高網(wǎng)絡(luò)的便捷性。

3.1 OT+IT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)的OT+IT模式，擁有實(shí)時(shí)、可靠、安全和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造領(lǐng)域，專用的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與商業(yè)網(wǎng)絡(luò)分離，布局層次嚴(yán)謹(jǐn)，多樣化的專用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議讓工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用各行業(yè)領(lǐng)域[12]，基于OT+IT的針織機(jī)械互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和車間級(jí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等形式將各類針織機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制功能。車間網(wǎng)絡(luò)通過(guò)企業(yè)網(wǎng)關(guān)與企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)MES、ERP等企業(yè)管理功能，并通過(guò)防火墻接入公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)更大范圍的互聯(lián)互通。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)對(duì)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各層級(jí)要求規(guī)范，對(duì)企業(yè)外網(wǎng)連接也需通過(guò)工業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)。該工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是典型的二層三級(jí)網(wǎng)絡(luò)，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中小企業(yè)無(wú)法承擔(dān)建網(wǎng)的高成本，各類總線間的融合具有一定難度，存在信息死角，在針織生產(chǎn)行業(yè)的應(yīng)用中逐步減少。

從針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)的功能來(lái)看，主要是用戶通過(guò)普通移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)置。即使企業(yè)使用嚴(yán)格的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)布局，但連接到用戶則仍是普通互聯(lián)網(wǎng)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高性能的針織機(jī)械的互聯(lián)互通并不理想，性價(jià)比也低。

3.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，作為傳統(tǒng)行業(yè)的針織生產(chǎn)也逐漸接入到互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域[13]。將針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)依照互聯(lián)網(wǎng)布局，直接接入互聯(lián)網(wǎng)，如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但前提是互聯(lián)網(wǎng)有足夠的安全性，且針織機(jī)械與上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)能夠接受一定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。另外，也要求針織生產(chǎn)中運(yùn)動(dòng)類型的控制指令不依賴于網(wǎng)絡(luò)，直接使用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)不造成生產(chǎn)故障。針織機(jī)械采用以太網(wǎng)、Wi-Fi等常用方式接入工廠局域網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入通用云服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)針織機(jī)械數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

“互聯(lián)網(wǎng)+”模式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，易推廣，但是，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸缺乏調(diào)度機(jī)制，導(dǎo)致網(wǎng)包數(shù)據(jù)包并行量大，網(wǎng)絡(luò)路由常以丟包模式解決并行問(wèn)題，云平臺(tái)在處理各連接終端的通信事務(wù)時(shí)，由于缺乏IP數(shù)據(jù)包，不能完成每個(gè)連接終端數(shù)據(jù)事務(wù)，導(dǎo)致服務(wù)阻塞和延時(shí)，需要以高帶寬換取互聯(lián)網(wǎng)的高效率?？紤]到針織機(jī)械每秒收發(fā)數(shù)據(jù)量不超過(guò)1 kB，根據(jù)上述規(guī)范，全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)吞吐率(T)不能低于70%、網(wǎng)絡(luò)承載率(Br)不高于70%、丟包率(L)低于0.1%、錯(cuò)誤率(E)低于1%，考慮網(wǎng)絡(luò)冗余(ψ)和多臺(tái)(n)針織機(jī)械的并發(fā)性，針織生產(chǎn)廠家專用網(wǎng)絡(luò)最小帶寬Bmin的經(jīng)驗(yàn)公式[14]如下：

式中：Tmin為全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最小吞吐率；Lmax為最大丟包率；Emax為最大錯(cuò)誤率。

將互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)引入針織工業(yè)領(lǐng)域，也面臨著網(wǎng)絡(luò)地址空間有限、網(wǎng)絡(luò)性能和承載能力弱、網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn)等系列問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)集成商建設(shè)針織生產(chǎn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，接入層接口數(shù)應(yīng)不少于針織機(jī)械數(shù)量，并與其他功能網(wǎng)絡(luò)分開，避免因企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)量的阻塞而影響針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)通信，以達(dá)到針織機(jī)械局域網(wǎng)間互聯(lián)互通。企業(yè)接入的廣域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可參照該經(jīng)驗(yàn)公式確定對(duì)等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)帶寬，申請(qǐng)固定IP與域名，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性。

3.3 針織機(jī)械未來(lái)網(wǎng)絡(luò)

由于5G通信技術(shù)的海量大連接物聯(lián)網(wǎng)與低時(shí)延高可靠網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景特點(diǎn)，和SDN互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)化應(yīng)用，采用5G模式將成為主要的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

各類針織機(jī)械采用統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)和獨(dú)立的IPv6地址，接入高性能和高承載能力的5G網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)SDN進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸調(diào)度，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用基于TCP的針織機(jī)械互聯(lián)互通專用協(xié)議，可最大程度地提高通信效率和信息安全。另外，5G作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，解決了在因針織紗線系統(tǒng)占用生產(chǎn)空間而網(wǎng)絡(luò)布線困難等問(wèn)題，也降低了企業(yè)布網(wǎng)成本。

4 針織機(jī)械互聯(lián)互通協(xié)議設(shè)計(jì)

針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)部分，從工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用來(lái)看，無(wú)論是重量級(jí)協(xié)議還是輕量級(jí)協(xié)議，直接實(shí)現(xiàn)離散制造裝備的功能語(yǔ)義與數(shù)據(jù)語(yǔ)義具備一定困難。為此，在基于互聯(lián)網(wǎng)可靠TCP傳輸?shù)幕A(chǔ)上，針對(duì)針織機(jī)械數(shù)據(jù)處理能力的差異，通過(guò)研究目前常用的通信協(xié)議，設(shè)計(jì)適應(yīng)針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)功能的應(yīng)用層便捷協(xié)議。

4.1 重量級(jí)互聯(lián)互通協(xié)議

OPC UA以實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、安全等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于設(shè)備與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)的通信，其協(xié)議簇能保證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各層次都能互聯(lián)互通。采用基于UA-TCP的通信冗余機(jī)制，基于多層次安全架構(gòu)，具有豐富的認(rèn)證授權(quán)機(jī)制，最大程度地保證系統(tǒng)安全。工業(yè)控制要求高、數(shù)據(jù)服務(wù)豐富，采用OPC UA互聯(lián)互通協(xié)議效果好[15]。

考慮到市場(chǎng)上針織機(jī)械電控系統(tǒng)以單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)為主，基本可以滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程設(shè)置的互聯(lián)互通功能，而電控系統(tǒng)配置OPC UA的空間小，單獨(dú)配置OPC UA服務(wù)器的成本高，甚至高于電控系統(tǒng)本身的成本，推廣難度大?？砂袿PC UA的通信保證和安全保證機(jī)制設(shè)計(jì)到針織機(jī)械互聯(lián)互通協(xié)議中，可以提高針織機(jī)械的互聯(lián)互通性能。

4.2 輕量級(jí)互聯(lián)互通協(xié)議

廣義的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、云平臺(tái)普遍采用MQTT、XMPP等輕量級(jí)協(xié)議[16-17]。以中心代理服務(wù)器為核心，物聯(lián)終端可以向代理服務(wù)器發(fā)布和訂閱信息。采用服務(wù)質(zhì)量等級(jí)(QoS)來(lái)分辨信息重要程度；通過(guò)服務(wù)身份驗(yàn)證、重點(diǎn)信息加密、異常檢測(cè)等措施來(lái)保護(hù)代理服務(wù)器端正常運(yùn)行。

針織機(jī)械向云平臺(tái)發(fā)布信息是可行的，但輕量級(jí)模式屬于單向協(xié)議模式，并沒(méi)有對(duì)物聯(lián)終端的語(yǔ)義、安全等做強(qiáng)制規(guī)范，缺少豐富語(yǔ)義的MQTT等固定報(bào)頭語(yǔ)義也無(wú)法滿足針織機(jī)械互聯(lián)互通的可靠性。

4.3 針織機(jī)械互聯(lián)互通專用協(xié)議

針織機(jī)械互聯(lián)互通協(xié)議既要有OPC UA的通信保障和信息安全的性能，又要有MQTT等模式的易實(shí)現(xiàn)性，總體設(shè)計(jì)如圖5所示。協(xié)議以針織機(jī)械安全為核心，體現(xiàn)針織機(jī)械互聯(lián)互通的目標(biāo)功能，建立通信連接保證、服務(wù)質(zhì)量保證和信息安全保證機(jī)制。

4.3.1 針織機(jī)械安全保證機(jī)制

針織機(jī)械單機(jī)自動(dòng)化電控系統(tǒng)控制著針筒、選針、三角等部件高速運(yùn)轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)指令誤差，則會(huì)引起打針、運(yùn)動(dòng)機(jī)件損毀、織物瑕疵等嚴(yán)重故障。通過(guò)對(duì)針織機(jī)械的權(quán)限設(shè)置來(lái)抵御互聯(lián)網(wǎng)所帶來(lái)的不確定性。建立指令驗(yàn)證機(jī)制和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)匹配機(jī)制，過(guò)濾不符合針織機(jī)件運(yùn)動(dòng)的指令，對(duì)可確信的設(shè)置指令可附加人工審核功能。對(duì)花型文件應(yīng)有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能，防止花型錯(cuò)位和設(shè)備損傷。互聯(lián)互通協(xié)議不能影響針織機(jī)械的正常運(yùn)行，針織機(jī)械電控系統(tǒng)需有較強(qiáng)的處理通信報(bào)文的能力，并通過(guò)與云平臺(tái)的專用連接以減少網(wǎng)絡(luò)攻擊[18-19]。

4.3.2 報(bào)文結(jié)構(gòu)

報(bào)文包含報(bào)文頭和報(bào)文內(nèi)容，報(bào)文結(jié)構(gòu)如表1所示。采用固定長(zhǎng)度報(bào)文頭易于解碼，并依次包含通信需要、時(shí)間戳、請(qǐng)求方編號(hào)(ID)、應(yīng)答方ID與報(bào)文內(nèi)容總長(zhǎng)度。通過(guò)通信序號(hào)確保通信雙方的請(qǐng)求與應(yīng)答序列一一對(duì)應(yīng)，而時(shí)間戳則明確了報(bào)文收發(fā)時(shí)間、同步語(yǔ)義時(shí)刻，并防止通信抵賴。通信雙方的ID號(hào)規(guī)定了報(bào)文從哪里來(lái)到哪里去，以防止誤碼。報(bào)文內(nèi)容總長(zhǎng)規(guī)范了編解碼的長(zhǎng)度，解決報(bào)文間的黏連問(wèn)題。

報(bào)文內(nèi)容包括功能代碼與參數(shù)/參數(shù)代碼，字節(jié)型報(bào)文可支持多數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)，其數(shù)值類型可依據(jù)典型的OPC UA數(shù)據(jù)類型，如表2所示，以提高協(xié)議間數(shù)據(jù)編解碼的一致性。

表1 報(bào)文結(jié)構(gòu)Tab.1 Message structure

表2 針織機(jī)械數(shù)據(jù)類型Tab 2 Data type of knitting machine

4.3.3 報(bào)文語(yǔ)義

報(bào)文內(nèi)容體現(xiàn)了信息的功能語(yǔ)義與數(shù)據(jù)語(yǔ)義，以達(dá)到針織機(jī)械互聯(lián)互通業(yè)務(wù)功能，業(yè)務(wù)功能主要包括針織機(jī)械數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、文件管理和系統(tǒng)管理等功能，功能語(yǔ)義結(jié)構(gòu)如圖6所示。

針織機(jī)械數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是服務(wù)器訂閱針織終端數(shù)據(jù)服務(wù)后，針織機(jī)械終端定期向云平臺(tái)發(fā)布服務(wù)數(shù)據(jù)。針織機(jī)械遠(yuǎn)程控制體現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置針織機(jī)械參數(shù)功能，針織機(jī)械對(duì)該類型指令建立相應(yīng)的審核機(jī)制。針織機(jī)械文件管理主要是系統(tǒng)管理文件的收發(fā)與系統(tǒng)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)針織機(jī)械廠商對(duì)機(jī)器遠(yuǎn)程維護(hù)。

報(bào)文間的耦合性低、報(bào)文內(nèi)的內(nèi)聚性強(qiáng)則抗干擾能力強(qiáng)；各報(bào)文之間相互獨(dú)立，無(wú)上下語(yǔ)義干擾，減少因前驗(yàn)錯(cuò)誤而引起后到達(dá)報(bào)文的解碼錯(cuò)誤。構(gòu)建針織機(jī)械典型參數(shù)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)、文件信息等大類，覆蓋針織機(jī)械在設(shè)備與生產(chǎn)中所需的參數(shù)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行編碼，規(guī)范數(shù)據(jù)類型與范圍，形成可擴(kuò)展機(jī)制。

4.3.4 通信連接保證

通過(guò)會(huì)話管理建立TCP長(zhǎng)連接，一次連接認(rèn)證，多次通信，減少針織機(jī)械與云平臺(tái)間的請(qǐng)求開銷；建立心跳機(jī)制，以確保TCP長(zhǎng)連接信道可用、可達(dá)；通信雙方以請(qǐng)求/響應(yīng)握手模式，讓雙方對(duì)通信進(jìn)行確信。針對(duì)TCP對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的不敏感性，通信雙方要建立信息緩沖機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)，把緩沖區(qū)的針織機(jī)械中優(yōu)先級(jí)高的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)送達(dá)云平臺(tái)。

4.3.5 服務(wù)質(zhì)量保證

云平臺(tái)向針織機(jī)械訂閱信息服務(wù)后，針織機(jī)械服務(wù)端對(duì)要發(fā)送的信息根據(jù)優(yōu)先級(jí)排隊(duì)發(fā)送，如裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)是云平臺(tái)實(shí)時(shí)關(guān)注的，應(yīng)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，而訂閱的周期性速度、產(chǎn)量則可靠后轉(zhuǎn)發(fā)。另外，為確保通信質(zhì)量，采用“至少一次”傳輸以保證數(shù)據(jù)管理報(bào)文的正確性，“只有一次”通信連接認(rèn)證，服務(wù)器訂閱的速度、產(chǎn)量等信息每個(gè)服務(wù)周期“最多一次”傳輸。

在通信雙方對(duì)請(qǐng)求/響應(yīng)方面，規(guī)范雙方的數(shù)據(jù)格式，如表3所示，參數(shù)代碼與參數(shù)值一一對(duì)應(yīng)，參數(shù)代碼塊按雙方約定編碼順序回復(fù)。當(dāng)解碼數(shù)據(jù)有誤或?yàn)閺?qiáng)制性回復(fù)時(shí)，則進(jìn)行約束性響應(yīng)。

4.4.6 信息安全保證

信息安全關(guān)乎互聯(lián)互通的成敗，應(yīng)在各通信層面上采用與針織機(jī)械相適應(yīng)的信息安全機(jī)制。針織機(jī)械廠家采用固定IP連接云平臺(tái)，云平臺(tái)僅連接經(jīng)過(guò)認(rèn)證的IP，減少連接攻擊。針織機(jī)械與云平臺(tái)連接時(shí)采用密文互認(rèn)，針織機(jī)械可主動(dòng)對(duì)云平臺(tái)請(qǐng)求連接并進(jìn)行認(rèn)證。在文件收發(fā)中采用數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤。

表3 通信應(yīng)答參數(shù)格式Tab.3 Communication response parameter format

5 互聯(lián)互通驗(yàn)證

針織機(jī)械互聯(lián)互通驗(yàn)證主要是對(duì)設(shè)備連接、網(wǎng)絡(luò)等物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行考察，并對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)抓包與對(duì)比分析，對(duì)通信業(yè)務(wù)進(jìn)行模擬，修訂協(xié)議的邏輯錯(cuò)誤。

5.1 驗(yàn)證平臺(tái)與流程

互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)與協(xié)議的驗(yàn)證方法包括舉證驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)驗(yàn)證和企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。其中以實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證為主，首先對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議的合理性要進(jìn)行舉證。對(duì)通信協(xié)議中數(shù)據(jù)部分則需要定量的測(cè)試，為此，搭建基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的模擬生產(chǎn)線和數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，如圖8所示，主要設(shè)備及驗(yàn)證內(nèi)容有。

1)針織機(jī)械終端：橫機(jī)、圓緯機(jī)、經(jīng)編機(jī)的控制系統(tǒng)各不少于3個(gè)，模擬點(diǎn)不少于100個(gè)，以驗(yàn)證各類針織機(jī)械與上層管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互功能，通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上報(bào)軟件模擬針織機(jī)械的互聯(lián)互通功能以驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)帶寬的可用性。

2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：無(wú)線AP、AP控制器、以太網(wǎng)交換機(jī)、網(wǎng)線、網(wǎng)絡(luò)工具箱等配套，構(gòu)建針織機(jī)械“互聯(lián)網(wǎng)+”的無(wú)線與有線網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證2種連接方式的可用性。

3)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備：網(wǎng)線測(cè)試儀、以太網(wǎng)+Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀、廣域網(wǎng)損傷儀、抓包回放儀等，對(duì)針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包，并仿真惡劣網(wǎng)絡(luò)情況下針織機(jī)械通信連接、質(zhì)量保證等特性，并確定心跳間隔時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)。

4)服務(wù)器設(shè)備及軟件：辦公電腦、顯示設(shè)備、服務(wù)器系統(tǒng)(WEB、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)采集、核心交換機(jī)、防火墻及配套服務(wù)器軟件)等。基礎(chǔ)硬軟件平臺(tái)存儲(chǔ)針織機(jī)械與上層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)報(bào)文結(jié)構(gòu)與語(yǔ)義分析。并采用OPC UA服務(wù)端與客戶端進(jìn)行互聯(lián)互通，與論文的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議形成功能對(duì)比試驗(yàn)。

5)開發(fā)針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)綜合驗(yàn)證平臺(tái)，監(jiān)測(cè)橫機(jī)、圓緯機(jī)(包括內(nèi)衣機(jī)和大圓機(jī))、經(jīng)編機(jī)的狀態(tài)、工藝、產(chǎn)量、速度等實(shí)時(shí)信息。通過(guò)針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)綜合驗(yàn)證平臺(tái)上針織機(jī)械與服務(wù)數(shù)據(jù)交互的功能語(yǔ)義與參數(shù)語(yǔ)義，也展示了針織機(jī)械互聯(lián)互通數(shù)據(jù)交互過(guò)程。

設(shè)計(jì)典型的針織機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，包括網(wǎng)絡(luò)連接、針織數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與指令下發(fā)、文件傳輸?shù)龋⒏鶕?jù)應(yīng)用場(chǎng)景生成針織機(jī)械互聯(lián)互通測(cè)試用例，驗(yàn)證指令系統(tǒng)是否有邏輯錯(cuò)誤、是否都可下達(dá)，而又無(wú)冗余，進(jìn)行邏輯尋優(yōu)。驗(yàn)證流程如圖9所示。通過(guò)驗(yàn)證策劃、驗(yàn)證準(zhǔn)備、測(cè)試分析、驗(yàn)證評(píng)價(jià)等步驟對(duì)通信報(bào)文協(xié)議進(jìn)行逐一驗(yàn)證、修訂、回歸驗(yàn)證，其中對(duì)不符合科學(xué)常規(guī)、通信解碼有歧義的通信協(xié)議條款做一定的調(diào)整，以確保通信協(xié)議條款的驗(yàn)證通過(guò)率不斷收斂，確保通信協(xié)議條款最終全部通過(guò)。

5.2 驗(yàn)證分析

在針織機(jī)械“互聯(lián)網(wǎng)+”中，模擬生產(chǎn)線Wi-Fi模式具有無(wú)需布線的優(yōu)勢(shì)，但Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)易受附近區(qū)域Wi-Fi其他終端干擾而掉線。在安全方面，如果數(shù)據(jù)竊取方?jīng)]有與針織機(jī)械一致的通信協(xié)議解碼系統(tǒng)，則無(wú)法理解其含義，但互聯(lián)網(wǎng)的病毒攻擊需要靠企業(yè)防火墻、網(wǎng)絡(luò)審計(jì)機(jī)制進(jìn)行保證，在需要對(duì)針織機(jī)械進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，宜采用局域網(wǎng)服務(wù)器與管理軟件。

另一方面，在針織機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議驗(yàn)證中，由于功能語(yǔ)義與參數(shù)語(yǔ)義編碼各自的結(jié)構(gòu)化架構(gòu)，在數(shù)據(jù)接收方編解碼中避免了功能與參數(shù)的二義性。由于針織機(jī)械工藝文件一般不超過(guò)1 M字節(jié)，針織機(jī)械與上層管理文件傳輸通過(guò)文件請(qǐng)求、分包傳輸?shù)冗^(guò)程實(shí)現(xiàn)了文件的雙向傳輸，彌補(bǔ)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重量級(jí)與輕量級(jí)傳輸協(xié)議對(duì)文件傳輸?shù)牟蛔恪?/p>

6 結(jié)束語(yǔ)

針織機(jī)械要實(shí)現(xiàn)智能制造則首先要實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，采用可實(shí)施的互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信協(xié)議非常重要，本文主要結(jié)論如下。

1)構(gòu)建了針織機(jī)械工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模型，考慮數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、安全因素，模型分為泛在連接層、網(wǎng)絡(luò)通信層、互聯(lián)互通協(xié)議層和云平臺(tái)層、云應(yīng)用層，IPv6技術(shù)較符合針織機(jī)械的標(biāo)識(shí)，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口的針織機(jī)械需要數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2)OT+IT傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域中逐漸減少，設(shè)計(jì)“互聯(lián)網(wǎng)+”針織機(jī)械網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及最小帶寬要求，符合針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)需求。

3)考慮到OPC UA對(duì)針織電控系統(tǒng)性能要求高，而輕量級(jí)互聯(lián)互通協(xié)議缺乏雙向通信機(jī)制，設(shè)計(jì)了針織機(jī)械互聯(lián)互通專用協(xié)議，以安全報(bào)文結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了針織機(jī)械業(yè)務(wù)功能與參數(shù)數(shù)據(jù)語(yǔ)義系統(tǒng)，通過(guò)認(rèn)證、心跳機(jī)制、緩沖機(jī)制和固定IP等方式以提高數(shù)據(jù)的通信質(zhì)量與安全。

4)在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證平臺(tái)上驗(yàn)證了“互聯(lián)網(wǎng)+”網(wǎng)絡(luò)及帶寬，通過(guò)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包分析，證明了針織報(bào)文結(jié)構(gòu)的正確性；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)故障仿真，驗(yàn)證了通信連接保證和服務(wù)質(zhì)量保證的正確性，并在模擬針織生產(chǎn)線上驗(yàn)證了針織網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議的可操作性。通過(guò)試驗(yàn)、修訂、回歸驗(yàn)證的模式完成了對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、互聯(lián)互通協(xié)議的一致性證明。