智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊浩 潘濤 張濤 鄧春紅

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；智能車間；智能化；可視化監(jiān)控

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化趨勢(shì)，結(jié)合制造業(yè)發(fā)展需要，提出了智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)需求。本文利用IntelliJ IDEA集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于SpringBoot框架與Bootstrap框架開(kāi)發(fā)智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，thymeleaf實(shí)現(xiàn)單體應(yīng)用Web架構(gòu)，MyBatis框架實(shí)現(xiàn)后端與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，后端的數(shù)據(jù)來(lái)源都通過(guò)此框架提供[1-2]。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供工業(yè)設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并基于預(yù)警信息自動(dòng)派單維護(hù)等功能。

1 相關(guān)工作

通過(guò)工業(yè)局域網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等技術(shù)將工業(yè)設(shè)備相互連接、共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化是建設(shè)智能車間的目標(biāo)[3-4]。在“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略背景下，智能車間對(duì)于工業(yè)類產(chǎn)業(yè)升級(jí)尤為重要。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)智能車間的探索由來(lái)已久，如德國(guó)西門子安貝格電子工廠建立智能車間，實(shí)現(xiàn)了多種類工業(yè)設(shè)備的混線生產(chǎn)，F(xiàn)ANUC公司的生產(chǎn)制造突破最高一個(gè)月無(wú)人值守自動(dòng)化生產(chǎn)記錄，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人完成了高度自動(dòng)化生產(chǎn)[5]，國(guó)內(nèi)著名工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)埃夫特致力于研究工業(yè)機(jī)器人高端系統(tǒng)集成，打造先進(jìn)的自動(dòng)化、數(shù)字化、集成化的智能生產(chǎn)車間。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于智能工廠的研究主要集中在工業(yè)設(shè)備的互通互聯(lián)，缺乏可以將工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，在前端界面展示的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[6]。基于該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，搭建工業(yè)局域網(wǎng)，采集并解析工業(yè)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在云服務(wù)器中，再使用SpringBoot+MyBatis框架實(shí)現(xiàn)后端與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行工業(yè)數(shù)據(jù)交互，最后基于Bootstrap框架實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的前端界面。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通，將工業(yè)數(shù)據(jù)部署在云端，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且可實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供工業(yè)設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，降低了生產(chǎn)成本、人力資源成本、縮短制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及降低生產(chǎn)危機(jī)。

2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要包括的功能模塊如下：1） 工業(yè)數(shù)據(jù)采集與云存儲(chǔ)：該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的采集，以及實(shí)現(xiàn)云端的工業(yè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的前提，而云端部署工業(yè)數(shù)據(jù)可保證系統(tǒng)的魯棒性。2） 可視化監(jiān)控模塊：傳統(tǒng)的工業(yè)場(chǎng)景中對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的監(jiān)控主要依賴于車間管理員的巡察、監(jiān)視，增加車間生產(chǎn)成本，本系統(tǒng)自動(dòng)化的工業(yè)數(shù)據(jù)采集、上傳，結(jié)合可視化監(jiān)控模塊的大屏看板、首頁(yè)可視化展示功能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的工業(yè)數(shù)據(jù)分析與可視化，以監(jiān)控工業(yè)設(shè)備。3） 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策模塊：該模塊可對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行設(shè)備管理、運(yùn)維管理，查看和導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表，并基于可視化監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策。4） 輔助管理模塊：該模塊以用戶管理、系統(tǒng)管理、日志管理為核心實(shí)現(xiàn)平臺(tái)輔助管理。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的業(yè)務(wù)流程，具體為：1） 使用工業(yè)數(shù)據(jù)采集盒采集工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)并上傳至云端服務(wù)器中存儲(chǔ)，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和更新；2） 平臺(tái)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并可視化展示于系統(tǒng)前端界面；3） 系統(tǒng)預(yù)測(cè)或已發(fā)生設(shè)備故障，主動(dòng)安排車間管理人員派單維護(hù)；4） 系統(tǒng)管理員登錄平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的輔助管理，普通用戶登錄平臺(tái)，使用系統(tǒng)的可視化監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車間的自動(dòng)化智能監(jiān)控。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是在IntelliJ IDEA集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于SpringBoot框架與Bootstrap框架開(kāi)發(fā)，并采用thymeleaf實(shí)現(xiàn)單體應(yīng)用Web架構(gòu)，MyBatis 框架實(shí)現(xiàn)后端與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，后端的數(shù)據(jù)來(lái)源都通過(guò)此框架提供。系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)主要分為應(yīng)用層、平臺(tái)層、基礎(chǔ)設(shè)施層、邊緣層以及設(shè)備層五個(gè)層次組成，如圖2所示。

應(yīng)用層主要包含網(wǎng)頁(yè)展示以及后端控制。基于Bootstrap框架開(kāi)發(fā)的前端頁(yè)面通過(guò)將工業(yè)數(shù)據(jù)以圖形、圖標(biāo)或文字的形式展示在前端網(wǎng)頁(yè)，便于管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控智能工廠設(shè)備，并通過(guò)前后端交互模式參與調(diào)度控制。

平臺(tái)層主要包含工業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和部署與管理兩個(gè)部分，是本平臺(tái)的核心。其中，工業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)可視化組成，采用數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，主要用于對(duì)原始工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和數(shù)據(jù)建模，以便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中后，可使用響應(yīng)式開(kāi)發(fā)框架Boot?strap實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化；部署與運(yùn)維由連接管理、運(yùn)維管理、設(shè)備管理以及故障修復(fù)組成，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)。

基礎(chǔ)設(shè)施層主要為平臺(tái)層的提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、計(jì)算服務(wù)以及存儲(chǔ)服務(wù)。考慮到平臺(tái)的魯棒性和可擴(kuò)展性，本文平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施由本地搭建私有云提供計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)，未來(lái)可擴(kuò)展至阿里云。

邊緣層是本平臺(tái)的基礎(chǔ)，包含協(xié)議解析和數(shù)據(jù)采集兩部分。工業(yè)設(shè)備的不同，所采用的通信協(xié)議不一致，通過(guò)數(shù)據(jù)采集盒連接工業(yè)設(shè)備和云服務(wù)器，選擇對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同工業(yè)設(shè)備的原始數(shù)據(jù)采集。

設(shè)備層是由智能工廠中工業(yè)設(shè)備組成，如數(shù)控機(jī)床、銑床、工業(yè)機(jī)器人以及工業(yè)傳感器等，工業(yè)設(shè)備是原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭。

3.2 功能模塊

智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要分為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與云存儲(chǔ)、可視化監(jiān)控模塊、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策模塊以及輔助管理四個(gè)功能模塊。

1） 工業(yè)數(shù)據(jù)采集與云存儲(chǔ)

工業(yè)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警以及輔助決策等模塊的基礎(chǔ)，該模塊實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集、上傳以及存儲(chǔ)工業(yè)數(shù)據(jù)等功能。本系統(tǒng)將工業(yè)數(shù)據(jù)采集盒安裝在工業(yè)設(shè)備預(yù)留的通信端口，搭建工業(yè)局域網(wǎng)，將各數(shù)據(jù)采集盒與云服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與上傳。由于工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)類型不同，通信協(xié)議不一致，數(shù)據(jù)采集還須配置相應(yīng)的協(xié)議解析模塊，如modbus通信協(xié)議解析、RS-232通信協(xié)議解析等。具體過(guò)程如下：①安裝工業(yè)數(shù)據(jù)采集盒至工業(yè)設(shè)備通信端口；②搭建工業(yè)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集盒與云服務(wù)器的互聯(lián)互通；③配置數(shù)據(jù)采集盒，新建端口、設(shè)備，配置變量以區(qū)分各類型數(shù)據(jù)，配置過(guò)程須選擇不同的通信協(xié)議解析模式；④ 配置完成后，即可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)采集。為提高系統(tǒng)的魯棒性與可移植性，本系統(tǒng)使用openstack技術(shù)搭建私有云平臺(tái)，私有云平臺(tái)部署包含一個(gè)控制器和一系列計(jì)算結(jié)點(diǎn)。

2） 可視化監(jiān)控模塊

可視化監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化監(jiān)控，是本系統(tǒng)的核心模塊。該模塊通過(guò)對(duì)采集的工業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析、過(guò)濾，展示在平臺(tái)前端界面，以供用戶監(jiān)控。可視化監(jiān)控模塊，主要包括大屏看板以及設(shè)備管理兩個(gè)界面。如圖X所示，大屏看板界面可監(jiān)控AVG機(jī)器人運(yùn)行軌跡、運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)以輪播或點(diǎn)擊的方式查看不同的工業(yè)場(chǎng)景的工業(yè)設(shè)備，各工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)可以直接顯示在大屏看板上。

首頁(yè)可視化展示可以獲取設(shè)備總數(shù)、預(yù)警總數(shù)、告警總數(shù)、離線總數(shù)以及待辦工單總數(shù)等信息，并且可視化展示設(shè)備種類分布，工單狀態(tài)統(tǒng)計(jì)以及設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)信息。上述預(yù)警與告警信息詳細(xì)數(shù)據(jù)也顯示在該界面的其他區(qū)域。

3） 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策模塊

可視化監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)基于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策模塊的實(shí)現(xiàn)，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與決策模塊包含設(shè)備管理、運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)報(bào)表等功能。設(shè)備管理功能主要用于對(duì)各車間的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行添加、修改、刪除等功能。運(yùn)維管理主要用于系統(tǒng)的工單的處理。

數(shù)據(jù)報(bào)表主要包括設(shè)備分析統(tǒng)計(jì)、用戶行為分析統(tǒng)計(jì)以及設(shè)備告警預(yù)警分析界面，設(shè)備分析統(tǒng)計(jì)界面包含可視化的設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息、工單趨勢(shì)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)等信息。用戶行為分析統(tǒng)計(jì)界面包含用戶登錄與瀏覽行為的分析。設(shè)備告警預(yù)警分析顯示了每個(gè)系統(tǒng)界面詳細(xì)的告警預(yù)警的信息。

4） 輔助管理模塊

輔助管理模塊主要包括用戶管理、系統(tǒng)管理、日志管理等功能。其中，用戶管理包括用戶的添加、登錄、注銷等，系統(tǒng)管理包括數(shù)據(jù)字典、系統(tǒng)參數(shù)的等，日志管理包括操作日志、訪問(wèn)日志以及登錄日志。

4 結(jié)束語(yǔ)

為解決國(guó)內(nèi)對(duì)于智能工廠的研究主要集中在工業(yè)設(shè)備的互通互聯(lián)，缺乏可以將工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，在前端界面展示的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，本文設(shè)計(jì)了智能車間的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通，將工業(yè)數(shù)據(jù)部署在云端，提高了系統(tǒng)的魯棒性，并且可實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供工業(yè)設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，降低了生產(chǎn)成本、人力資源成本、縮短制造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及降低生產(chǎn)危機(jī)。