基于物联网的经编制造执行系统关键技术

1 体系结构

1.1 硬件环境

根据经编车间对数据采集与传输的要求，为经编车间设计的硬件结构如图1所示。在整个制造执行系统中，利用各种传感器采集经编机的生产数据，将数据实时显示在数据采集终端并通过紫蜂(ZigBee)模块将生产数据临时保存在本地数据库上。本地服务器通过连接因特网将本地数据库中的数据同步到云数据库中。任何安装浏览器的客户端只需向web服务器发出请求，即可实现生产信息的远程检测、控制和生产过程的管理。

图1 经编制造执行系统硬件结构图Fig.1 Hardware structure diagram of warp knitting MES

1.2 软件架构

系统采用B/S的3层架构(如图2所示)，3层分别是web表示层、业务逻辑层和数据访问层。web表示层是系统功能的显示界面，为相关数据提供展示平台并负责与用户直接交互；业务逻辑层是3层架构中的中间层，主要负责系统内部业务逻辑处理；数据访问层主要实现数据读写与存储功能，为其他2层提供数据服务，通常作为整个分层体系的最底层[3]。每层的任务十分明确，系统各层必须逐层按序调用，客户端浏览器不能跨越中间层直接访问数据库，而必须先使用通信接口与中间层建立连接，中间层再调用ADO.NET完成对数据的最终操作[4]。通过分层规划，有效实现了系统中各部分功能的模块化、独立化，达到高耦合低内聚，使系统具有更强大的灵活性、可扩展性、可维护性以及更高的安全性。

图2 ASP.NET 3层架构图Fig.2 Three-tier architecture of ASP.NET

2 数据采集技术

2.1 ZigBee技术

传统的人工巡视、手抄卡片等采集生产数据的方式存在即时性差、可靠度低等问题，已不再适用于当今的生产环境，本系统采用基于ZigBee技术的数据采集模块实现数据的采集和双向传输。基于IEEE 802.15.4标准的 ZigBee无线通信技术，是一种适用于短程、低功耗、高可靠度和低成本的双向数据传输技术，被广泛应用于工业控制领域[5]。数据采集是利用数据采集终端从生产现场采集数据并及时传入到云数据库中，采集的数据是可被转换为电讯号的各种模拟量或数字量，根据经编车间需求和经编工艺特点，采集的数据主要包括：机器编号;挡车工号;机器速度V，r/min;匹号;纵密P，横列/cm;落布米数DL，m;停车时间TS，h;停车原因;当班能耗E，kW·h等。由采集到的数据经过计算可得机器当前产量LC=60VT/100P。其中T为实际生产时间，由当前时间减去停车时间TS获得。为了更好地分析停车原因，经编机停车时终端机会自动跳出停车原因选择界面，若为坯布疵点则会记录疵点位置和长度[6]。

2.1.1系统硬件设计

数据采集终端主要由传感模块、数据处理存储模块和无线通信模块组成，经认真比较，选用Chipcon公司的CC2430 ZigBee芯片，因为它与同类产品相比具有集成度高、功耗低、与ZigBee/802.15.4全兼容的硬件层和物理层以及增强型8051内核。此外，该芯片还集成了8KB的随机存储器(RAM)和256KB的闪存，用该芯片设计经编数据采集终端既可以提高系统性能，又可以方便系统升级需求。基于ZigBee技术的数据采集模块硬件设计如图3所示。

图3 硬件设计简化框图Fig.3 Simplified block diagram of hardware design

传感模块由PT100温湿度传感器采集经编车间环境信息、智能电表记录能耗、TK12-N转速传感器采集主轴转速以及射频识别(RFID)卡获取员工操作记录。

数据存储模块采用的是容量大、可靠性高、改写速度较快的计算机闪存设备。

无线通信模块是整个系统的关键，该模块主要包括CC2430、功放芯片CC2591和一小部分外围电路。在经编车间里，经编机数量多分布广，CC2430芯片传输范围有限，功放芯片可以延伸节点的传输范围，这样既可以减少路由器数量，同时也可提高通信质量。

2.1.2数据轮询机制

ZigBee网络带宽有限，当车间多个节点同时主动发送数据时，将导致传输网络拥塞并出现数据延时和丢失。为保证数据采集的实时性和可靠性，本系统在ZigBee数据传输网络中引入小数据包轮询的机制。该机制由ZigBee中心节点发起传输请求，然后依次询问车间其他的子节点，确保任意时刻信道中有且仅有一条通信处于开启状态。运用这种轮询机制，避免了某一经编机终端在某一段时间内持续占用无线信道，这样就既能保证数据传输速度，又能使报修等关键信息及时向上层发送。

2.2 RFID技术

RFID无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术[7]，它无需与物料接触即可识别特定目标并实现相关数据访问与读写。电子产品代码(EPC)作为唯一的身份标识，附着在每个目标物体上，另外还可根据用户需求在存储区域写入特定信息，这些优点都是原始的条形码技术无法匹及的。在经编生产过程中，管理人员要想实时了解计划执行进度、设备、物料、半成品的状态，必须要对物料进行唯一标记，挡车工也应分配RFID白卡标识身份。在RFID的数据采集终端，挡车工通过刷卡进行登录，然后扫描坯布上的标签，再开始生产。此时，该挡车工对应的生产信息就会自动录入后台数据库。当达到落布要求时，剪下坯布，再次扫描一下坯布标签，系统会记录相关信息并存入数据库，然后将坯布送到验布车间检验。若生产过程中发生设备异常，应及时停机并点击数据采集终端上的呼叫报修按钮，机修工会收到通知并及时赶到现场。在机修工调机前应刷一下自己的RFID卡，终端会记录调机时间、当前订单号、设备状态等信息并存入数据库。若生产过程中发现坯布疵点，只需手动选择疵点类型，数据库会自动记录当前疵点位置及对应的疵点信息，数据采集流程如图4所示。

注：JSON为一种轻量级的数据交换模式。图4 数据采集流程图Fig.4 Flow chart of data acquisition

在生产过程中，所有的生产数据都被临时保存在本地数据库中，再通过本地服务器联网同步到与数据库。后道环节中，只需扫一下生产单的电子标签，就可得到生产过程的全部信息，从而实现提高数据采集效率、减少人工录入的易错性和对产品质量的全方位追踪，满足经编车间实时生产数据的实时性和有效性要求。

3 数据处理技术

经编车间生产品种多、变化快，翻改品种频繁，多用户同时操作，另外企业历史生产数据庞大、业务逻辑复杂，导致系统产生并发故障，因此需要制定完善的数据链路层协议，对系统数据库进行合理的设计，并通过ADO.NET数据访问接口对数据进行访问，以提高数据处理效率，从而实现数据共享的目的。

3.1 数据完整性约束

首先，根据收集的数据源抽象出实体对象，再根据实际的业务需求和规则建立各实体对象之间的联系，进而确定各关系之间的约束。实体对象完成任务的前提是明确实体对象的行为，如浏览器对象模型信息的编辑、工序管理信息的录入、原料库存的更新等。同时，由于经编企业实际生产中各个业务对象之间并非完全独立，而是相互关联，如计划排单的调整、原料库存信息反馈、挡车工平均产量的换算等业务规则，而这些规则约束了某些业务对象的属性和关系。为保证生产数据的正确性、有效性和一致性，数据库完整性约束必不可少。完整性约束主要有实体完整性约束、参照完整性约束、函数依赖约束、统计约束4类[8]。

3.2 ADO.NET数据访问技术

在经编MES系统中，用户不直接访问数据库，而是通过ADO.NET数据访问接口对数据进行访问，交互过程如图5所示。ADO.NET技术有二大突出优势：一是能够灵活访问不同类型数据；二是采用中断式访问模式。完成此任务的是由ADO.NET提供的NET Framework数据提供程序和DataSet[9]2个核心组件。NET Framework 数据提供程序包括一系列快速处理数据的对象，如Connection、Command、DataAdapter等。DataSet像一个简单化的关系数据库，用于高速缓存数据。针对任何业务流程的操作，最终都可抽象为对数据库的查询、插入、修改以及删除运算。为避免代码里出现很多SqlConnection、SqlCommand等类和方法，同时为保证后台代码的简洁和可维护性，系统采用微软提供的一个静态类SqlHelper。数据访问功能被封装在SqlHelper类的一组静态重载方法中，需要访问数据库时，调用SqlHelper的静态方法，传入相应参数即可。

图5 ADO.NET的数据访问过程Fig.5 Data access process of ADO.NET

3.3 数据链路层协议

数据链路层(HDLC)能够连接网络层和物理层，是确保数据正确传输的最低协议层。数据链路层主要实现分组转发、确认、差错控制、优先级排队、控制拥塞、控制拓扑等功能。为了提高差错控制，数据链路层将比特流组合成以帧为单位传送，每个帧除了传送信息字段外，还传送标志字段、校验字段等数据，HDLC标准帧格式如图6所示。接收方根据校验码对收到的数据帧进行逐条检测，若发现其中存在错误数据则返回请求重发的应答，应答回传到发送方后，发送方只需解析编码重发对应数据帧，而不用整体数据都重传，这种选择性重传极大的节约了资源，提高了信道利用率。选择性重传的信令流程如图7所示。

图6 HDLC标准数据帧格式Fig.6 Sandard data frame format of HDLC

图7 选择性重传的信令流程Fig.7 Signaling procedure of selected retransmission

4 数据安全性

4.1 权限控制

经编MES系统包含多个模块，为了使系统数据的安全稳定性得到提高，根据经编企业实际需要给系统设定不同管理角色，每个角色拥有一定权限，再将角色分配给用户，角色和用户之间为多对多的映射关系。用户与权限之间不会直接关联，而是由角色分配权限，实现了访问权和用户的分离，极大的简化了权限管理同时保证了数据安全[10]。

4.2 信息摘要算法

对于企业来说，用户信息安全是最重要的，一旦密码被破解整个数据库就存在重大安全隐患。本系统中采用信息摘要算法(MD5加密)技术来解决这个问题，将用户密码经过MD5加密后再存入数据库中，最后当用户登录时对比用户加密口令和数据库密文，两者完全一致时才实现登录。

4.3 存储过程与参数化查询

相比直接使用结构化查询语言(SQL)语句，调用存储过程操作数据可以提高执行的速度，存储过程在调用时只进行一次解析，然后存在内存中，而执行SQL语句每次都要进行解析[11]。为保证程序免受SQL注入攻击，调用全部使用参数化的存储过程，而不是通过字符串的简单拼接。只要存储过程接口不改变，任何对数据库的修改都不会影响web表示层和业务逻辑层，这为系统的修改维护提供了便利。

5 web前端设计技术

5.1 页面无刷新更新技术

为提高客户端/服务器页面交互过程中用户体验，解决请求过程中等待服务器响应的低效、费时，经编MES页面中应用Asynchronous Javascript and XML(AJAX)技术[12]。AJAX技术是一种交互式动态网页开发技术，它通过后台服务器少量的数据交换实现web页面异步更新。经编制造执行系统主要包括车间管理、设备管理、生产计划、疵点统计等功能模块，其中车间管理模块涉及到频繁刷新操作，但发生变化的往往只是页面中的一小部分，如果每次服务器都生成整个页面再返回给客户端，则无形中增加了网络信息传输量，加大了服务器负担。此外，等待期间会出现白屏或者页面闪烁，降低用户体验，因此，利用AJAX异步交互模式，通过核心组件 XMLHttpRequest对象传递数据，然后用JavaScript绑定和处理所有数据。系统应用AJAX技术后，界面显示速度明显提高、服务器负载降低、人机交互体验良好。

5.2 数据可视化技术

经编企业通过传统的数据报表来观察分析生产数据，很难直观看到数据走势及其结构关系，所以经编MES系统的web页面采用HTML5中的Canvas绘图技术来实现数据可视化展示[13]。现在的主流浏览器大部分都支持HTML5标准，基于Canvas的数据可视化模型如图8所示。Canvas技术实质上是在页面中加入1个画布标签，通过JavaScript完成画布中数据操作和图像渲染。通过数据可视化技术，用户可以清晰、直观地看到车间每台机器订单排列情况及当前生产进度、机器在某段时间内的运行效率及停机原因、挡车工工作时间、工作效率及绩效工资统计等，并可以按自己的需求查询出相应的报表，如查询一段时间内某几台机器的运行效率来分析机器故障原因、查询若干挡车工在某时间段内对同一品种订单的生产效率来评估平均生产水平等。

图8 基于Canvas的数据可视化模型Fig.8 Data visualization model based on Canvas

数据可视化通过多维度分析展示经编生产数据，使用户能够高效直观地分析数据关系及其中的隐含信息，为经编企业计划层提供了良好的决策支持，有效衔接了上层和车间制造层之间的信息“鸿沟”。

6 应用情况分析

为验证系统的稳定性和准确性，已将系统应用于浙江海宁某经编企业，该企业正在使用的设备有35台。经过一段时间运行，对比企业实际产量数据和MES系统采集的数据，结果如表1所示，坯布产量精确度相差小于1%，采集终端界面如图9所示，使用系统后生产排单清晰直观，员工绩效、疵点数据、生产进度等数据实时同步，减少了车间管理人员的烦琐劳动。

表1 数据对比Tab.1 Comparison of data

图9 数据采集终端界面Fig.9 Interface of data acquisition terminal

7 结束语

基于ASP.NET的经编MES系统根据经编企业实际情况设计、人际交互友好、易于升级维护，很好地满足了经编车间生产管理的需求。采用一系列数据优化处理和安全性技术保证了系统安全稳定运行，为生产数据的正确有效提供保障。所设计的web前端页面在降低服务器负载的前提下，可实现无刷新更新和实时监测可视化效果，为管理者提供真实有效的决策依据。

FZXB

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