针织装备云平台的构建技术

汪松松， 彭来湖， 沈春娅， 胡旭东

(浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室， 浙江 杭州 310018)

在互联网+和中国制造2025的大背景下，工业机器联网(机联网)以提高企业生产效率、提高自动化水平和作为企业资源计划(ERP)、工业大数据智能化服务的基础平台而迅速崛起[1-3]。现有的针织装备制造企业在设计装备控制系统时，一般尚未提供网络接口，行业上也没有统一的接口标准和通信协议，事实上装备无法互联互通。理论上，工业装备的物联网应以工业以太网为主，配置OPC统一架构(OPC UA)互联互通协议，但是此类网络布局要求高，以中小企业为主的针织生产无法承担工业网络的高成本[4-6]。而从针织装备联网要实现的功能分析，针织生产主要是生产数据的监测，通信的实时性，数据量的要求都不高，因此要建立简约的机联网系统，监测装备的生产数据并将数据发送到云平台，实现基于云平台的智能制造服务。基于此，本文主要讨论在针织行业实现互联互通，设计针织装备网络通信层的网络联接与互联互通协议，将不同装备制造企业开发的针织装备接入到云平台，并通过云存储数据库技术提供信息服务的构建技术。

1 系统结构设计

针织装备云平台主要结合针织装备信息交互和业务功能特点进行建设，属于工业物联网簇的一类[7-8]。针织装备联网的目的是提取装备的生产工作信息、下传工艺数据、监测装备的状态数据等，以监测需求为主。以中小企业为主体的针织生产企业存在装备种类多、规模小、分散分布等特点，所以机联网需要应对多机型、接入端口多样化等问题，因此结构务必要方便布网，又能兼容企业现役设备的多种接口，且成本要求低。

1.1 系统结构

不失一般性，针织网络必须符合ISO/OSI通用架构，网络层次如表1所示。针织装备机联网系统考虑设备接入、网络通信、数据处理和信息服务等基本模块[9-10]，其网络结构如图1所示。

表1 针织装备机联网通信协议栈Tab.1 Communication protocol stack of knitting equipment networking

图1 针织装备云平台系统结构Fig.1 Cloud platform system structure of knitting equipment

针织装备提供商可配置统一的互联网接口，而现役的针织装备可通过数据网关接入互联网络；通过高带宽弥补互联网调度的不足，以满足信息监测需求；制定统一的针织装备互联互通协议以达到数据的统一接入；用统一的云平台取代各企业自建服务器的传统模式，并在云平台上开发制造执行系统(MES)、网络公关系统(ERP)、关系系统(CRM)、办公服务(OA)等服务功能，该方式降低了企业建网和维护成本。

1.2 针织装备接入设计

现役的针织装备都没有统一的物理接口，仅设置有串口(RS232)、串行总线(USB)等直连接口，作为电控系统调试和设置用。当前有线和无线工业网络模块广泛投入物联网使用，其主要接口类型如表2 所示，现役装备的直连接口需通过网关转化为互联网的有线和无线接口，如双绞线接口、WIFI空口等，接入互联网络。

表2 针织装备通信接口类型Tab.2 Communication interface type of knitting equipment

此外，部分针织装备的控制系统受存储和通信能力限制，也制约装备节点直接接入机联网，也应配置互联网转化网关。

2 网络层通信设计

采用无线网络，简单方便，成本低，但是需要设计针织装备应用层的通信协议，以保证云平台机联网的互联互通。

2.1 网络结构

考虑到针织生产车间占地面积大，布置有线连接每台机器成本高，并妨碍装备上方纱筒的摆放，在该云平台机联网的构建中，兼顾到信号的稳定性，保证无线信号的全覆盖，避免无线信道冲突，以高带宽解决通信拥挤，采用无线访问接入点(AP)阵列布局网络。中心节点布局有线接入企业网络，最后通过外网接入云端。网络组建如图2所示。

图2 机联网网络结构Fig.2 Network structure of machine network

2.2 互联互通协议

云平台系统通信数据流如图3所示。以数据云平台为中心，针织装备终端信息通过云平台进行统一转发，并对数据通信内容进行存储与回放，为上层网站系统(WEB)、管理系统、应用程序(APP)等提供数据服务。

图3 通信数据流Fig.3 Communication data stream

建立互联互通协议是针织装备云平台实现信息互通的关键，安全可靠的通信机制和简洁实用的语言格式才能保证针织装备网络互联互通协议能广泛应用。由于针织装备种类多，通信能力差异大，针织装备控制软件对成熟的通信协议包的支持能力有限，以OPC UA为代表的重量级互联互通技术和以消息队列遥测传输(MQTT)为代表的轻量级通信技术并不能直接应用于针织装备的互联互通，但可作为协议制定的重要参考对象，以设计通用性强的针织装备简捷可靠的通信协议。针织装备云平台基于互联网传输，考虑到TCP协议的可靠性，并且TCP通常作为MQTT、可扩展通讯和表示协议(XMPP)、OPC UA等互联互通协议的基础标配，在该云平台设计中，在TCP基础上设计应用层针织装备互联互通协议，以适应圆纬机、横机、经编机与云平台服务器间的通信需求。

基于稳定的TCP握手协议基础，以确保信息无损传输，根据针织装备需要接收云端指令并向服务器传送数据包和相关即时指令，以监测功能需求为核心，通信协议主要指令类型如表3所示。

表3 针织装备通信协议Tab.3 Communication protocol for knitting equipment

通信连接管理：云平台与针织装备终端的连接和登录进行相互授权，通信线路心跳保活，以保障针织数据安全、通畅。

装备数据监测：服务器订阅针织终端数据服务后，针织装备按相应工作频率实时发送针织装备运行数据给云平台，供针织生产企业监测生产状况。

装备远程控制：数据下行管理是针织装备远程控制的基础。通过设置针织装备参数，改变针织装备的运行状态、生产过程等。

装备文件管理和系统管理主要是花型生产文件、系统文件的收发，为针织装备提供生产任务与系统升级文件，也用于针织装备制造企业对针织装备远程维护。

管理系统发送给针织装备的每个数据帧分为指令头信息和指令信息。指令头信息包括：指令序号、指令类型代码、时间戳、装备编号和云平台管理系统编号4部分内容，为定长数据。指令信息部分包括指令代码、参数(代码)，根据指令类型和内容不同，为可变长数据。针织装备相关的所有数据按照功能分成各参数块，在各参数块中再对所包含的参数进行编码，每个参数块中留有扩展空间。在实际应用中，各企业可对操作业务进行个性化补充与裁剪，并设计规范化的操作数，以完善针织装备的数据交互规范。

信息模型是制造装备信息化、智能化的基础。针对参数部分，通过针织装备信息模型实现针织装备参数实例化，包括属性、操作方法及其组件信息，每个组件又包含对应属性及其子组件，针织装备信息模型总体结构如图4所示。

根据圆纬机、横机、经编机3类装备的特点构建以下属性集：

1)组件包括电动机、气阀、选针器等器件；

2)静态对象属性集反映针织装备的类型、厂家、系统属性等静态属性，包括机械信息、主控信息、人机信息、工厂信息等；

图4 针织装备信息模型结构Fig.4 Information model structure of knitting equipment

3)过程对象属性集反映针织装备在实际运行过程中的状态、运行参数等过程信息，包括基本信息、系统参数、面板操作、编织信息、订单信息、产品信息、班次信息、花型信息、文件属性、报警信息等。

4)方法集主要反映针织装备的文件传输、远程调用等。

以针织装备订单信息属性集为例，如表4所示，对订单信息参数块及参数编码，赋予具体参数通用数据类型，确定参数的必要性与读写属性，构建针织装备全部属性集编码与具体数值，完成针织装备通信的数据格式与语义规范。

表4 订单信息数据结构表Tab.4 Order information data structureTable

3 云平台设计

针织装备数据接入到云平台后，涉及数据清洗、转化、分析、存储等业务功能。以服务器集群模式来分工协作处理数据，保证云平台服务器稳定运行，其结构如图5所示。

图5 针织服务器集群结构Fig.5 Knitting server group structure

云平台对上要给MES、ERP等云应用提供可靠的数据服务功能，对下要快速处理针织装备的通信数据。在现有云平台上开发针织装备处理服务器是一种快速、稳定的方案。目前市场拥有如阿里云、百度天工云、中国移动云平台等通用云服务器和西门子、阿里物联网套件等专有云，提供服务(PAAS)功能平台和专用数据库服务器。

针织装备连接到云平台，云平台上架构数据采集、数据处理和MES管理服务器，为企业生产和装备厂家提供服务，并促进企业内各种资源云端化、信息共享和优化配置，以促进资源增值增效。统一云平台屏蔽资源异构性，按需取用资源，使针织管理业务在云平台上互联互通。

3.1 数据交互和处理机制

考虑到针织装备规模大、数据并发性高，需充分发挥服务器多核中央处理器(CPU)的性能，针织数据采集服务器需要支持多进程多任务。开启一个主进程和多个子进程对针织终端提供服务，主进程负责进程管理，通过套接子程序接口(socket)监控子进程，子进程独自监听网络连接终端(client)并收发及处理数据，进程模型简单，使得服务器软件更加稳定、高效，数据采集服务器基本结构如图6所示。

图6 针织装备数据采集服务器结构Fig.6 Data acquisition server structure of knitting equipment

针织互联互通协议指令种类多、运行状态在实时切换，在停车、运行、报警、通信异常、文件传输、点动、装备锁定下接收到的信息含义不尽相同，需要服务器进行判别处理。另外，受网络异构的协议转换差异和网络干扰、入侵等影响，数据预先需要清洗和转化，针对上层企业管理MES、ERP也要进行业务预处理。

3.2 云存储结构

云存储数据库是实现机联网功能的数据核心，涉及生产厂家多，针织装备种类多，数据量大。针织装备的状态、警告、参数改变是非线性变化的，参数数据变化之间并无直接关系，为此采用分布式系统(Hadoop)集群大数据数据库作为针织装备云平台根数据库，存储针织装备终端的非关系数据。而MES、ERP等用户应用数据库主要是实时查询功能，对数据的实时性要求高，为此，云数据库中数据服务部分采用关系数据库来存储Hadoop集群中已整理好的业务关系数据，以减少存储重复数据，提高利用率；针对查询功能的数据表设计时考虑查询速度，设置必要的索引和临时表；采用分厂家分布式建库，根据功能特点建立分级机制。

云数据库架构如图7所示。属性类表为静态数据，针织装备联机时一次存入云数据库系统即可，无需重复存储；针对需要快速查询类的数据，云数据库则根据业务端对数据订阅的周期将状态、速度、产量等数据实时更新，屏蔽历史数据，以提高云平台应用服务的查阅速度；历史数据库则主要供云平台做大数据统计和分析应用；业务类则供云平台应用完成相关管理服务。数据表的设计做到动静分离，实时查询优先调度。

图7 针织装备云数据库结构Fig.7 Cloud database structure of knitting equipment networking

针对针织生产厂家而言，各自数据是互相透明的，各自的数据库包括装备属性表、临时查询表、历史数据表、业务类表等。针织装备关系数据库中各实体间存在一对一(1∶1)、一对多(1∶N)的关系，主要实体-关系(E-R)图如图8所示。

3.3 云服务功能

典型的云服务以针织MES为主，其功能和效率直接体现系统用户对针织装备云平台的效能评价，设计实用可靠的针织MES功能是云服务平台开发的重点[11-13]。

针织MES功能主要有产量与工资计算、故障报警与分析、车间排产、实时信息显示等。排产人员根据各机器的综合生产效率来安排生产计划，如圈数、件数、生产班次、时间、机器、人员、原料等资源分配，系统屏幕显示排产信息和实时生产的产量、时效、装备状态、速度等信息。维修人员可查看机器的报警信息、维护信息、工作时长等，并根据MES系统运行情况给出装备使用建议。

4 实验验证

采用阿里云基础平台，开发针织装备云服务数据交互与处理服务软件，并采用Mysql数据库软件作为云数据库系统。在该平台上开发基于浏览器/服务器(B/S)的MES云服务和手机系统移动APP监测功能，测试用户对机联网应用的体验。针织装备终端将状态与运行参数及时传输给云服务器并进行处理，实验过程中，针织装备运行监控的状态、速度、产量等信息丰富，用户体验无卡顿，该服务可通过针织装备厂商大规模地推广到针织生产企业中。

图8 针织装备关系数据库E-R图Fig.8 E-R diagram of knitting equipment relational database

手机APP主要分为运行监控、订单管理、生产统计、设备管理等以监测为主的功能。运行监控部分是企业生产人员最希望获得、使用频率最高的数据，并设定为首页，包括设备状态(运行、停车、维护、故障、报警、关机等6大类)、装备机号、实时产量/预设产量、效率、时速/最高速度等；订单管理则主要实现对花型生产任务的监控，并能向针织装备下发花型文件；生产统计则主要对班次、时间、产量进行统计分析，以识别影响针织生产的关键要素，获得改进方案；设备管理则主要面向针织装备维护人员与设备厂商，实现针织装备的保养维护、参数设置等功能。

针织装备终端将状态与运行参数及时传输给云服务器并进行处理，试验过程中，针织装备运行监控的状态、速度、产量等信息丰富，用户体验无卡顿，可推广到针织生产企业中。

5 结 论

通过对针织装备云平台的构建研究和实践应用，在此基础上设计了针织装备互联互通协议，为针织行业的智能制造平台建设提供支撑。得到的主要结论如下。

1)提出了一种针织装备机联网结构，可应对多机型、接口多样化等特点，采用数据网关，兼容企业现役设备的多种接口，方便布网且低成本的联网方案。

2)建立了针织装备云平台，针织装备通过云平台互联互通，实现了以针织MES为主的云服务。

3)设计基于云平台的管理系统，通过企业实际运行，验证了该平台功能的可用性，云平台为针织生产企业提供了智能制造大数据基础。