基于微信的1580产线设备移动管理平台设计与实现

徐承赢 王 蕾 郭钰瑶 董浩然 夏绪辉

(武汉科技大学冶金装备及控制教育部重点实验室 湖北 武汉 430081)

0 引 言

近年来，随着我国经济发展进入新常态，钢铁行业发展环境发生了深刻变化，处于转型升级的关键时期，多数钢铁企业为了摆脱困境，实现制造强国的目标，开始细化落实《智能制造“十三五”发展规划》中智能发展的基本方针，明确提出在“十三五”期间要推进信息技术与制造技术深度融合，提高企业智能化水平和核心竞争力，利用智能技术打造“互联网+”的产业生产体系。设备智能化管理作为钢铁企业实现智能升级的核心，成为钢铁企业关注的重点。

目前，企业内部的大多数设备管理及调度平台都是基于内部集成控制系统，可视化及管理终端为电脑。Tyrin等[1]设计了一种对车间内生产资源进行实时调度与控制的多智能体系统(Multi-Agent System，MAS)，并在实际车间进行实施与应用。Abrishamkar等[2]提出了一种基于TCP/IP的控制和监控系统，能够提高企业的自动化程度。方磊等[3]设计并开发了能对数字化车间的生产状态信息进行实时监控、继承和处理的监控系统，并在实际的离散型制造企业中验证了其有效性。目前，设备移动管理平台相对较少，少量已有平台主要为基于Android的独立App系统，如谭海红等[4]设计出一种基于Android的远程监控系统，利用Wi-Fi和Socket机制UDP协议技术实现了移动终端与中心控制器的通信，并在数控机床车间得到了应用；李超等[5]提出了基于制造执行系统的离散车间生产管理模型，通过引入安卓移动终端的信息推送等相关技术，对车间的生产活动进行远程监控和管理。已有的以电脑为终端的管理平台灵活性不足，而基于Android的独立App因移动设备系统的约束，导致其普适性较微信公众平台要弱。

据此，本文提出一种基于微信的1580产线设备移动管理平台，该平台实时性强，响应速度快，支持并发操作，能够以一种更加高效的方式进行产线设备的管理。这一方面能提高设备实时管理效率，更能提升车间生产活动的智能性和柔性，从而促进企业的转型发展。另一方面，该平台能很好地集成微信的普适性、便利性、实时性等优点，使其开发成本更低，适用性和推广性更好，为进一步应用信息化和互联网技术构建多类型的智能生产及设备管理平台提供借鉴和参考。

1 相关技术

1.1 MINA框架

微信小程序的页面呈现是基于微信小程序开发提供的MINA框架。MINA框架可以分为逻辑层、视图层和系统层三个部分[6]，如图1所示。微信小程序内容具体是由全局文件、页面文件和工具配置文件组成。微信小程序的全局配置保存在app.json文件中，该文件主要包含以下3个配置。

(1) pages：页面路径的数组，接收一个数组，对应每一项都是字符串，表示小程序要加载的所有页面，每一项代表对应页面的【路径+文件名】信息。

(2) window：框架样式(状态栏、导航条、标题、窗口)，用于设置框架样式等对象的背景色、内容属性，非必填配置项。

(3) tabBar：可设置顶部或底部菜单，通过tarBar配置项来指定小程序标签页的表现以及标签页切换时所显示的对应页面。

图1 MINA框架

微信用于设备管理的优势是通过微信平台及时获取与1580热轧生产线设备有关的全部文档和信息，对车间设备信息状态管理，便于管理人员对设备进行及时维护[7]。

在平台上能够及时查询到班组人员与生产调度信息，对设备运行数据的统计与储存[8]，为管理人员下个月的排产提供依据。

1.2 MDC系统功能

MDC系统主要功能有：同时自动采集数百台自动化、半自动化设备的数据；兼容绝大多数的控制系统；可从网络上任何计算机终端监控所有设备的状态；为用户提供OEE等各类专业报表。因此对各个1580产线的设备可进行实时、高效、统一的采集。MDC的采集方案是系统硬件通过通信协议解析和数据转换，统一转换为TCP/IP以太网传输协议，针对不同的设备有不同的采集方案，大致可以分为通过设备本身接口、PLC采集、外置硬件采集、条码扫描等。

MDC系统软件在硬件基础上对数控设备进行实时、自动、客观、准确的数据采集，实现生产过程的透明化管理[9]，以OPC(object linking and embedding for process control)协议形式提供数据。工作流程MDC协议解析主流程如图2所示。

图2 MDC协议解析流程

2 基于微信的设备移动管理平台总体设计

2.1 设备移动管理平台设计

1580车间整个工序的简要过程为修磨、板坯称重，加热、粗轧高压水除磷，进热卷箱保温后飞剪切头尾、精轧、层流冷却，成品入库。车间生产设备包括修磨机1台、推钢机1台、出钢机1台、加热炉1台、高压水除磷机2台、粗轧机1台、热卷箱2台、飞剪机2台、精轧机7台、水冷装置6台、层流冷却装置1台、地下卷取机2台、称重机2台、辊道12台。该车间具备数字化生产条件，但设备众多，设备信息孤岛现象明显，可追溯性差。

经反复研究设计，结合钢铁企业热轧1580智能车间升级改造需求[10]，设计基于MDC(Manufacturing Data Collection & Status Management)[11]的1580产线设备移动管理平台，该平台的体系拓扑结构如图3所示。

图3 基于MDC的1580产线设备移动管理平台体系拓扑结构

基于MDC的1580产线设备移动管理平台体系拓扑结构在传统MDC的基础上，融入云制造和移动物联管理的理念，平台系统的硬件设施由MDC服务器、数据库服务器、Web服务器、路由器、交换机、微信客户端和微信公众平台七部分构成，拟实现集设备基本信息查询、设备状态实时监控、车间人员管理于一体的1580产线设备移动管理。

2.2 设备移动管理平台接入系统架构

设备移动管理平台接入系统采用基于物联网的设备接入架构，实现从底层设备接入和信息互联管理[12]。该接入系统架构，通过物联网采集终端获取设备运行状态、生产环境等数据，设备的实时位置信息可以通过短信、邮件等方式实时推送，也可通过平台进行准确查询和定位显示。物联接入系统共由四部分组成(物联网设备端、物联网设备云平台端、物联网Web后台服务器、用户端)，如图4所示。

图4 设备移动管理平台物联接入系统架构

1580产线设备采用了网关接入网络：终端设备通过Zigbee无线组网，且Zigbee网关将各设备数据统一接入到网络里面。由于物联网终端设备不具备入网能力，需要在本地组网后，统一通过网关再接入到网络。

2.3 基于微信平台的物联网架构

手机/微信客户端、微信公众平台/硬件平台、第三方厂商云后端、Wi-Fi设备终端和蓝牙设备终端是基于微信硬件平台的物联网架构组成部分。

腾讯向开发者和大众提供公众平台与硬件平台，经过airsync/airkiss定义的硬件外设协议供硬件设备接入。

Wi-Fi模组的供应商提供socket通信接口，用户不直接与Wi-Fi设备交互，所有交互均通过Wi-Fi设备商的云后端间接进行。蓝牙微信模块支持airsync协议，此协议允许蓝牙设备与微信客户端通信，包括设备的发现、绑定、登陆、初始化、接收用户指令、主动发送消息等过程，并支持通过微信客户端传到远程服务器，如图5所示。

图5 基于微信硬件平台的物联网架构

2.4 移动平台工作流程

拥有移动设备的管理者通过扫描二维码或者搜索小程序名称进入本平台。管理者在移动终端发出的请求会传送到微信服务器端，微信服务器再将处理后的请求转发至企业数据端[13]。数据端对请求进行解析和处理，将其返回至微信服务器端，服务器端将最终的处理结果返回移动终端，整体流程如图6所示。

图6 系统整体流程

整个系统包含三层：传感器感知和数据采集层、云平台与大数据分析层、应用显示层。主要内容涵盖了1580设备运行参数及感知层数据采集、基于分布式控制系统(DCS)的分布式闭环控制、云平台大数据分析、相关的接口/协议/标准等。

本平台拟采用智能化设备管理思想，从设备全生命周期管理出发，以设备预知性维护策略及生产计划排程为核心，结合物联网、数据挖掘和云计算等技术实现设备的智能感知、维护、实时预警和高效集成。

物联感知层：该层通过网络区域内的节点采集生产现场的设备数据，包括：设备环境数据、状态数据及生产运行数据。区域内数据节点涉及的传感设备种类较多，包括各类传感器、摄像头、移动终端及仪器仪表等采集装备。

物联网络层：该层主要用于提供上传设备数据到云平台存储中心所需的网络环境，包括有线网络、无线网及因特网，并实现网络之间的自由切换和无缝对接。通过将物联感知层的数据快速传递至云平台存储服务器，实现全网通信。此外，在网络层设计面向不同设备类型的泛接入通信协议XM2M以及各种传输协议(如TCP、UDP、MPI等)，支持不同类型设备的接入。

云平台层：云服务平台层是整个平台架构的核心，主要提供数据接入、存储、计算、监控和管理等服务。该层包括平台运行所需的软硬件组成和各种研发要素，构建统一的基于云服务的硬件平台、软件基础平台、数据库平台，并通过整合各个应用功能软件实现平台开放式数据接口服务。此外，该层还提供设备数据挖掘服务，通过集成各种预测算法实现设备数据更深层次的挖掘分析，为后续的智能应用与决策提供有力保障。

应用层：该层基于数据挖掘模块获得的知识信息，针对各种业务需求提供相应的支持服务，包括设备健康状态管理、设备管理及优化、远程诊断、故障分析等核心功能应用。

物联网接入系统与MDC系统对接，将物联系统集成数据传入平台数据挖掘模块，实现对设备故障情况、潜在隐患、异常征兆与劣化信息进行预测，及时做出故障分析、诊断和评估。此外，挖掘结果可基于可视化方法生成设备运行状态、异常预测、故障分布趋势等图表。将上述可视化信息实时推送给设备维修部门，通过分析及时掌握设备运行情况和故障解决方案，并实施相应的工作调度和安排，指派维护人员及时赶到现场维修，从而达到提高设备生产效率、降低设备故障率，以及实现设备管控PDCA循环的目的。

2.5 平台功能模块设计

基于微信的1580产线设备移动管理平台的功能分为用户管理、车间设备信息管理、设备运行数据管理和系统管理4部分，功能结构如图7所示。

图7 1580产线设备移动管理平台功能模块

(1) 用户管理功能模块，主要对平台用户的基本信息、权限等进行管理。平台用户大多数为设备管理维修人员。管理维修人员将个人账户、个人信息及所负责设备进行绑定，中层管理者可以对这些信息进行统计和查询。

(2) 车间设备信息管理功能模块，主要用于设备基础信息管理和设备关联文档信息管理，针对1580热轧生产线设备这种资源设备密集的特点，对车间内所有设备进行统一方式编号，并提供以设备编号为唯一ID的设备文档和信息跨时空的实时查询功能，包括设备的采购凭证、安装文件设备检查凭证、保养说明书和改造凭证等。

(3) 设备运行数据管理功能模块，是该平台的核心，主要功能包括设备运行状态管理、设备综合效率(Overall Equipment Effectiveness，OEE)数据的统计与分析，设备维修管理和设备数据报表管理。设备运行状态数据统计对于整条热轧生产线来说具有非常重要的意义。通过数据统计，了解每台设备的作业率。对于作业率超高的设备，有必要在制定生产计划时对其进行调整，避免超负荷工作，同时做好保养与维护的工作；对于作业率低的设备，要查明其原因，如设备或零件老化磨损或生产排程等其他人为因素，及时采取措施解决，从而提升设备综合效率。这些数据都储存在数据库中，中层管理人员可以每月将设备的运行数据进行导出，从而为下个月的排产提供依据。

(4) 系统管理功能模块，包含系统维护、系统权限、系统菜单管理、系统安全管理四个模块。其中：系统维护是对系统的性能、系统运行状态进行检查及时解决问题确保系统正常运行；系统权限是指系统具备用户认证功能，避免因权限控制缺失或操作不当引发的系统风险；系统菜单管理中管理员可从数据库获取所有用户和1580平台设备信息进行合理设置其菜单项并提交保存；系统安全管理是为了防止非法访问者访问数据资源，保障云平台的安全性。

2.6 基于influxDB的时序数据库设计

传统模式下1580产线设备出现故障无法及时发现和解决，导致设备工作效率低，运行成本高。因此，为了保障故障数据记录与追踪的功能需求，1580产线设备移动管理平台数据库要求包含故障前后一段时间的故障设备的全部运行数据，并存储1年用于数据追溯。对此，普通关系型数据库往往无法满足，或需采用复杂的代码来实现。而相比关系数据库，时序数据库能够满足海量数据存储需求，给上层应用提供支撑，如：海量存储、加速查询服务，通用的SQL访问接口等。同时，基于时序数据库可实现故障数据记录，其记录数据精度可达到毫秒级别，从而具备对数据存储及高效访问应用引擎的支持能力。

考虑1580产线设备涉及数据类型多、数据量大，为了打破信息孤岛，实现各系统数据共享，建立多系统集成模型，通过平台管理MDC系统数据对数据库进行重新设计。设计的系统主要依赖InfluxDB时序数据库提供存储，借助其快速存储特性，确保1580车间设备信息实现高速存储。同时，设备有关的大部分数据都能直接或间接地与时间戳挂钩，从而提高1580产线设备管理平台上人员、产品、设备及生产过程中重要信息的数据库管理效率和精度，优化数字化加工车间相关生产需求数据库表格和数据关系。

3 平台功能实现

(1) 登录页面的实现。登录界面，作为一个独立界面，需要在pages目录下新建一个文件夹。新用户先点击“注册”新的账号和密码。已注册用户可直接输入账号和密码“登录”管理平台。用户点击“登录”或“注册”按钮，触发事件，通过bindtap方法使页面分别跳转至管理平台的首页或用户注册页，详情页和功能时序图分布如图8、图9所示。

图8 登录页面

图9 用户管理时序图

(2) 今日排产与检查班组信息查询功能。用户登录后，进入首页，可查看1580生产线情况，因其每天的生产任务和班组执行检查的任务不同，需要每天进行修改和更新。因此管理人员通过微信小程序文件在checkdetail和groupdetail文件下的.wxml文件对“今日排产”和“检查班组”详情页进行修改。其首页如图10所示，详情页如图11和图12所示。

图10 首页 图11 今日排产页 图12 检查班组页

(3) 检查与维修功能。检查与维修按钮在首页下方，点击相应的按钮，小程序会分别跳转至“pages/checkdetail/checkdetail”和“pages/repairdetail/repairdetail”路径下。检查员和维修员根据设备的实际情况填写检查单和维修单，最后提交。检查单、维修单和维修时序图分别如图13-图15所示。

图13 检查单页 图14 维修单页

图15 维修模块时序图

设备页中可对1580产线设备进行实时搜索查询，如图16所示。在详情页中包含设备基本信息、设备关联文档两部分。基本信息涉及设备编号、名称、生产商和状态等。关联文档中有设备的采购凭证、安装凭证、保养说明书和改造凭证。设备信息详情页如图17、图18所示。

图16 设备详情页 图17 设备基本信息 图18 设备关联文档

(4) 我的页面的实现。在“我的”页面中，包括管理者的全部信息，并且可以进行修改，如图19所示。

图19 我的页面

4 关键技术应用

4.1 微信全局配置

基于微信的1580产线设备移动管理平台实现的关键，是合理地进行微信小程序的app.json全局配置，主要包括Pages配置、TabBar配置和Window配置。

(1) Pages配置项。Pages配置项作为小程序必配项，其主要用来定义组成微信小程序的所有页面。Pages项是一个Array参数，Array里的各项分别对应pages目录下的文件夹名称，且均为字符串类型的参数。数组里的第一项默认为启动小程序的第一个页面。开发者在Page里新建文件夹后，微信开发者工具会自动在pages配置项Array中增加一项；若要删除页面，则需删除Array中对应项，否则开发工具会报错。本套小程序的pages配置项代码如下：

{

"pages": [

"pages/index/index",

"pages/huangjiahu/huangjiahu",

"pages/qingshan/qingshan",

"pages/shapingba/shapingba",

"pages/machinedetail/machidetail",

"pages/relatedfile/relatedfile",

"pages/taskdetail/taskdetail",

"pages/groupdetail/groupdetail",

"pages/checkdetail/checkdetail",

"pages/repairdetail/repairdetail"

],

}

(2) TabBar配置项。TabBar配置项可以使用户在主页的不同页面之间方便地进行切换，同时允许开发者灵活地设置TabBar和其样式，以满足实际的需求。需要设置的每一页面都存放在TabBar配置项的list数组中。在数组中必须定义页面路径pagePath和Tabbar上面的文字text。开发者可以根据需求自行设置选中与未选中Tabbar时的图标icon。本平台采用“首页”、“设备”和“我的”三个Tabbar页面。

(3) Window配置项。Window配置项用于设置小程序顶部窗口。因其设置在app.json中完成，会对小程序包含的所有页面进行渲染。本套小程序Window配置项代码如下：

"window": {

"backgroundTextStyle": "dark",

"navigationBarBackgroundColor": "#000",

"navigationBarTitleText": "1580产线智能设备管理",

"navigationBarTextStyle": "white"

}

4.2 基于WebSocket的模块通信技术

WebSocket是一种标准协议，可以实现Web浏览器和服务器之间的实时双向通信技术，它是基于TCP的一种独立实现[14]。在TCP协议中，MDC作为平台核心部分，分别与其他各个模块通信，WebSocket实现了浏览器与服务器双全工(full-duplex)通信。

4.3 物联网接入方式以及网络通信方式

在物联网设备里面，物联网网关是另一个重要角色，一个处在本地局域网与外部接入网络之间的智能设备。主要功能是网络隔离、协议转化/适配、数据网内外传输。典型的物联网网关架构如图20所示。

图20 物联网网关架构

5 结 语

本文针对1580热轧生产线车间内设备管理效率低、移动设备管理平台缺乏的问题，设计一种基于微信小程序的1580产线设备移动管理平台。

(1) 明确了设备管理的重要性与主要内容，借助微信小程序开发工具，形成了车间设备管理移动平台的总体框架。

(2) 提出一种基于MDC系统上物联网的设备智能化管控云制造平台方案，结合influxDB的时序数据库设计，建立了能进行数据智能采集、多维分析、实时预警、高效维护等功能为一体的全方位管理平台；实现了1580热轧生产线人员对车间设备的实时监控和维护管理，提高了生产管理人员对生产计划和调度信息管理效率和准确性。

该平台的设计，建立了一种符合企业管理模式的设备管理体系，创新性地将物联网、云计算、人工智能等信息技术和先进的设备管理知识结合起来，为其他综合产线设备移动管理平台设计提供参考和借鉴。