智能車間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭嘉怡 謝豆 鄒欣欣 劉文軍

摘要：當(dāng)前制造業(yè)車間生產(chǎn)更加注重對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)以提升安全性和環(huán)保性。綜合運(yùn)用傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、邊緣網(wǎng)關(guān)以及云端處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了對(duì)車間環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析智能化平臺(tái)，以溫度、濕度、氣壓值等環(huán)境特征作為參數(shù)對(duì)象，對(duì)車間設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過聲光予以實(shí)時(shí)警示。邊緣端分析和處理的結(jié)果能夠遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)平臺(tái)，服務(wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。系統(tǒng)的開發(fā)能夠幫助排除安全隱患，提高工業(yè)智能化水平。

關(guān)鍵詞：綠色車間;邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣服務(wù)器;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);能耗分析

中圖分類號(hào)：TP399 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The current manufacturing workshop production pays more attention to the monitoring of the production process to improve safety and environmental protection. Comprehensive use of sensor technology， wireless communication technology， edge gateway and cloud processing technology， designed an intelligent platform for real-time monitoring and analysis of the workshop environment and equipment status， using temperature， humidity， pH and other environmental characteristics as parameter objects， to the workshop Real-time monitoring of equipment status， and real-time warning through sound and light. The results of analysis and processing at the edge can be sent to the cloud service platform remotely， and the server can visualize the data. The development of the system can help eliminate potential safety hazards and improve the level of industrial intelligence.

Key words： green workshop; edge gateway， edge server; real-time monitoring; energy consumption analysis

1 引言

《中國制造2025》將綠色發(fā)展作為未來主要發(fā)展方向之一，明確提出全面推行綠色制造的要求，綠色車間成為生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色制造的主要方式。傳統(tǒng)車間采用人力監(jiān)測(cè)，一方面造成對(duì)人力資源的浪費(fèi)，另一方面采用人力監(jiān)測(cè)由于部分特別車間內(nèi)不穩(wěn)定因素?zé)o法確定，造成不必要的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及云端技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)車間進(jìn)行智能化改造以提升安全性和能效已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。在車間內(nèi)通過邊緣計(jì)算模式設(shè)計(jì)的智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠有效提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和隱私性[4-5]。本設(shè)計(jì)選擇車間生產(chǎn)過程中典型的溫度、濕度、氣壓等設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一套車間環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化平臺(tái)。采集車間內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋處理再將數(shù)據(jù)以及異常日志發(fā)送到云服務(wù)平臺(tái)，云端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，最終實(shí)現(xiàn)可視化。通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可視化界面，使相關(guān)人員能夠更方便，有效的監(jiān)控車間內(nèi)環(huán)境，提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度和信息準(zhǔn)確化。系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)記錄有效地減少了人工判斷的誤差，同時(shí)避免了不必要的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失。

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于邊緣計(jì)算的智能車間監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)分為邊緣端、云端兩大部分。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1）設(shè)備傳感層

該層負(fù)責(zé)接入設(shè)備，設(shè)備開啟后，專用傳感器（氣體，溫度，濕度，位移等傳感器）開始監(jiān)測(cè)綠色車間內(nèi)環(huán)境安全，耗能（用電量），設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況等。車間內(nèi)部通過RS485和ZigBee將不同類型的傳感器、執(zhí)行器接入到邊緣網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及傳感器數(shù)據(jù)的收集，如圖2所示。

2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層

該層基于邊緣網(wǎng)關(guān)。設(shè)備開始工作后，在傳感器、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至云端時(shí)在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常處理然后再傳輸至云端，云端數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步于本地?cái)?shù)據(jù)庫。

3）監(jiān)控應(yīng)用層

該層部署在服務(wù)器端，智能車間數(shù)據(jù)來源于服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫，通過系統(tǒng)平臺(tái)將數(shù)據(jù)可視化，相關(guān)人員瀏覽可視化界面實(shí)時(shí)監(jiān)控綠色車間內(nèi)環(huán)境安全、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

本平臺(tái)以對(duì)車間實(shí)時(shí)檢測(cè)為主要應(yīng)用目標(biāo)，功能上包含為數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析以及展示，主要功能如圖3所示。

1）設(shè)備管理

當(dāng)用戶登錄系統(tǒng)后顯示為設(shè)備管理頁面，在設(shè)備管理頁面中可進(jìn)行添加設(shè)備并且可點(diǎn)擊設(shè)備調(diào)試頁面對(duì)新增設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，包括將指定設(shè)備刪除、修改以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行的控制。

2）用戶管理

綠色車間監(jiān)測(cè)平臺(tái)就有完善的用戶管理功能，平臺(tái)可由技術(shù)人員、管理人員以及普通用戶進(jìn)行操作，但所面對(duì)不同的用戶，開放相應(yīng)權(quán)限的功能。用戶權(quán)限的設(shè)置及添加可由系統(tǒng)管理員修改和管理。

3）能效管理

將傳感器、設(shè)備的信息進(jìn)行集中采集，對(duì)獲取到的信息進(jìn)行顯示，分析，預(yù)測(cè)、控制及監(jiān)控，通過對(duì)數(shù)據(jù)的整合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

整個(gè)平臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的通訊協(xié)議進(jìn)行打包，通過串口將打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元所需要的格式，數(shù)據(jù)單元應(yīng)該包含的數(shù)據(jù)和含義以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的順序，從而確保數(shù)據(jù)之間能夠順利地傳送到確定的地方。同時(shí)串口接收控制命令，根據(jù)統(tǒng)一的通訊協(xié)議進(jìn)行解析，根據(jù)解析后的命令對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，表1給出了通信協(xié)議格式。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

系統(tǒng)使用RS485和ZigBee兩種通信模式實(shí)現(xiàn)車間中不同類型的設(shè)備接入。RS485協(xié)議在車間中普遍應(yīng)用，用于有線方式獲取數(shù)據(jù)采集設(shè)備上傳的各種數(shù)據(jù);利用Zigbee組網(wǎng)安全、低能耗的特點(diǎn)，將包括紅外傳感技術(shù)以及其他感知的新型傳感技術(shù)設(shè)備能夠無縫的融入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的信息交換及進(jìn)一步的監(jiān)控管理。

利用邊緣網(wǎng)關(guān)在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫酥跋仍谶吘墏?cè)完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理和分析、通訊與數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化以及實(shí)現(xiàn)兼容新節(jié)點(diǎn)接入的能力。數(shù)據(jù)通過邊緣網(wǎng)關(guān)首先進(jìn)行處理分析減少了網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載，有效降低數(shù)據(jù)處理延遲以及大量的垃圾數(shù)據(jù)占用資源。此外，邊緣處理對(duì)于車間隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)也有積極作用。

3.3 數(shù)據(jù)分析與處理

將傳感器、設(shè)備獲取到的數(shù)據(jù)通過通信協(xié)議約定的格式進(jìn)行打包并上傳，利用邊緣網(wǎng)關(guān)首先對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷并做出處理，故障處理邏輯如圖4所示。當(dāng)接收數(shù)據(jù)值超過預(yù)期設(shè)定閾值還將聯(lián)合執(zhí)行器做出聯(lián)動(dòng)處理，聯(lián)動(dòng)處理邏輯如圖5所示。邊緣服務(wù)器匯總車間數(shù)據(jù)，通過本地處理終端對(duì)執(zhí)行器、車間設(shè)備發(fā)送處理指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)作。

處理過后的數(shù)據(jù)以及異常數(shù)據(jù)（日志）都將上傳至云端，在云端進(jìn)行進(jìn)一步大數(shù)據(jù)分析。同時(shí)云端數(shù)據(jù)庫（如MySql）的數(shù)據(jù)也會(huì)同步到本地?cái)?shù)據(jù)庫，Web服務(wù)器可通過對(duì)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問進(jìn)行可視化展示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智能車間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于硬件和軟件的融合開發(fā)，其中對(duì)傳感器以及設(shè)備傳來的信息進(jìn)行處理后對(duì)數(shù)據(jù)展示，當(dāng)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)邊緣網(wǎng)關(guān)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。云平臺(tái)端使用Java語言進(jìn)行開發(fā)，通過消息組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。Web端采用Spring MVC框架實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)分離，提供數(shù)據(jù)顯示界面。如圖6車間在中午12：00時(shí)溫度超過閾值，邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)啟動(dòng)工廠空調(diào)進(jìn)行降溫處理，且大屏調(diào)出設(shè)備所在車間攝像頭查看實(shí)時(shí)情況。從圖6中可以看出下午13：00時(shí)車間的溫度已經(jīng)下降到27攝氏度。如圖7給出夜間21：00時(shí)空氣濕度大于閾值，高濕度會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)定義的處理邏輯，邊緣網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，下發(fā)解決異常處理命令，打開排風(fēng)扇以及恒溫器保持空氣濕度保持50%以下。從圖示例中可以直觀地看出系統(tǒng)對(duì)設(shè)備以及車間環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化聯(lián)動(dòng)處理，有助于提升車間的自動(dòng)化管理水平，有效減少車間機(jī)器事故的發(fā)生并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的。

5 結(jié)論

針對(duì)工業(yè)智能車間監(jiān)測(cè)典型應(yīng)用的實(shí)際要求，給出了基于邊緣計(jì)算的智能車間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先給出了系統(tǒng)的架構(gòu)，主要構(gòu)成模塊及系統(tǒng)功能;然后給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，包括系統(tǒng)采集與發(fā)送、數(shù)據(jù)接收與反饋、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議等;最后給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)智能車間的監(jiān)測(cè)應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)了一條從數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理和數(shù)據(jù)可視化的完整鏈路。初步應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好、性能穩(wěn)定，能夠較好地滿足實(shí)際應(yīng)用需要，提高了車間的智能化水平。

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