面向紡織企業(yè)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐麒麟，彭來(lái)湖，戴 寧,2，陳為政

(1.浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院(國(guó)際絲綢學(xué)院)，浙江 杭州 310018)

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1 引言(Introduction)

在“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略指導(dǎo)下，我國(guó)紡織行業(yè)正在加快從機(jī)械化、自動(dòng)化向信息化、智能化轉(zhuǎn)型。在紡織企業(yè)中，紡織設(shè)備不僅是生產(chǎn)工具和設(shè)備，更是車間信息網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、統(tǒng)計(jì)、分析和反饋，將結(jié)果作用于改進(jìn)制造過(guò)程，將大大提高制造過(guò)程和加工過(guò)程的集成性，從而提升產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和效率。而國(guó)內(nèi)紡織企業(yè)車間環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)難，信息化程度較低，難以保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)滯后且不準(zhǔn)確，目前的一系列轉(zhuǎn)型并沒(méi)有為紡織企業(yè)人員的工作效率帶來(lái)實(shí)際上的提高。

馬陳燕等在每臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備上加裝控制器和傳感器，并通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的采集和數(shù)據(jù)可視化，提升了企業(yè)信息化管理水平。李自納等通過(guò)傳感器采集織機(jī)振動(dòng)信號(hào)的能量矩建立網(wǎng)絡(luò)模型，并通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)織機(jī)故障的實(shí)時(shí)診斷，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。許京通過(guò)SQL數(shù)據(jù)挖掘工具建立基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的決策樹(shù)模型，通過(guò)有針對(duì)性地對(duì)車間維度、班次維度、織機(jī)類型、生產(chǎn)品種、緯密、織機(jī)速度等方面進(jìn)行改革決策，進(jìn)而有效提高了噴氣織機(jī)的效率。馬陳燕、李自納、許京等人雖然在一定程度上提高了車間信息化程度和生產(chǎn)效率，但其研究一般需要額外增加多類傳感器，所需數(shù)據(jù)種類繁雜且實(shí)施難度及成本較高，目前在紡織領(lǐng)域未見(jiàn)相似研究在企業(yè)進(jìn)行真正落地應(yīng)用推廣。針對(duì)蘭溪市紡織業(yè)生產(chǎn)需求，本文提出一種適用于異構(gòu)紡織車間的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析于一體，以提高紡織企業(yè)信息化、智能化水平，在一定程度上提高了車間生產(chǎn)效率，增加了企業(yè)利潤(rùn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)(System design)

2.1 需求分析

紡織企業(yè)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于紡織設(shè)備數(shù)據(jù)、工業(yè)能源數(shù)據(jù)和車間環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)?？椩焐a(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)采集是當(dāng)前設(shè)備實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、使用過(guò)程數(shù)據(jù)等產(chǎn)品全流程周期數(shù)據(jù)體系的基礎(chǔ)，總體可分為設(shè)備數(shù)據(jù)信息、環(huán)境參數(shù)信息、能耗參數(shù)信息、質(zhì)量參數(shù)信息四大類數(shù)據(jù)的采集。

因此，紡織企業(yè)信息化改造的重點(diǎn)在于構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建中小型企業(yè)快速組網(wǎng)接入的構(gòu)架，設(shè)計(jì)紡織工業(yè)數(shù)據(jù)采集集成方案，完善開(kāi)發(fā)適應(yīng)各種異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和裝置，解決海量數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)織造企業(yè)設(shè)備生產(chǎn)信息及企業(yè)內(nèi)部信息的互聯(lián)互通。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

首先搭建企業(yè)本地化網(wǎng)絡(luò)，部署企業(yè)大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)囬g內(nèi)各種環(huán)境數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸。針對(duì)紡織企業(yè)生產(chǎn)流水線車間的異構(gòu)性和紡織設(shè)備類型繁多的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用高并發(fā)的分布式云邊協(xié)同數(shù)據(jù)采集方案，如圖1所示。該系統(tǒng)框架由邊緣端和云計(jì)算端組成，邊緣端提供紡織車間數(shù)據(jù)采集解決方案，支持多種工業(yè)傳輸協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，并搭建紡織企業(yè)本地化數(shù)據(jù)庫(kù)，為企業(yè)提供本地化管理、應(yīng)用等；云計(jì)算端通過(guò)加密數(shù)據(jù)幀接收邊緣端處理完成的原始數(shù)據(jù)，結(jié)合紡織工藝的特點(diǎn)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析挖掘，為企業(yè)提供全流程紡織車間數(shù)據(jù)信息化、設(shè)備管理、生產(chǎn)優(yōu)化等服務(wù)。

圖1 云邊協(xié)同總體框架Fig.1 The overall framework of cloud-edge collaboration

系統(tǒng)采用混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，易于新設(shè)備快速入網(wǎng)，如圖2所示。其接入層使用串口服務(wù)器采集盒協(xié)同5G工業(yè)路由器接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，中間層采用工業(yè)交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)下行連接串口服務(wù)器采集盒，上行連接數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集軟件采用多線程輪詢的方式通過(guò)socket與串口服務(wù)器采集盒通信完成數(shù)據(jù)交互。串口服務(wù)器采集盒加裝WiFi、4G模塊，加持5G工業(yè)路由器以保證設(shè)備快速、高效傳輸，解決車間布網(wǎng)難、設(shè)備入網(wǎng)難等問(wèn)題，適配紡織企業(yè)復(fù)雜的車間環(huán)境。

圖2 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Enterprise network topology

2.3 業(yè)務(wù)主體設(shè)計(jì)

解決紡織車間設(shè)備入網(wǎng)難題后，首要的需求是與異構(gòu)紡織設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，這要求該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持紡織設(shè)備的通信協(xié)議。經(jīng)過(guò)大量分析研究可知，紡織企業(yè)所采用設(shè)備涉及國(guó)內(nèi)外近幾十年生產(chǎn)的先進(jìn)設(shè)備，自動(dòng)化水平較高，具有通信功能，但國(guó)內(nèi)紡織企業(yè)中的設(shè)備中仍有少數(shù)舊設(shè)備自動(dòng)化水平較低，不具備通信功能。針對(duì)少數(shù)不具備通信功能的設(shè)備可外接設(shè)備顯示器中的傳輸線進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示器中數(shù)據(jù)的采集，針對(duì)具有集成采集系統(tǒng)的紡織設(shè)備可采用爬蟲(chóng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的獲取。

經(jīng)分析研究，紡織工業(yè)通信以Modbus、Modbus TCP與工業(yè)OPC為主，Modbus協(xié)議依靠應(yīng)用層報(bào)文傳輸，分為ASCII、RTU、TCP三種報(bào)文類型。標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議物理層接口有RS232、RS422、RS485和以太網(wǎng)接口，采用master/slave方式通信，主設(shè)備請(qǐng)求查詢消息，從設(shè)備回應(yīng)消息。工業(yè)OPC是一種高效、可靠、開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)備和應(yīng)用程序間提供接口標(biāo)準(zhǔn)，使其數(shù)據(jù)交換更為簡(jiǎn)單，且適配各種設(shè)備，用戶只需訪問(wèn)特定接口標(biāo)準(zhǔn)即可。此外，為了適配一些其他特殊的紡織設(shè)備通信協(xié)議，本系統(tǒng)還支持西門(mén)子PPI協(xié)議、IEC104公約、VDI3665標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備廠商自定義通信協(xié)議，滿足紡織企業(yè)數(shù)據(jù)采集的基本需求。

云邊協(xié)同通過(guò)特定協(xié)議交互，請(qǐng)求方與響應(yīng)方的各類數(shù)據(jù)交互指令采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式，雙方通過(guò)定義規(guī)范的指令頭、操作數(shù)和操作碼的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行通信，即：數(shù)據(jù)幀編碼=指令頭編碼+功能編碼+屬性編碼+校驗(yàn)編碼。數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

圖3 云邊通信格式Fig.3 Cloud-edge communication format

2.4 云邊通信加密機(jī)制

為確保云邊通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，?duì)每一次握手的信息體進(jìn)行SHA256加密，把構(gòu)建好的數(shù)據(jù)幀通過(guò)加密算法運(yùn)算生成哈希值作為請(qǐng)求頭，結(jié)合數(shù)據(jù)幀組成完整請(qǐng)求發(fā)向目標(biāo)端。目標(biāo)端接收到請(qǐng)求體后進(jìn)行SHA256加密運(yùn)算得到哈希值，將計(jì)算得到的哈希值同請(qǐng)求頭進(jìn)行比較，一致則表明數(shù)據(jù)有效。

經(jīng)過(guò)64 次迭代后產(chǎn)生8 個(gè)哈希值并作為初始哈希值輸入剩下的數(shù)據(jù)塊中迭代，每次迭代都會(huì)輸出8 個(gè)哈希值，最后將其拼接為一個(gè)256的哈希值。

2.5 業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)

每臺(tái)設(shè)備通過(guò)串口服務(wù)器采集盒與邊緣終端相連，每個(gè)串口服務(wù)器采集盒擁有固定唯一標(biāo)識(shí)，上位機(jī)通過(guò)對(duì)應(yīng)IP和端口與采集盒交互。針對(duì)企業(yè)紡織設(shè)備類型多、數(shù)量大等特點(diǎn)，主程序中采用多線程技術(shù)和緩存技術(shù)，每種設(shè)備類型并發(fā)進(jìn)行，這樣大大提高了設(shè)備通信的效率，有效避免了內(nèi)存絮亂、溢出等問(wèn)題。如圖4所示，系統(tǒng)首先調(diào)用初始化配置驅(qū)動(dòng)，主要執(zhí)行的初始化動(dòng)作有系統(tǒng)環(huán)境初始化、數(shù)據(jù)庫(kù)連接池初始化、任務(wù)調(diào)度池初始化、緩存連接池初始化。待初始化驅(qū)動(dòng)模塊完成后，即讀取紡織設(shè)備配置信息存入Redis緩存中并創(chuàng)建多線程任務(wù)，其中主要包含設(shè)備管理線程、數(shù)據(jù)采集線程、定時(shí)任務(wù)線程。設(shè)備管理線程一直監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)端口，統(tǒng)一管理設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)采集線程任務(wù)調(diào)度中根據(jù)Redis緩存中讀取的紡織設(shè)備種類和通信協(xié)議創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)采集線程，每種設(shè)備獨(dú)立享用一個(gè)線程，大大提高了采集的效率；定時(shí)任務(wù)線程起到刷新Redis緩存和更新配置驅(qū)動(dòng)模塊的作用，這樣可方便企業(yè)用戶自主控制新設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，使其后期加裝聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更為簡(jiǎn)潔高效。

圖4 采集程序結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of acquisition program structure

2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)邏輯

搭建好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺(tái)后，另一個(gè)重點(diǎn)就是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在由紡紗工序到織造工序最后到成品出庫(kù)的過(guò)程中包含20多種設(shè)備，涉及數(shù)據(jù)庫(kù)中大量的表，考慮到持續(xù)增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，海量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)同時(shí)交互不僅會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)絮亂、卡頓等問(wèn)題，而且也會(huì)影響服務(wù)器性能導(dǎo)致服務(wù)器癱瘓。該系統(tǒng)采用邊緣緩存和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)集群兩種方式有效解決上述問(wèn)題。使用邊緣緩存的方式通過(guò)程序代碼將設(shè)備近一周的數(shù)據(jù)直接保存到CPU本地內(nèi)存中，即使云計(jì)算端維護(hù)停機(jī)也不會(huì)丟失車間數(shù)據(jù)，增加了系統(tǒng)容錯(cuò)率。采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)集群，數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)讀寫(xiě)分離之后將一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器拆分為兩臺(tái)或者多臺(tái)，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)存放在不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中，例如擁有時(shí)序特性的InfluxDB數(shù)據(jù)庫(kù)、傳輸快開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，以及安全可靠的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，多臺(tái)服務(wù)器同時(shí)處理，從而提高了處理效率。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(System implementation)

在企業(yè)搭建好系統(tǒng)后，云計(jì)算服務(wù)器通過(guò)邊緣端接收到各車間設(shè)備的生產(chǎn)信息并按需存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。云計(jì)算服務(wù)器基于車間設(shè)備原始生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，構(gòu)建生產(chǎn)監(jiān)控、班次報(bào)表、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、可視化分析、計(jì)劃排產(chǎn)等功能。企業(yè)內(nèi)部用戶可通過(guò)Web瀏覽器或者手機(jī)APP客戶端登錄系統(tǒng)查看相關(guān)信息。如圖5(a)所示為蘭溪市某紡織企業(yè)某分廠織造車間設(shè)備監(jiān)控信息，其中包含了設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)狀態(tài)信息。用戶不僅能了解設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，也能獲取每臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)工藝信息，如圖5(b)所示為某臺(tái)紡織設(shè)備的工藝參數(shù)信息。如圖6、圖7所示，云計(jì)算端通過(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效計(jì)算分析為紡織企業(yè)提供車間生產(chǎn)總覽，方便企業(yè)管理者掌握企業(yè)的生產(chǎn)狀態(tài)，在一定程度上為管理者提供了決策支持。

圖5 織造車間監(jiān)控Fig.5 Weaving workshop monitoring

圖6 車間生產(chǎn)總覽Fig.6 Workshop production overview

圖7 生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析Fig.7 Statistical analysis of production

4 結(jié)論(Conclusion)

本文將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與紡織生產(chǎn)工藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)并搭建了面向紡織企業(yè)的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用云邊協(xié)同采集方案，運(yùn)用高并發(fā)分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)采集且不依賴于硬件設(shè)備，支持大、中型紡織企業(yè)，適配異構(gòu)紡織車間。本系統(tǒng)在浙江省蘭溪市的多家傳統(tǒng)紡織企業(yè)進(jìn)行試運(yùn)行，實(shí)際應(yīng)用證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，分析全面，有效提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。