輪胎制造企業(yè)服務總線的應用范文
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摘要：
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，為解決全鋼子午輪胎生產(chǎn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡異構(gòu)以及整合生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息等問題，文章結(jié)合輪胎實際生產(chǎn)的特點，提出了一種基于CPS模型輪胎制造系統(tǒng)的企業(yè)總線架構(gòu)。重點闡述了系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和企業(yè)總線的實現(xiàn)方法。通過實例運行表明，CPS模式下的輪胎制造企業(yè)服務總線能夠有效整合分布式生產(chǎn)系統(tǒng)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。
關鍵詞：
信息物理融合，企業(yè)服務總線，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，全鋼子午輪胎
本文針對目前輪胎制造所面臨的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)思想，提出一種CPS模式下的異構(gòu)系統(tǒng)集成方法，旨在將不同區(qū)域的、獨立運作的異構(gòu)子系統(tǒng)整合在同一信息系統(tǒng)架構(gòu)下，實現(xiàn)應用層面上基于SOA的輪胎制造物聯(lián)網(wǎng)體系。
1信息物理融合技術(shù)（CPS）
1．1CPS與輪胎制造信息物理融合系統(tǒng)（Cyber－PhysicalSystem，CPS），包括了物理層數(shù)據(jù)采集和接受控制，網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)匯總、傳輸，應用層的數(shù)據(jù)分析、挖掘、控制，是一個整合了物理設備，網(wǎng)絡通信和計算機技術(shù)的綜合性系統(tǒng)。應用于輪胎生產(chǎn)，CPS將現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可靠、高效地整合、傳輸，然后經(jīng)過應用層分析處理，進行優(yōu)化排產(chǎn)、調(diào)度等工作。最終使得整個生產(chǎn)過程透明、可控、可追溯。因為輪胎制造現(xiàn)場的設備復雜性和操作隨機性，考慮到安全和容錯，物理層和傳輸層的設計和實現(xiàn)是CPS應用于輪胎制造的主要難點之一，文章主要通過引入面向服務的思想，采用SOA相關技術(shù)，搭建輪胎制造的企業(yè)服務總線，最終實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)可靠的采集、處理和傳輸。
1．2Web服務技術(shù)與輪胎制造輪胎制造過程是一個分布式制造的過程，眾多的設備機臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是龐大的，而現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與傳輸又是需要保證完整性，安全性和穩(wěn)定性的。針對現(xiàn)場的需求和WCF所具有的數(shù)據(jù)完整性驗證、用戶校驗、數(shù)據(jù)隱私保護等功能支持，以及其快速高效的開發(fā)方式和良好的平臺兼容，系統(tǒng)的主體服務框架采用WCF。針對一些第三方的服務，例如實時給Web界面展示提供數(shù)據(jù)，需要調(diào)用第三方提供的Web服務，因此也需要在WCF中做WebService，間接調(diào)用第三方服務實現(xiàn)相關功能。
2CPS應用模式與架構(gòu)設計
CPS模式下的輪胎制造體系架構(gòu)具體來說可分為相互連接并交互通訊的五層結(jié)構(gòu)，分別為物理層、現(xiàn)場總線層、服務總線層、業(yè)務邏輯層、Web應用層，如圖1。其中，軟總線層實現(xiàn)了物理層數(shù)據(jù)采集和傳輸，服務層和業(yè)務邏輯層為應用層的實現(xiàn)封裝了各種不同粒度的方法。數(shù)據(jù)通過層層處理，實現(xiàn)生產(chǎn)中物料、工裝、工藝參數(shù)、設備狀態(tài)、物流信息、產(chǎn)能數(shù)據(jù)等信息的互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)動態(tài)的管理，追溯生產(chǎn)過程中人、機、物、法、環(huán)中的每一環(huán)節(jié)。1）現(xiàn)場總線層：所有針對不同設備數(shù)據(jù)采集的接口的封裝，通過配置參數(shù)即可實現(xiàn)新增設備的數(shù)據(jù)采集功能。類似于硬件中的“熱插拔”功能。通過軟總線，統(tǒng)一接口調(diào)用，屏蔽了底層數(shù)據(jù)元的異構(gòu)性，也增加了代碼的適應性，可以很方便的根據(jù)實際增加或者裁剪底層驅(qū)動。例如針對現(xiàn)場的S7－300PLC，AB-PLC，三菱PLC的FX系列和Q系列等的數(shù)據(jù)采集，分別開發(fā)了讀寫接口；針對現(xiàn)場的打印機、吐碼機、掃碼槍、報警燈、溫濕度傳感器等硬件設備也分別封裝了調(diào)用接口。在軟總線層，將這些方法封裝為一類方法，通過配置參數(shù)明確調(diào)用路徑。對于上層系統(tǒng)看來，只是通過這層統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)與現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)交互。2）物理層：實際生產(chǎn)中，胎面壓出、半制品生產(chǎn)、輪胎成型、硫化等等各道工序是分布式作業(yè)，每道工序又是流水作業(yè)，因此需要各個機臺的數(shù)據(jù)實現(xiàn)互聯(lián)互通。使得機臺和機臺，機臺和設備，管理和生產(chǎn)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)層的互聯(lián)，通過軟總線層，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，上傳至實時或者關系數(shù)據(jù)庫中。使得現(xiàn)場的生產(chǎn)機臺，PDA以及服務端的網(wǎng)頁，都可以通過封裝的接口，讀寫數(shù)據(jù)。3）業(yè)務邏輯層：輪胎制造系統(tǒng)中各個子任務的功能組件的集合，為應用層提供業(yè)務功能實現(xiàn)。表示型業(yè)務：通過多種形式向用戶展現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，例如硫化生產(chǎn)過程中溫度壓力的實時曲線，同一生產(chǎn)線上各班產(chǎn)量的餅狀圖，計劃查看的表格等等。功能型業(yè)務：實現(xiàn)用戶需求的業(yè)務組件，比如生產(chǎn)計劃同步，打印中間制品信息、故障維修申請、報警等功能。4）服務總線層：由服務安全管理模塊、路由模塊、IOTS＿UD-DI服務注冊中心和XML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊組成，通過服務總線層可以保證服務注冊、和調(diào)用的安全性和規(guī)范性，使服務的訪問得到快速的應答和合理的配置［5］。服務總線通過將不同的業(yè)務組件組合，封裝成為獨立功能的服務接口，供客戶端程序調(diào)用。根據(jù)任務的綜合性不同，可以分為粗粒度服務和細粒度［6］。其中，粗粒度是多種細粒度方法的組合。例如上傳和下載方法，是計劃，物料，工裝等多類數(shù)據(jù)的讀寫方法的組合。通過對服務進行管理控制的中心。5）應用層：管理輪胎制造物聯(lián)網(wǎng)中所有的業(yè)務功能，通過登錄C／S端，可以進行同步生產(chǎn)計劃，打印制品周轉(zhuǎn)卡信息，查詢機臺生產(chǎn)狀態(tài)，交接班等操作，還可以登錄網(wǎng)頁進行計劃下達，產(chǎn)量查詢，產(chǎn)生報表，遠程監(jiān)控的功能。
3輪胎制造ESB實現(xiàn)
CPS模式下的輪胎制造系統(tǒng)中物理層與傳輸層是應用層實現(xiàn)的基礎，其核心功能在于Web服務類的開發(fā)，也就是企業(yè)服務總線（ESB）的實現(xiàn)。系統(tǒng)采用MicrosoftVisualStudio2010開發(fā)環(huán)境來構(gòu)建駐留在Web服務器上的WCF程序。因為WCF基本通信機制是SOAP協(xié)議，保證了系統(tǒng)的統(tǒng)一性，跨平臺并且保證了傳輸層次和消息層次的安全性，大大提高了服務組件的開發(fā)效率和安全性能。
3．1ESB中主要服務類實現(xiàn)生產(chǎn)過程中主要存在生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享，時間同步，實時數(shù)據(jù)存取等問題。因為機臺數(shù)量龐大，半制品壓出線，輪胎成型機臺，硫化機臺總和達到400多臺，并且是分布于不同的車間中，各個分散的子系統(tǒng)需要同步服務器時間，共享數(shù)據(jù)，而實時數(shù)據(jù)也因為機臺數(shù)量眾多使得秒級的數(shù)據(jù)上傳也需要存放到專門的數(shù)據(jù)庫中。面對這些問題，系統(tǒng)分別開發(fā)了數(shù)據(jù)同步服務和實時數(shù)據(jù)庫存取服務。如圖2所示，系統(tǒng)服務分為Orcale類，Public類和RHADate類。在每個類中，實現(xiàn)了多個服務方法，然后通過接口將這些方法暴露給客戶端調(diào)用。這些接口都是對細粒度的服務的封裝，客戶端可以通過組合調(diào)用，實現(xiàn)不同的業(yè)務邏輯。（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享服務為了防止服務器故障或者現(xiàn)場網(wǎng)絡不穩(wěn)定導致數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)采用本地端用SQLite數(shù)據(jù)庫緩存近期數(shù)據(jù)，將各個機臺的生產(chǎn)數(shù)據(jù)定時上傳至服務端Orcal數(shù)據(jù)庫。對于產(chǎn)量信息，設備狀態(tài)信息，條碼信息等需要從現(xiàn)場設備獲得的數(shù)據(jù)，同樣也需要先存入本地緩存，再同步至服務端。因為現(xiàn)場設備的異構(gòu)性，所以系統(tǒng)采用了軟總線技術(shù)，將各種不同的通信接口例如S7－300PLC，ABPLC，三菱的FX系列和Q系列的以太網(wǎng)接口，還有485接口，掃碼槍串口等通信接口以構(gòu)件的方式掛載在軟總線上，如圖3。（2）時間同步服務因為現(xiàn)場物料統(tǒng)計，狀態(tài)統(tǒng)計，產(chǎn)量統(tǒng)計等功能均是以時間為檢索條件的，而現(xiàn)場工控機所處環(huán)境有差異，所以需要定期同步服務器時間，來消除分布的機臺的時間差。（3）實時數(shù)據(jù)讀取服務生產(chǎn)的實時工藝值通過Kepware將數(shù)據(jù)秒級采集到IH數(shù)據(jù)庫中，現(xiàn)場工控機將實時數(shù)據(jù)通過服務方法采集數(shù)據(jù)，并顯示在界面上，封裝的接口如下。
3．2服務的注冊、服務組件類實現(xiàn)后，將生成的WSDL服務描述通過UDDI注冊到服務中心，服務請求者向發(fā)出請求，從UDDI查找到相應服務，生成WSDL描述返回給服務請求者；請求者獲得描述信息后，生成SOAP發(fā)送給服務提供者，實現(xiàn)服務調(diào)用；服務提供者根據(jù)請求執(zhí)行相應的服務方法，將結(jié)果返回給服務請求者［7］。WebService協(xié)議棧的基礎協(xié)議層是HTTPS協(xié)議，的服務是面向互聯(lián)網(wǎng)的，因此在B／S端和C／S端都可以訪問到本系統(tǒng)所有的Web服務類，從而消除了傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)的“信息孤島”，達到了數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。
4實例應用
完成服務的注冊和之后，客戶端便可以發(fā)現(xiàn)服務，并調(diào)用一個或多個服務，實現(xiàn)業(yè)務需求。系統(tǒng)中，復合、成型、硫化等主要生產(chǎn)設備的計劃下達，生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳，狀態(tài)信息采集，制品與原材料綁定等業(yè)務實現(xiàn)均通過調(diào)用相應的服務組件實現(xiàn)。例如復合機臺的計劃下達功能實現(xiàn)步驟：1）在業(yè)務層發(fā)現(xiàn)服務類的WSDL描述，添加服務引用，如圖4。2）調(diào)用計劃、物料、配方、工藝、班組的下載方法，通過一定的業(yè)務邏輯約束，將上述五個不相關的服務方法封裝為一個粗粒度的服務。3）現(xiàn)場執(zhí)行端通過事件觸發(fā)或定時調(diào)用這一服務方法，實現(xiàn)計劃的下達。對于設備狀態(tài)的采集，需要不斷地實時采集設備運行狀態(tài)，進行停臺報警，記錄設備狀態(tài)持續(xù)時間，產(chǎn)生設備運行狀態(tài)報表。首先需要通過軟總線讀取PLC計數(shù)器中的時間，再通過調(diào)用相關的服務接口，將實時數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫中，而現(xiàn)場機臺又需要調(diào)用另外的接口，從實時數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，進行處理，最終展示給客戶查詢。對于原材料與制品的綁定，因為原料庫存在于第三方的服務中，所以需要通過WCF服務，將現(xiàn)場掃描設備的信息，實時傳輸給第三方服務器，進而實現(xiàn)綁定與庫存管理。圖5是各個功能模塊的用戶界面。以上幾個功能的設計與實現(xiàn)，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)與業(yè)務的分離，而其中間聯(lián)系的紐帶，企業(yè)服務總線。服務開發(fā)者在總線上注冊各種服務接口供客戶端調(diào)用，用戶通過不同接口的組合調(diào)用靈活實現(xiàn)不同的業(yè)務功能。當用戶有新的功能需求時，開發(fā)者通過不斷改進服務實現(xiàn)，可以進一步完善用戶體驗，而這個過程中完全不影響客戶的調(diào)用。通過ESB，實現(xiàn)了底層物理設備如各種生產(chǎn)機臺，掃碼槍，PDA，溫度傳感器等的感知與上層計算機的信息融合，而服務器通過對信息全面的計算分析，給現(xiàn)場設備發(fā)送控制指令，例如生產(chǎn)計劃下達，設備狀態(tài)變更，信息綁定等等，體現(xiàn)了CPS的計算、通信與控制的深度融合。
5結(jié)束語
對于未來系統(tǒng)的擴展，由于WebService是面向互聯(lián)網(wǎng)、跨平臺的服務，因此系統(tǒng)和可以延伸至移動互聯(lián)端，目前在PC上的網(wǎng)頁設計將來都是可以在手機、平板上展現(xiàn)，可以實現(xiàn)輪胎企業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)＋”的生產(chǎn)和銷售一體化模式。
參考文獻
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作者：吳慧韜 周亞軍 俞武嘉 單位：杭州電子科技大學自動化學院
