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轮胎制造企业服务总线的应用

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摘要:

工业物联网环境下,为解决全钢子午轮胎生产系统的网络异构以及整合生产数据信息等问题,文章结合轮胎实际生产的特点,提出了一种基于CPS模型轮胎制造系统的企业总线架构。重点阐述了系统的层次结构和企业总线的实现方法。通过实例运行表明,CPS模式下的轮胎制造企业服务总线能够有效整合分布式生产系统,并实现数据信息共享。

关键词:

信息物理融合,企业服务总线,工业物联网,全钢子午轮胎

本文针对目前轮胎制造所面临的问题,结合物联网思想,提出一种CPS模式下的异构系统集成方法,旨在将不同区域的、独立运作的异构子系统整合在同一信息系统架构下,实现应用层面上基于SOA的轮胎制造物联网体系。

1信息物理融合技术(CPS)

1.1CPS与轮胎制造信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS),包括了物理层数据采集和接受控制,网络层的数据汇总、传输,应用层的数据分析、挖掘、控制,是一个整合了物理设备,网络通信和计算机技术的综合性系统。应用于轮胎生产,CPS将现场的生产数据可靠、高效地整合、传输,然后经过应用层分析处理,进行优化排产、调度等工作。最终使得整个生产过程透明、可控、可追溯。因为轮胎制造现场的设备复杂性和操作随机性,考虑到安全和容错,物理层和传输层的设计和实现是CPS应用于轮胎制造的主要难点之一,文章主要通过引入面向服务的思想,采用SOA相关技术,搭建轮胎制造的企业服务总线,最终实现底层数据可靠的采集、处理和传输。

1.2Web服务技术与轮胎制造轮胎制造过程是一个分布式制造的过程,众多的设备机台产生的数据量是庞大的,而现场的数据采集与传输又是需要保证完整性,安全性和稳定性的。针对现场的需求和WCF所具有的数据完整性验证、用户校验、数据隐私保护等功能支持,以及其快速高效的开发方式和良好的平台兼容,系统的主体服务框架采用WCF。针对一些第三方的服务,例如实时给Web界面展示提供数据,需要调用第三方提供的Web服务,因此也需要在WCF中做WebService代理,间接调用第三方服务实现相关功能。

2CPS应用模式与架构设计

CPS模式下的轮胎制造体系架构具体来说可分为相互连接并交互通讯的五层结构,分别为物理层、现场总线层、服务总线层、业务逻辑层、Web应用层,如图1。其中,软总线层实现了物理层数据采集和传输,服务层和业务逻辑层为应用层的实现封装了各种不同粒度的方法。数据通过层层处理,实现生产中物料、工装、工艺参数、设备状态、物流信息、产能数据等信息的互联互通,从而实现动态的管理,追溯生产过程中人、机、物、法、环中的每一环节。1)现场总线层:所有针对不同设备数据采集的接口的封装,通过配置参数即可实现新增设备的数据采集功能。类似于硬件中的“热插拔”功能。通过软总线,统一接口调用,屏蔽了底层数据元的异构性,也增加了代码的适应性,可以很方便的根据实际增加或者裁剪底层驱动。例如针对现场的S7-300PLC,AB-PLC,三菱PLC的FX系列和Q系列等的数据采集,分别开发了读写接口;针对现场的打印机、吐码机、扫码枪、报警灯、温湿度传感器等硬件设备也分别封装了调用接口。在软总线层,将这些方法封装为一类方法,通过配置参数明确调用路径。对于上层系统看来,只是通过这层统一的接口,实现与现场设备数据交互。2)物理层:实际生产中,胎面压出、半制品生产、轮胎成型、硫化等等各道工序是分布式作业,每道工序又是流水作业,因此需要各个机台的数据实现互联互通。使得机台和机台,机台和设备,管理和生产实现数据共享。为实现数据层的互联,通过软总线层,将采集的数据经过处理,上传至实时或者关系数据库中。使得现场的生产机台,PDA以及服务端的网页,都可以通过封装的接口,读写数据。3)业务逻辑层:轮胎制造系统中各个子任务的功能组件的集合,为应用层提供业务功能实现。表示型业务:通过多种形式向用户展现系统的统计数据,例如硫化生产过程中温度压力的实时曲线,同一生产线上各班产量的饼状图,计划查看的表格等等。功能型业务:实现用户需求的业务组件,比如生产计划同步,打印中间制品信息、故障维修申请、报警等功能。4)服务总线层:由服务安全管理模块、路由模块、IOTS_UD-DI服务注册中心和XML数据转换模块组成,通过服务总线层可以保证服务注册、发布和调用的安全性和规范性,使服务的访问得到快速的应答和合理的配置[5]。服务总线通过将不同的业务组件组合,封装成为独立功能的服务接口,供客户端程序调用。根据任务的综合性不同,可以分为粗粒度服务和细粒度[6]。其中,粗粒度是多种细粒度方法的组合。例如上传和下载方法,是计划,物料,工装等多类数据的读写方法的组合。通过对服务进行管理控制的中心。5)应用层:管理轮胎制造物联网中所有的业务功能,通过登录C/S端,可以进行同步生产计划,打印制品周转卡信息,查询机台生产状态,交接班等操作,还可以登录网页进行计划下达,产量查询,产生报表,远程监控的功能。

3轮胎制造ESB实现

CPS模式下的轮胎制造系统中物理层与传输层是应用层实现的基础,其核心功能在于Web服务类的开发,也就是企业服务总线(ESB)的实现。系统采用MicrosoftVisualStudio2010开发环境来构建驻留在Web服务器上的WCF程序。因为WCF基本通信机制是SOAP协议,保证了系统的统一性,跨平台并且保证了传输层次和消息层次的安全性,大大提高了服务组件的开发效率和安全性能。

3.1ESB中主要服务类实现生产过程中主要存在生产数据共享,时间同步,实时数据存取等问题。因为机台数量庞大,半制品压出线,轮胎成型机台,硫化机台总和达到400多台,并且是分布于不同的车间中,各个分散的子系统需要同步服务器时间,共享数据,而实时数据也因为机台数量众多使得秒级的数据上传也需要存放到专门的数据库中。面对这些问题,系统分别开发了数据同步服务和实时数据库存取服务。如图2所示,系统服务分为Orcale类,Public类和RHADate类。在每个类中,实现了多个服务方法,然后通过接口将这些方法暴露给客户端调用。这些接口都是对细粒度的服务的封装,客户端可以通过组合调用,实现不同的业务逻辑。(1)生产数据共享服务为了防止服务器故障或者现场网络不稳定导致数据丢失,系统采用本地端用SQLite数据库缓存近期数据,将各个机台的生产数据定时上传至服务端Orcal数据库。对于产量信息,设备状态信息,条码信息等需要从现场设备获得的数据,同样也需要先存入本地缓存,再同步至服务端。因为现场设备的异构性,所以系统采用了软总线技术,将各种不同的通信接口例如S7-300PLC,ABPLC,三菱的FX系列和Q系列的以太网接口,还有485接口,扫码枪串口等通信接口以构件的方式挂载在软总线上,如图3。(2)时间同步服务因为现场物料统计,状态统计,产量统计等功能均是以时间为检索条件的,而现场工控机所处环境有差异,所以需要定期同步服务器时间,来消除分布的机台的时间差。(3)实时数据读取服务生产的实时工艺值通过Kepware将数据秒级采集到IH数据库中,现场工控机将实时数据通过服务方法采集数据,并显示在界面上,封装的接口如下。

3.2服务的注册、发布服务组件类实现后,将生成的WSDL服务描述通过UDDI注册到服务中心,服务请求者向代理发出请求,代理从UDDI查找到相应服务,生成WSDL描述返回给服务请求者;请求者获得描述信息后,生成SOAP发送给服务提供者,实现服务调用;服务提供者根据请求执行相应的服务方法,将结果返回给服务请求者[7]。WebService协议栈的基础协议层是HTTPS协议,发布的服务是面向互联网的,因此在B/S端和C/S端都可以访问到本系统所有的Web服务类,从而消除了传统分布式系统的“信息孤岛”,达到了数据的互联互通。

4实例应用

完成服务的注册和发布之后,客户端便可以发现服务,并调用一个或多个服务,实现业务需求。系统中,复合、成型、硫化等主要生产设备的计划下达,生产数据上传,状态信息采集,制品与原材料绑定等业务实现均通过调用相应的服务组件实现。例如复合机台的计划下达功能实现步骤:1)在业务层发现服务类的WSDL描述,添加服务引用,如图4。2)调用计划、物料、配方、工艺、班组的下载方法,通过一定的业务逻辑约束,将上述五个不相关的服务方法封装为一个粗粒度的服务。3)现场执行端通过事件触发或定时调用这一服务方法,实现计划的下达。对于设备状态的采集,需要不断地实时采集设备运行状态,进行停台报警,记录设备状态持续时间,产生设备运行状态报表。首先需要通过软总线读取PLC计数器中的时间,再通过调用相关的服务接口,将实时数据存入实时数据库中,而现场机台又需要调用另外的接口,从实时数据库中读取数据,进行处理,最终展示给客户查询。对于原材料与制品的绑定,因为原料库存在于第三方的服务中,所以需要通过WCF代理服务,将现场扫描设备的信息,实时传输给第三方服务器,进而实现绑定与库存管理。图5是各个功能模块的用户界面。以上几个功能的设计与实现,体现了数据与业务的分离,而其中间联系的纽带,企业服务总线。服务开发者在总线上注册发布各种服务接口供客户端调用,用户通过不同接口的组合调用灵活实现不同的业务功能。当用户有新的功能需求时,开发者通过不断改进服务实现,可以进一步完善用户体验,而这个过程中完全不影响客户的调用。通过ESB,实现了底层物理设备如各种生产机台,扫码枪,PDA,温度传感器等的感知与上层计算机的信息融合,而服务器通过对信息全面的计算分析,给现场设备发送控制指令,例如生产计划下达,设备状态变更,信息绑定等等,体现了CPS的计算、通信与控制的深度融合。

5结束语

对于未来系统的扩展,由于WebService是面向互联网、跨平台的服务,因此系统和可以延伸至移动互联端,目前在PC上的网页设计将来都是可以在手机、平板上展现,可以实现轮胎企业“互联网+”的生产和销售一体化模式。

参考文献

[1]HeJifeng.Cyber-physicalsystems[J].CommunicationoftheChinaComputerFedaration,2010,6(1):25-29

[2]陈玲姿.基于SOA的物联网中间件研究[D].长沙:湖南大学,2012

[3]余利平.基于SOA的数据交换平台的研究与实现[D].北京:北方工业大学,2010

[4]张菁华.基于WCF面向社区医疗服务的连续健康管理系统设计[D].北京:中国科学院大学,2014

[5]谭佳.基于SOA的可重构制造执行系统设计与实现[D].苏州:苏州大学,2014

[6]王少林.基于SOA的建筑设备物联网体系架构研究[J].计算机技术与发展,2014,24(1):196-199

[7]陈丽侠.基于webservice的企业应用集成技术研究[D].杭州:浙江大学,2003

作者:吴慧韬 周亚军 俞武嘉 单位:杭州电子科技大学自动化学院

轮胎制造企业服务总线的应用责任编辑:杨雪    阅读:人次