云制造下玻璃加工設(shè)備數(shù)據(jù)集成技術(shù)

       數(shù)據(jù)采集是現(xiàn)代數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的基礎(chǔ)，同時也是設(shè)備故障預測中重要的組成部分，它為數(shù)據(jù)挖掘提供可供分析的數(shù)據(jù)。
       常用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有兩種，一種是以基于控制器為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；第二種是基于PC機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。國外對數(shù)據(jù)集成技術(shù)的研究己經(jīng)相當成熟，而且性能越來越好，功能越來越強大。隨著云制造技術(shù)的發(fā)展，提高設(shè)備數(shù)據(jù)的利用效率，如何對不同企業(yè)內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)集成到一個統(tǒng)一的云平臺，相關(guān)的研究非常少，本文也正是順應工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢，提出一種基于TCP的數(shù)據(jù)集成方案，采用無線通訊技術(shù)，并給出具體的應用案例，為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘提供支持。
       一、業(yè)務分析
             玻璃加工生產(chǎn)線包含的設(shè)備眾多，如倉儲、切割機、磨邊機、清洗機、識別機、打標機、理片機、鋼化爐等，每一臺設(shè)備在玻璃車間調(diào)度中間工藝都起著重要的角色，對玻璃加工質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。設(shè)備在玻璃加工廠內(nèi)經(jīng)過長時間高強度振動、沖擊，會存在機械和電氣方面問題，這就導致故障的發(fā)生。
       如何對設(shè)備數(shù)據(jù)實時獲取，預防故障的發(fā)生，對可能發(fā)生故障的部件或因素加以提前控制，避免設(shè)備損壞造成損失是一件極為重要的工作。實現(xiàn)故障的預測，需要建立在大量的歷史數(shù)據(jù)及實時數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。云制造作為一個第三方服務平臺，通過把不同企業(yè)的同類設(shè)備數(shù)據(jù)集成到虛擬云池，運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、云計算技術(shù)、云存儲技術(shù)進行處理，并通過一個友好的方式把處理的結(jié)果反饋給用戶，因此，在一個完整的云制造設(shè)備管理平臺中，設(shè)備數(shù)據(jù)集成效率，準確度都嚴重影響處理結(jié)果。
       本文提出一種云制造下設(shè)備數(shù)據(jù)集成方案。首先對單個玻璃加工企業(yè)設(shè)備功能不同進行監(jiān)測項分析處理。其次采用一種目前廣泛采用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用自定義的Socket報文協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與正確解析。然后再把不同企業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)采用Web Service 的方式集成到虛擬云池，最后通過云平臺進行處理，并把監(jiān)測結(jié)果友好地反饋給用戶。
       二、框架設(shè)計
       本文所研究的主要內(nèi)容是下圖框架的數(shù)據(jù)集成模塊，云制造平臺包含對云提供端的數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、對云請求端的云服務四大部分�？蚣軋D如圖1所示。
       
       數(shù)據(jù)存儲，包括對不同企業(yè)的設(shè)備數(shù)據(jù)獲取，采用分布式的存儲方案，采用HDFS、Hbase 等技術(shù)，數(shù)據(jù)分析主要指的是采用適合云計算的一些數(shù)據(jù)挖掘算法，本文作者在其他論文中對基于Hadoop的改進Apriori做出了相關(guān)研究，功能服務指的是對設(shè)備進行監(jiān)測、決策支持、智能推薦服務。針對本文主要研究的云制造下設(shè)備數(shù)據(jù)的集成方案做出以下解釋。
       設(shè)備信息的集成分兩種方式：一種是直接與具備無線通信的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互；一種是通過監(jiān)控設(shè)備現(xiàn)場監(jiān)控，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進行數(shù)據(jù)集成�？紤]到現(xiàn)場實施的便利性及服務端功能的統(tǒng)一性，本文采用第二種方式。
       第二種方式分為：設(shè)備層、通訊層、應用層，其中通訊層包括監(jiān)測層和傳輸層。設(shè)備層主要是玻璃加工行業(yè)相關(guān)設(shè)備。監(jiān)測層主要是監(jiān)測設(shè)備，實時讀取設(shè)備的狀態(tài)信息、加工信息。通信層采用有線＋無線的混合通信模式，兩類通信方式互聯(lián)互通互操作，消除“網(wǎng)絡(luò)盲點”，實現(xiàn)感知信息傳送的高可靠性、高安全性。應用層主要完成現(xiàn)場設(shè)備信息的存儲和監(jiān)控，平臺的設(shè)計采用Oracle作為平臺的數(shù)據(jù)庫，在Eclipse平臺應用程序開發(fā)環(huán)境下，采用Java語言，基于面向服務的架構(gòu)（Service－oriented Architecture，SOA），結(jié)合Web Service技術(shù)和虛擬技術(shù)完成平臺的開發(fā)，實現(xiàn)玻璃加工行業(yè)設(shè)備信息狀態(tài)的集成，主要功能包括實現(xiàn)標識設(shè)備的動態(tài)信息和靜態(tài)信息查詢、顯示以及工藝路線的選擇及各設(shè)備之間任務的調(diào)度。
       三、實驗設(shè)計
       1、盒子設(shè)備功能簡介
       
       針對設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商和工業(yè)的運行保障，為進行信息化提供穩(wěn)定、安全、便捷的整套工業(yè)安全遠程通信解決方案。具有實時運行保障，網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備間互連互通，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸實時監(jiān)控，遠程預警等特點。具體實現(xiàn)流程如下：
       盒子設(shè)備在企業(yè)內(nèi)部進行現(xiàn)場監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進行數(shù)據(jù)集成，由于采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式規(guī)范，設(shè)備的異常參數(shù)信息能實時的上傳至企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)，不同系統(tǒng)再把數(shù)據(jù)共享到企業(yè)采用的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫Oracle，不同企業(yè)再通過Web Service共享數(shù)據(jù)到云端，采用HDFS方式進行存儲，盒子設(shè)備的使用，解決了不同系統(tǒng)收集的設(shè)備信息統(tǒng)一編碼問題。
       2、設(shè)備與服務端通訊流程
       云制造的目標是為用戶提供可隨時獲取的、按需使用的、安全可靠的、優(yōu)質(zhì)廉價的制造全生命周期服務，而實現(xiàn)這一目標的前提是構(gòu)建規(guī)模巨大的虛擬云池。本文采用一種基于Socket通訊協(xié)議，多線程技術(shù)，對上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)傳送，進行統(tǒng)一的管理。上位機與下位機數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)圖如圖3所示。
       
       通過Socket通訊方式對設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)控，獲取大量設(shè)備數(shù)據(jù)，包括設(shè)備詳細信息、設(shè)備加工參數(shù)、設(shè)備功能信息等。如何對這些數(shù)據(jù)進行存儲、處理，也是實現(xiàn)資源共享的重要的部分。具體傳輸流程如下：
       步驟一：服務器監(jiān)聽啟動，等待客戶端連接；步驟二：客戶端連接成功后，會向服務器發(fā)起一次特定功能號1的通信，目的是與服務器同步一次時間；步驟三：服務器按照相同功能號回復內(nèi)容；步驟四：客戶端每隔固定的時間向服務端發(fā)送心跳數(shù)據(jù)；步驟五：客戶端向服務端發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)（特定設(shè)備特定功能號標識），服務端向客戶端發(fā)送業(yè)務數(shù)據(jù)；步驟六：客戶端異常斷開，服務端進入循環(huán)，重啟監(jiān)聽，保證客戶端能再次連接。
       3、基于Socket 的通訊協(xié)議設(shè)計
       采用Socket 技術(shù)實現(xiàn)客戶端與遠程服務器之間的遠程通訊。其具有傳輸時間短、高可靠、加密特性、傳輸數(shù)據(jù)可自定義等特點。適合客戶端與遠程服務器之間的實時數(shù)據(jù)交互，而且安全性能好，滿足檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性與可靠性要求。
       通訊協(xié)議由開始標志通訊頭部、通訊內(nèi)容、通訊尾部組成，其中通訊頭部包括開始標志、設(shè)備編號、功能號等內(nèi)容，Socket 報文的數(shù)據(jù)格式如表1所示。  
         
       四、具體實現(xiàn)
       本文以某工廠的實際設(shè)備為例，采用的硬件為：阿里云服務器（雙核，內(nèi)存2048M，操作系統(tǒng)Windows Server 2008 R2）1臺，開發(fā)環(huán)境為JDK1.7.0_67，基于Springside的架構(gòu)，通過上文所述的方案，對設(shè)備數(shù)據(jù)進行集成，具有實時性強，準確度高，界面友好等特點。
       五、結(jié)束語
       數(shù)據(jù)集成是云制造下設(shè)備數(shù)據(jù)分析的重要組成部分，本文提出的集成方案適合于玻璃加工企業(yè)系統(tǒng)中監(jiān)測項等已經(jīng)明確的實時環(huán)境中，但此方案也存在一定的缺點：由于本文對每一臺設(shè)備啟動一個端口，在設(shè)備量增大的情況下，端口占用太多不利于維護；其次，本文所采用的方式在開發(fā)中對多線程的管理并不規(guī)范，影響其拓展性。根據(jù)此缺點，下一步將會研究利用一些并發(fā)框架類處理多線程，提高傳輸速度來對此方案的缺點來進行改進，以提高數(shù)據(jù)集成效率。
        作者：高帥 蔡紅霞 季娜  單位：上海市智能制造及機器人重點實驗室

附件：20170717105344262.jpg

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