輪胎制造企業服務總線的應用范文

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摘要：

工業物聯網環境下，為解決全鋼子午輪胎生產系統的網絡異構以及整合生產數據信息等問題，文章結合輪胎實際生產的特點，提出了一種基于CPS模型輪胎制造系統的企業總線架構。重點闡述了系統的層次結構和企業總線的實現方法。通過實例運行表明，CPS模式下的輪胎制造企業服務總線能夠有效整合分布式生產系統，并實現數據信息共享。

關鍵詞：

信息物理融合，企業服務總線，工業物聯網，全鋼子午輪胎

本文針對目前輪胎制造所面臨的問題，結合物聯網思想，提出一種CPS模式下的異構系統集成方法，旨在將不同區域的、獨立運作的異構子系統整合在同一信息系統架構下，實現應用層面上基于SOA的輪胎制造物聯網體系。

1信息物理融合技術（CPS）

1．1CPS與輪胎制造信息物理融合系統（Cyber－PhysicalSystem，CPS），包括了物理層數據采集和接受控制，網絡層的數據匯總、傳輸，應用層的數據分析、挖掘、控制，是一個整合了物理設備，網絡通信和計算機技術的綜合性系統。應用于輪胎生產，CPS將現場的生產數據可靠、高效地整合、傳輸，然后經過應用層分析處理，進行優化排產、調度等工作。最終使得整個生產過程透明、可控、可追溯。因為輪胎制造現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，搭建輪胎制造的企業服務總線，最終實現底層數據可靠的采集、處理和傳輸。

1．2Web服務技術與輪胎制造輪胎制造過程是一個分布式制造的過程，眾多的設備機臺產生的數據量是龐大的，而現場的數據采集與傳輸又是需要保證完整性，安全性和穩定性的。針對現場的需求和WCF所具有的數據完整性驗證、用戶校驗、數據隱私保護等功能支持，以及其快速高效的開發方式和良好的平臺兼容，系統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界面展示提供數據，需要調用第三方提供的Web服務，因此也需要在WCF中做WebService，間接調用第三方服務實現相關功能。

2CPS應用模式與架構設計

CPS模式下的輪胎制造體系架構具體來說可分為相互連接并交互通訊的五層結構，分別為物理層、現場總線層、服務總線層、業務邏輯層、Web應用層，如圖1。其中，軟總線層實現了物理層數據采集和傳輸，服務層和業務邏輯層為應用層的實現封裝了各種不同粒度的方法。數據通過層層處理，實現生產中物料、工裝、工藝參數、設備狀態、物流信息、產能數據等信息的互聯互通，從而實現動態的管理，追溯生產過程中人、機、物、法、環中的每一環節。1）現場總線層：所有針對不同設備數據采集的接口的封裝，通過配置參數即可實現新增設備的數據采集功能。類似于硬件中的“熱插拔”功能。通過軟總線，統一接口調用，屏蔽了底層數據元的異構性，也增加了代碼的適應性，可以很方便的根據實際增加或者裁剪底層驅動。例如針對現場的S7－300PLC，AB-PLC，三菱PLC的FX系列和Q系列等的數據采集，分別開發了讀寫接口；針對現場的打印機、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，通過配置參數明確調用路徑。對于上層系統看來，只是通過這層統一的接口，實現與現場設備數據交互。2）物理層：實際生產中，胎面壓出、半制品生產、輪胎成型、硫化等等各道工序是分布式作業，每道工序又是流水作業，因此需要各個機臺的數據實現互聯互通。使得機臺和機臺，機臺和設備，管理和生產實現數據共享。為實現數據層的互聯，通過軟總線層，將采集的數據經過處理，上傳至實時或者關系數據庫中。使得現場的生產機臺，PDA以及服務端的網頁，都可以通過封裝的接口，讀寫數據。3）業務邏輯層：輪胎制造系統中各個子任務的功能組件的集合，為應用層提供業務功能實現。表示型業務：通過多種形式向用戶展現系統的統計數據，例如硫化生產過程中溫度壓力的實時曲線，同一生產線上各班產量的餅狀圖，計劃查看的表格等等。功能型業務：實現用戶需求的業務組件，比如生產計劃同步，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數據轉換模塊組成，通過服務總線層可以保證服務注冊、和調用的安全性和規范性，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，供客戶端程序調用。根據任務的綜合性不同，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，工裝等多類數據的讀寫方法的組合。通過對服務進行管理控制的中心。5）應用層：管理輪胎制造物聯網中所有的業務功能，通過登錄C／S端，可以進行同步生產計劃，打印制品周轉卡信息，查詢機臺生產狀態，交接班等操作，還可以登錄網頁進行計劃下達，產量查詢，產生報表，遠程監控的功能。

3輪胎制造ESB實現

CPS模式下的輪胎制造系統中物理層與傳輸層是應用層實現的基礎，其核心功能在于Web服務類的開發，也就是企業服務總線（ESB）的實現。系統采用MicrosoftVisualStudio2010開發環境來構建駐留在Web服務器上的WCF程序。因為WCF基本通信機制是SOAP協議，保證了系統的統一性，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效率和安全性能。

3．1ESB中主要服務類實現生產過程中主要存在生產數據共享，時間同步，實時數據存取等問題。因為機臺數量龐大，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，各個分散的子系統需要同步服務器時間，共享數據，而實時數據也因為機臺數量眾多使得秒級的數據上傳也需要存放到專門的數據庫中。面對這些問題，系統分別開發了數據同步服務和實時數據庫存取服務。如圖2所示，系統服務分為Orcale類，Public類和RHADate類。在每個類中，實現了多個服務方法，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用，實現不同的業務邏輯。（1）生產數據共享服務為了防止服務器故障或者現場網絡不穩定導致數據丟失，系統采用本地端用SQLite數據庫緩存近期數據，將各個機臺的生產數據定時上傳至服務端Orcal數據庫。對于產量信息，設備狀態信息，條碼信息等需要從現場設備獲得的數據，同樣也需要先存入本地緩存，再同步至服務端。因為現場設備的異構性，所以系統采用了軟總線技術，將各種不同的通信接口例如S7－300PLC，ABPLC，三菱的FX系列和Q系列的以太網接口，還有485接口，掃碼槍串口等通信接口以構件的方式掛載在軟總線上，如圖3。（2）時間同步服務因為現場物料統計，狀態統計，產量統計等功能均是以時間為檢索條件的，而現場工控機所處環境有差異，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）實時數據讀取服務生產的實時工藝值通過Kepware將數據秒級采集到IH數據庫中，現場工控機將實時數據通過服務方法采集數據，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發送給服務提供者，實現服務調用；服務提供者根據請求執行相應的服務方法，將結果返回給服務請求者［7］。WebService協議棧的基礎協議層是HTTPS協議，的服務是面向互聯網的，因此在B／S端和C／S端都可以訪問到本系統所有的Web服務類，從而消除了傳統分布式系統的“信息孤島”，達到了數據的互聯互通。

4實例應用

完成服務的注冊和之后，客戶端便可以發現服務，并調用一個或多個服務，實現業務需求。系統中，復合、成型、硫化等主要生產設備的計劃下達，生產數據上傳，狀態信息采集，制品與原材料綁定等業務實現均通過調用相應的服務組件實現。例如復合機臺的計劃下達功能實現步驟：1）在業務層發現服務類的WSDL描述，添加服務引用，如圖4。2）調用計劃、物料、配方、工藝、班組的下載方法，通過一定的業務邏輯約束，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）現場執行端通過事件觸發或定時調用這一服務方法，實現計劃的下達。對于設備狀態的采集，需要不斷地實時采集設備運行狀態，進行停臺報警，記錄設備狀態持續時間，產生設備運行狀態報表。首先需要通過軟總線讀取PLC計數器中的時間，再通過調用相關的服務接口，將實時數據存入實時數據庫中，而現場機臺又需要調用另外的接口，從實時數據庫中讀取數據，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，將現場掃描設備的信息，實時傳輸給第三方服務器，進而實現綁定與庫存管理。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，體現了數據與業務的分離，而其中間聯系的紐帶，企業服務總線。服務開發者在總線上注冊各種服務接口供客戶端調用，用戶通過不同接口的組合調用靈活實現不同的業務功能。當用戶有新的功能需求時，開發者通過不斷改進服務實現，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用。通過ESB，實現了底層物理設備如各種生產機臺，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，給現場設備發送控制指令，例如生產計劃下達，設備狀態變更，信息綁定等等，體現了CPS的計算、通信與控制的深度融合。

5結束語

對于未來系統的擴展，由于WebService是面向互聯網、跨平臺的服務，因此系統和可以延伸至移動互聯端，目前在PC上的網頁設計將來都是可以在手機、平板上展現，可以實現輪胎企業“互聯網＋”的生產和銷售一體化模式。

參考文獻

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

［2］陳玲姿．基于SOA的物聯網中間件研究［D］．長沙：湖南大學，2012

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［4］張菁華．基于WCF面向社區醫療服務的連續健康管理系統設計［D］．北京：中國科學院大學，2014

［5］譚佳．基于SOA的可重構制造執行系統設計與實現［D］．蘇州：蘇州大學，2014

［6］王少林．基于SOA的建筑設備物聯網體系架構研究［J］．計算機技術與發展，2014，24（1）：196－199

［7］陳麗俠．基于webservice的企業應用集成技術研究［D］．杭州：浙江大學，2003

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