馮 勇, 蔣高明, 吳志明, 徐存東(1.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心, 江蘇 無錫 214122; 2.生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學(xué)), 江蘇 無錫 214122)
制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)中制造管理自動化領(lǐng)域的一項重要技術(shù)[1],它連接企業(yè)計劃層的企業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)與控制層的可編程控制器(PLC)和集散型控制系統(tǒng)(DCS),能通過對生產(chǎn)信息的實時采集與在線分析實現(xiàn)對訂單整個生產(chǎn)過程的高效優(yōu)化管理。經(jīng)編MES俗稱經(jīng)編生產(chǎn)管理系統(tǒng),主要針對生產(chǎn)計劃的執(zhí)行和生產(chǎn)過程的控制,通過對車間實時數(shù)據(jù)收集、分析和及時反饋,實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的工藝管理、訂單管理、排產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)督等。
目前,國內(nèi)外的MES已經(jīng)在紡織行業(yè)相繼應(yīng)用,瑞士烏斯特(Uster)技術(shù)公司、洛菲(LOEPFE)公司、日本豐田(TOYOTA)公司、村田(Muratec)公司都有相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)入中國市場。國內(nèi)在紡織企業(yè)信息化也有一定突破,北京銅牛信息科技股份有限公司的易紡E-TEXSOFT制衣企業(yè)MES可以在線監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度,掌握各項作業(yè)的實際工作耗時情況,合理安排生產(chǎn)決策,但上述系統(tǒng)一般采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)模式。由于生產(chǎn)現(xiàn)場條件的限制,采用C/S模式對系統(tǒng)硬件的配置要求高、成本大,且維護(hù)工作量大、升級麻煩,此外,上述系統(tǒng)的設(shè)計不只是針對經(jīng)編企業(yè),經(jīng)編企業(yè)的個性化需求不能得到很好的滿足。本文研發(fā)的經(jīng)編MES系統(tǒng)以瀏覽器/服務(wù)器模式(B/S)為基礎(chǔ)架構(gòu),采用.NET開發(fā)平臺、后臺數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2008 R2、應(yīng)用C#開發(fā)語言、互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)(IIS)作為萬維網(wǎng)(web)服務(wù)器,用ASP.NET實現(xiàn)web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的連接[2]。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)存取快捷,人機(jī)交互友好,易于升級維護(hù),方便各經(jīng)編企業(yè)訂制不同功能需求,可提高經(jīng)編車間生產(chǎn)信息化程度,方便操作,減少勞動力成本。
根據(jù)經(jīng)編車間對數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)囊?,為?jīng)編車間設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在整個制造執(zhí)行系統(tǒng)中,利用各種傳感器采集經(jīng)編機(jī)的生產(chǎn)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)實時顯示在數(shù)據(jù)采集終端并通過紫蜂(ZigBee)模塊將生產(chǎn)數(shù)據(jù)臨時保存在本地數(shù)據(jù)庫上。本地服務(wù)器通過連接因特網(wǎng)將本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)同步到云數(shù)據(jù)庫中。任何安裝瀏覽器的客戶端只需向web服務(wù)器發(fā)出請求,即可實現(xiàn)生產(chǎn)信息的遠(yuǎn)程檢測、控制和生產(chǎn)過程的管理。
圖1 經(jīng)編制造執(zhí)行系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of warp knitting MES
系統(tǒng)采用B/S的3層架構(gòu)(如圖2所示),3層分別是web表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。web表示層是系統(tǒng)功能的顯示界面,為相關(guān)數(shù)據(jù)提供展示平臺并負(fù)責(zé)與用戶直接交互;業(yè)務(wù)邏輯層是3層架構(gòu)中的中間層,主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯處理;數(shù)據(jù)訪問層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫與存儲功能,為其他2層提供數(shù)據(jù)服務(wù),通常作為整個分層體系的最底層[3]。每層的任務(wù)十分明確,系統(tǒng)各層必須逐層按序調(diào)用,客戶端瀏覽器不能跨越中間層直接訪問數(shù)據(jù)庫,而必須先使用通信接口與中間層建立連接,中間層再調(diào)用ADO.NET完成對數(shù)據(jù)的最終操作[4]。通過分層規(guī)劃,有效實現(xiàn)了系統(tǒng)中各部分功能的模塊化、獨立化,達(dá)到高耦合低內(nèi)聚,使系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的靈活性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及更高的安全性。
圖2 ASP.NET 3層架構(gòu)圖Fig.2 Three-tier architecture of ASP.NET
傳統(tǒng)的人工巡視、手抄卡片等采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方式存在即時性差、可靠度低等問題,已不再適用于當(dāng)今的生產(chǎn)環(huán)境,本系統(tǒng)采用基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和雙向傳輸。基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 ZigBee無線通信技術(shù),是一種適用于短程、低功耗、高可靠度和低成本的雙向數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域[5]。數(shù)據(jù)采集是利用數(shù)據(jù)采集終端從生產(chǎn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)并及時傳入到云數(shù)據(jù)庫中,采集的數(shù)據(jù)是可被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種模擬量或數(shù)字量,根據(jù)經(jīng)編車間需求和經(jīng)編工藝特點,采集的數(shù)據(jù)主要包括:機(jī)器編號;擋車工號;機(jī)器速度V,r/min;匹號;縱密P,橫列/cm;落布米數(shù)DL,m;停車時間TS,h;停車原因;當(dāng)班能耗E,kW·h等。由采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算可得機(jī)器當(dāng)前產(chǎn)量LC=60VT/100P。其中T為實際生產(chǎn)時間,由當(dāng)前時間減去停車時間TS獲得。為了更好地分析停車原因,經(jīng)編機(jī)停車時終端機(jī)會自動跳出停車原因選擇界面,若為坯布疵點則會記錄疵點位置和長度[6]。
2.1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集終端主要由傳感模塊、數(shù)據(jù)處理存儲模塊和無線通信模塊組成,經(jīng)認(rèn)真比較,選用Chipcon公司的CC2430 ZigBee芯片,因為它與同類產(chǎn)品相比具有集成度高、功耗低、與ZigBee/802.15.4全兼容的硬件層和物理層以及增強(qiáng)型8051內(nèi)核。此外,該芯片還集成了8KB的隨機(jī)存儲器(RAM)和256KB的閃存,用該芯片設(shè)計經(jīng)編數(shù)據(jù)采集終端既可以提高系統(tǒng)性能,又可以方便系統(tǒng)升級需求?;赯igBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計如圖3所示。
圖3 硬件設(shè)計簡化框圖Fig.3 Simplified block diagram of hardware design
傳感模塊由PT100溫濕度傳感器采集經(jīng)編車間環(huán)境信息、智能電表記錄能耗、TK12-N轉(zhuǎn)速傳感器采集主軸轉(zhuǎn)速以及射頻識別(RFID)卡獲取員工操作記錄。
數(shù)據(jù)存儲模塊采用的是容量大、可靠性高、改寫速度較快的計算機(jī)閃存設(shè)備。
無線通信模塊是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵,該模塊主要包括CC2430、功放芯片CC2591和一小部分外圍電路。在經(jīng)編車間里,經(jīng)編機(jī)數(shù)量多分布廣,CC2430芯片傳輸范圍有限,功放芯片可以延伸節(jié)點的傳輸范圍,這樣既可以減少路由器數(shù)量,同時也可提高通信質(zhì)量。
2.1.2數(shù)據(jù)輪詢機(jī)制
ZigBee網(wǎng)絡(luò)帶寬有限,當(dāng)車間多個節(jié)點同時主動發(fā)送數(shù)據(jù)時,將導(dǎo)致傳輸網(wǎng)絡(luò)擁塞并出現(xiàn)數(shù)據(jù)延時和丟失。為保證數(shù)據(jù)采集的實時性和可靠性,本系統(tǒng)在ZigBee數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中引入小數(shù)據(jù)包輪詢的機(jī)制。該機(jī)制由ZigBee中心節(jié)點發(fā)起傳輸請求,然后依次詢問車間其他的子節(jié)點,確保任意時刻信道中有且僅有一條通信處于開啟狀態(tài)。運(yùn)用這種輪詢機(jī)制,避免了某一經(jīng)編機(jī)終端在某一段時間內(nèi)持續(xù)占用無線信道,這樣就既能保證數(shù)據(jù)傳輸速度,又能使報修等關(guān)鍵信息及時向上層發(fā)送。
RFID無線射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)[7],它無需與物料接觸即可識別特定目標(biāo)并實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)訪問與讀寫。電子產(chǎn)品代碼(EPC)作為唯一的身份標(biāo)識,附著在每個目標(biāo)物體上,另外還可根據(jù)用戶需求在存儲區(qū)域?qū)懭胩囟ㄐ畔?,這些優(yōu)點都是原始的條形碼技術(shù)無法匹及的。在經(jīng)編生產(chǎn)過程中,管理人員要想實時了解計劃執(zhí)行進(jìn)度、設(shè)備、物料、半成品的狀態(tài),必須要對物料進(jìn)行唯一標(biāo)記,擋車工也應(yīng)分配RFID白卡標(biāo)識身份。在RFID的數(shù)據(jù)采集終端,擋車工通過刷卡進(jìn)行登錄,然后掃描坯布上的標(biāo)簽,再開始生產(chǎn)。此時,該擋車工對應(yīng)的生產(chǎn)信息就會自動錄入后臺數(shù)據(jù)庫。當(dāng)達(dá)到落布要求時,剪下坯布,再次掃描一下坯布標(biāo)簽,系統(tǒng)會記錄相關(guān)信息并存入數(shù)據(jù)庫,然后將坯布送到驗布車間檢驗。若生產(chǎn)過程中發(fā)生設(shè)備異常,應(yīng)及時停機(jī)并點擊數(shù)據(jù)采集終端上的呼叫報修按鈕,機(jī)修工會收到通知并及時趕到現(xiàn)場。在機(jī)修工調(diào)機(jī)前應(yīng)刷一下自己的RFID卡,終端會記錄調(diào)機(jī)時間、當(dāng)前訂單號、設(shè)備狀態(tài)等信息并存入數(shù)據(jù)庫。若生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)坯布疵點,只需手動選擇疵點類型,數(shù)據(jù)庫會自動記錄當(dāng)前疵點位置及對應(yīng)的疵點信息,數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。
注:JSON為一種輕量級的數(shù)據(jù)交換模式。圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Flow chart of data acquisition
在生產(chǎn)過程中,所有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)都被臨時保存在本地數(shù)據(jù)庫中,再通過本地服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)同步到與數(shù)據(jù)庫。后道環(huán)節(jié)中,只需掃一下生產(chǎn)單的電子標(biāo)簽,就可得到生產(chǎn)過程的全部信息,從而實現(xiàn)提高數(shù)據(jù)采集效率、減少人工錄入的易錯性和對產(chǎn)品質(zhì)量的全方位追蹤,滿足經(jīng)編車間實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時性和有效性要求。
經(jīng)編車間生產(chǎn)品種多、變化快,翻改品種頻繁,多用戶同時操作,另外企業(yè)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)龐大、業(yè)務(wù)邏輯復(fù)雜,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生并發(fā)故障,因此需要制定完善的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行合理的設(shè)計,并通過ADO.NET數(shù)據(jù)訪問接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問,以提高數(shù)據(jù)處理效率,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的目的。
首先,根據(jù)收集的數(shù)據(jù)源抽象出實體對象,再根據(jù)實際的業(yè)務(wù)需求和規(guī)則建立各實體對象之間的聯(lián)系,進(jìn)而確定各關(guān)系之間的約束。實體對象完成任務(wù)的前提是明確實體對象的行為,如瀏覽器對象模型信息的編輯、工序管理信息的錄入、原料庫存的更新等。同時,由于經(jīng)編企業(yè)實際生產(chǎn)中各個業(yè)務(wù)對象之間并非完全獨立,而是相互關(guān)聯(lián),如計劃排單的調(diào)整、原料庫存信息反饋、擋車工平均產(chǎn)量的換算等業(yè)務(wù)規(guī)則,而這些規(guī)則約束了某些業(yè)務(wù)對象的屬性和關(guān)系。為保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的正確性、有效性和一致性,數(shù)據(jù)庫完整性約束必不可少。完整性約束主要有實體完整性約束、參照完整性約束、函數(shù)依賴約束、統(tǒng)計約束4類[8]。
在經(jīng)編MES系統(tǒng)中,用戶不直接訪問數(shù)據(jù)庫,而是通過ADO.NET數(shù)據(jù)訪問接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問,交互過程如圖5所示。ADO.NET技術(shù)有二大突出優(yōu)勢:一是能夠靈活訪問不同類型數(shù)據(jù);二是采用中斷式訪問模式。完成此任務(wù)的是由ADO.NET提供的NET Framework數(shù)據(jù)提供程序和DataSet[9]2個核心組件。NET Framework 數(shù)據(jù)提供程序包括一系列快速處理數(shù)據(jù)的對象,如Connection、Command、DataAdapter等。DataSet像一個簡單化的關(guān)系數(shù)據(jù)庫,用于高速緩存數(shù)據(jù)。針對任何業(yè)務(wù)流程的操作,最終都可抽象為對數(shù)據(jù)庫的查詢、插入、修改以及刪除運(yùn)算。為避免代碼里出現(xiàn)很多SqlConnection、SqlCommand等類和方法,同時為保證后臺代碼的簡潔和可維護(hù)性,系統(tǒng)采用微軟提供的一個靜態(tài)類SqlHelper。數(shù)據(jù)訪問功能被封裝在SqlHelper類的一組靜態(tài)重載方法中,需要訪問數(shù)據(jù)庫時,調(diào)用SqlHelper的靜態(tài)方法,傳入相應(yīng)參數(shù)即可。
圖5 ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問過程Fig.5 Data access process of ADO.NET
數(shù)據(jù)鏈路層(HDLC)能夠連接網(wǎng)絡(luò)層和物理層,是確保數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)淖畹蛥f(xié)議層。數(shù)據(jù)鏈路層主要實現(xiàn)分組轉(zhuǎn)發(fā)、確認(rèn)、差錯控制、優(yōu)先級排隊、控制擁塞、控制拓?fù)涞裙δ?。為了提高差錯控制,數(shù)據(jù)鏈路層將比特流組合成以幀為單位傳送,每個幀除了傳送信息字段外,還傳送標(biāo)志字段、校驗字段等數(shù)據(jù),HDLC標(biāo)準(zhǔn)幀格式如圖6所示。接收方根據(jù)校驗碼對收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行逐條檢測,若發(fā)現(xiàn)其中存在錯誤數(shù)據(jù)則返回請求重發(fā)的應(yīng)答,應(yīng)答回傳到發(fā)送方后,發(fā)送方只需解析編碼重發(fā)對應(yīng)數(shù)據(jù)幀,而不用整體數(shù)據(jù)都重傳,這種選擇性重傳極大的節(jié)約了資源,提高了信道利用率。選擇性重傳的信令流程如圖7所示。
圖6 HDLC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式Fig.6 Sandard data frame format of HDLC
圖7 選擇性重傳的信令流程Fig.7 Signaling procedure of selected retransmission
經(jīng)編MES系統(tǒng)包含多個模塊,為了使系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定性得到提高,根據(jù)經(jīng)編企業(yè)實際需要給系統(tǒng)設(shè)定不同管理角色,每個角色擁有一定權(quán)限,再將角色分配給用戶,角色和用戶之間為多對多的映射關(guān)系。用戶與權(quán)限之間不會直接關(guān)聯(lián),而是由角色分配權(quán)限,實現(xiàn)了訪問權(quán)和用戶的分離,極大的簡化了權(quán)限管理同時保證了數(shù)據(jù)安全[10]。
對于企業(yè)來說,用戶信息安全是最重要的,一旦密碼被破解整個數(shù)據(jù)庫就存在重大安全隱患。本系統(tǒng)中采用信息摘要算法(MD5加密)技術(shù)來解決這個問題,將用戶密碼經(jīng)過MD5加密后再存入數(shù)據(jù)庫中,最后當(dāng)用戶登錄時對比用戶加密口令和數(shù)據(jù)庫密文,兩者完全一致時才實現(xiàn)登錄。
相比直接使用結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)語句,調(diào)用存儲過程操作數(shù)據(jù)可以提高執(zhí)行的速度,存儲過程在調(diào)用時只進(jìn)行一次解析,然后存在內(nèi)存中,而執(zhí)行SQL語句每次都要進(jìn)行解析[11]。為保證程序免受SQL注入攻擊,調(diào)用全部使用參數(shù)化的存儲過程,而不是通過字符串的簡單拼接。只要存儲過程接口不改變,任何對數(shù)據(jù)庫的修改都不會影響web表示層和業(yè)務(wù)邏輯層,這為系統(tǒng)的修改維護(hù)提供了便利。
為提高客戶端/服務(wù)器頁面交互過程中用戶體驗,解決請求過程中等待服務(wù)器響應(yīng)的低效、費時,經(jīng)編MES頁面中應(yīng)用Asynchronous Javascript and XML(AJAX)技術(shù)[12]。AJAX技術(shù)是一種交互式動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù),它通過后臺服務(wù)器少量的數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)web頁面異步更新。經(jīng)編制造執(zhí)行系統(tǒng)主要包括車間管理、設(shè)備管理、生產(chǎn)計劃、疵點統(tǒng)計等功能模塊,其中車間管理模塊涉及到頻繁刷新操作,但發(fā)生變化的往往只是頁面中的一小部分,如果每次服務(wù)器都生成整個頁面再返回給客戶端,則無形中增加了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸量,加大了服務(wù)器負(fù)擔(dān)。此外,等待期間會出現(xiàn)白屏或者頁面閃爍,降低用戶體驗,因此,利用AJAX異步交互模式,通過核心組件 XMLHttpRequest對象傳遞數(shù)據(jù),然后用JavaScript綁定和處理所有數(shù)據(jù)。系統(tǒng)應(yīng)用AJAX技術(shù)后,界面顯示速度明顯提高、服務(wù)器負(fù)載降低、人機(jī)交互體驗良好。
經(jīng)編企業(yè)通過傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)報表來觀察分析生產(chǎn)數(shù)據(jù),很難直觀看到數(shù)據(jù)走勢及其結(jié)構(gòu)關(guān)系,所以經(jīng)編MES系統(tǒng)的web頁面采用HTML5中的Canvas繪圖技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示[13]。現(xiàn)在的主流瀏覽器大部分都支持HTML5標(biāo)準(zhǔn),基于Canvas的數(shù)據(jù)可視化模型如圖8所示。Canvas技術(shù)實質(zhì)上是在頁面中加入1個畫布標(biāo)簽,通過JavaScript完成畫布中數(shù)據(jù)操作和圖像渲染。通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù),用戶可以清晰、直觀地看到車間每臺機(jī)器訂單排列情況及當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)度、機(jī)器在某段時間內(nèi)的運(yùn)行效率及停機(jī)原因、擋車工工作時間、工作效率及績效工資統(tǒng)計等,并可以按自己的需求查詢出相應(yīng)的報表,如查詢一段時間內(nèi)某幾臺機(jī)器的運(yùn)行效率來分析機(jī)器故障原因、查詢?nèi)舾蓳踯嚬ぴ谀硶r間段內(nèi)對同一品種訂單的生產(chǎn)效率來評估平均生產(chǎn)水平等。
圖8 基于Canvas的數(shù)據(jù)可視化模型Fig.8 Data visualization model based on Canvas
數(shù)據(jù)可視化通過多維度分析展示經(jīng)編生產(chǎn)數(shù)據(jù),使用戶能夠高效直觀地分析數(shù)據(jù)關(guān)系及其中的隱含信息,為經(jīng)編企業(yè)計劃層提供了良好的決策支持,有效銜接了上層和車間制造層之間的信息“鴻溝”。
為驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,已將系統(tǒng)應(yīng)用于浙江海寧某經(jīng)編企業(yè),該企業(yè)正在使用的設(shè)備有35臺。經(jīng)過一段時間運(yùn)行,對比企業(yè)實際產(chǎn)量數(shù)據(jù)和MES系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示,坯布產(chǎn)量精確度相差小于1%,采集終端界面如圖9所示,使用系統(tǒng)后生產(chǎn)排單清晰直觀,員工績效、疵點數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度等數(shù)據(jù)實時同步,減少了車間管理人員的煩瑣勞動。
表1 數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of data
圖9 數(shù)據(jù)采集終端界面Fig.9 Interface of data acquisition terminal
基于ASP.NET的經(jīng)編MES系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)編企業(yè)實際情況設(shè)計、人際交互友好、易于升級維護(hù),很好地滿足了經(jīng)編車間生產(chǎn)管理的需求。采用一系列數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和安全性技術(shù)保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的正確有效提供保障。所設(shè)計的web前端頁面在降低服務(wù)器負(fù)載的前提下,可實現(xiàn)無刷新更新和實時監(jiān)測可視化效果,為管理者提供真實有效的決策依據(jù)。
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