基于MTConnect的喷气织机远程监控系统设计

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(1.山东大学机械工程学院，济南　250061;2.山东日发纺织机械有限公司，山东聊城　252000)

当前，国产喷气织机产业发展迅速，各种新型喷气织机被先后推出，对织机远程监控系统的研究已经成为各高校、企业、研究机构关注的热点之一，相应也取得了一定研究成果。董卿霞[1]借助局域网开发了一套C/S架构的织机监测系统，能够在局域网内部完成对车间织机的监测。邓玉文[2]研发了一套基于Web技术的喷气织机网络管控系统，借助CAN网关监控程序与服务器进行信息交互，对喷气织机生产车间进行网络管控。罗东升[3]开发了一套织机实时织造信息管理系统，采用硬件采集卡采集织机数据，选用TCP/IP协议组建信息管理系统，实现远程监测。北京经纬纺机针对棉纺设备开发了经纬E系统[4-6]，能够监视纺织设备的运行信息，并统计监视的信息。无锡丝普兰公司为喷气织机配备有SPR1000喷气织机网络监控系统[7]，系统不仅能够采集、监视喷气织机的实时状态，还具有部分生产管理功能。以上织机远程监测系统虽然在一定程度上实现了对喷气织机的远程监控，但各系统之间缺乏统一的数据接口，限制了不同设备、系统的互联互通。针对这一现状，本文研究了MTConnect协议，为喷气织机控制系统添加了标准数据输出接口，并完成了基于B/S架构的喷气织机远程监控系统设计。

1　喷气织机控制系统MTConnect接口设计

1.1　MTConnect分析

图1　MTConnect应用示例

MTConnect[8-10]是美国机械制造技术协会提出的一种基于开放式协议的数控设备互联通信协议，其目的是提高设备的数据采集功能，增强设备的互操作性，创造一种“即插即用”的应用环境。虽然MTConnect协议最初是针对数控机床提出的，但是其具有超强的设备描述能力[11]，且用户可根据需要添加描述元素，因此其适用于喷气织机监测信息的描述。图1所示为MTConnect在实际应用中主要包括4种模型概念：设备、适配器、代理和客户端。其中，设备是所要监测的目标单位，也是监测数据源；适配器是一种数据格式转化器，用于将设备原始数据转化为代理能够识别的数据格式；代理是MTConnect的核心，负责采集、存储设备数据，并响应客户端HTTP请求，与客户端进行数据交互；客户端是监测数据的最终使用者，可以是应用分析软件或是其他处理系统。本文借助MTConnect 协议，为喷气织机控制系统设计标准数据输出接口，远程监控服务器作为MTConnect客户端与各喷气织机控制系统MTConnect接口通信，完成分散织机数据的采集。

在MTConnect协议中，XML语言被用于描述设备的各项监测信息。MTConnect协议采用4种类型的XML文件对设备进行描述，即MTConnectDevices、MTConnectStreams、MTConnectErrors和MTConnect-

Assets。MTConnectDevices是设备描述文件，在完整的设备描述文件中，包含设备集(Devices)、组件集(Components)等。其中设备集可以包含多个设备，在本文中，设备即喷气织机；组件集是组件的集合，组件指的是轴(Axes)、传感器(Sensors)、控制器(Controller)等。每个组件可以包含多个数据项(DataItems)，用于描述组件的各个属性。MTConnectStreams是数据流文件，设备和组件的具体数据通过此文件描述。MTConnectErrors是错误文件，当客户端请求出现错误时，则通过此文件将错误报告返回给客户端。MTConnectAssets是资产描述文件，主要和机床加工刀具相关，在喷气织机设备描述中忽略此文件。

1.2　基于MTConnect的喷气织机监测信息建模

对喷气织机监测信息进行基于MTConnect的建模需要明确喷气织机的机械结构和所需监测的信息。喷气织机主要包括3个平行传动轴和布面张力传感器，3个平行传动轴分别是织机主轴、送经轴和卷取轴，其中送经轴和卷取轴同步运行，将其简化为一个进给运动轴。喷气织机所需监测内容主要包括：织机主轴转速、工作效率、布面张力及报警信息等织机状态信息；织机系统参数、工艺参数、张力参数等配置信息；报表统计等历史信息。本文主要针对织机状态信息完成基于MTConnect的喷气织机远程监控系统设计与验证。

图2所示为基于MTConnect的喷气织机状态信息结构图，图2描述了喷气织机的供电系统、张力传感器、织机主轴和进给运动轴。根据喷气织机状态信息结构图，可使用XML文件对喷气织机运行状态信息进行描述。图3所示为喷气织机的状态信息描述文件，文件中，除了图2中的基本信息，还增加了运行效率、当前状态、挡车工等数据项，并根据MTConnect协议规定为各数据项的id，type，category等属性进行了赋值。

图2　基于MTConnect的喷气织机状态信息结构

图3　喷气织机状态信息描述文件

1.3　MTConnect接口设计

喷气织机控制系统MTConnect接口负责读取喷气织机控制系统内部数据，将数据统一整合为符合MTConnect标准协议的数据格式，并将其存储于临时存储区。当接收到客户端发送的HTTP请求，MTConnect接口做出响应，返回符合标准协议的织机数据。在MTConnect协议中，客户端主要有4种HTTP请求，即Probe、Sample、Current和Asset。其中，Probe请求用于查询设备的组件和数据项，代理返回MTConnectDevices文档；Sample请求用于查询某一段数据，代理返回MTConnectStreams文档；Current请求用于查询设备组件的当前状态，代理返回MTConnectStreams文档；Asset请求用于获取设备资产信息，本文不涉及此类请求。

MTConnect接口的设计重点是代理的设计，美国制造技术协议为方便用户开发代理端程序，提供了代理软件开发工具。该开发工具提供了一系列函数接口，用户可直接以DLL类库的形式调用。如图4所示，为喷气织机控制系统MTConnect接口工作原理图。MTConnect接口主要包括4个模块，即数据读取模块、XML解析器、数据存储模块和HTTP Server。

a) 数据读取模块从喷气织机控制系统的配置文件、Sqlite数据库以及共享内存中获取监测数据，并借助开发工具提供的IData函数接口将数据存储入数据存储模块。

b) XML解析器负责解析设备描述文件和代理配置文件，并根据XSD定义文件校验设备描述文件。在XSD文件中对设备描述文件中的组件、属性等均有定义，用户可根据需要添加定义。

c) 数据存储模块按照MTConnect协议整合Probe、Current、Error请求的响应数据包，并将数据包存储在临时存储区。当客户端有HTTP请求进入时，利用.NET LINQ技术[12]从存储区内获得相应数据包。

d) HTTP Server侦听HTTP请求，进而从数据存储模块中得到响应数据包，并做出响应。

图4　喷气织机控制系统MTConnect接口原理

2　喷气织机远程监控系统设计

2.1　数据传输模型设计

喷气织机远程监控系统的数据传输模型包含两层含义：喷气织机监测信息的上传和远程控制指令的下发。喷气织机监测信息通过MTConnect接口即可获得，然而由于MTConnect协议尚不支持控制指令下发，因此自定义数据协议传输加密/解密控制指令。图5所示为自定义数据包结构，数据包由前导符、数据属性、数据长度、组包数据、加密码以及CRC校验码组成。其中，前导符占据6个字节位，

用于对数据包做第一道校验，检测其是不是本系统内部定义；数据属性占据1个字节位，用于标识数据包的类型；数据长度占据2个字节位，用于记录组包数据的字节数，组包数据可以包含多个数据节点，分别存储不同数据；加密码占据6个字节位，基于MD5加密算法[13]获得，是保证加密/解密控制指令安全性的又一道保障；CRC校验码占据4个字节，用于校验数据包传输过程中是否出现错误。喷气织机监测信息符合MTConnect协议标准，为提高监测信息的安全性，防止信息泄露，MTConnect数据包同样按照图5的数据包结构再次组包。

图5　自定义数据包结构

如图6所示，在喷气织机控制系统软件上层设计有MTConnect接口和协议解析模块，协议解析模块负责解析控制指令数据包，为统一管理，在MTConnect接口和协议解析模块上层设计有请求过滤模块，该模块对接收到的数据包按照自定义的数据结构进行过滤，将HTTP请求数据包传递给MTConnect接口处理，而控制指令数据包交由协议解析模块处理。

图6　喷气织机控制系统软件上层模块示意

2.2　系统整体设计

如图7所示，喷气织机远程监控系统在硬件上主要需要以下设备：带有通用串口的工业控制计算机、串口转Wi-Fi模块、工业路由器、云服务器、远程客户端。

工业控制计算机作为喷气织机控制系统的上位机主控制器，其上运行有喷气织机控制系统上位机软件和与喷气织机远程监控系统相关的各功能模块。喷气织机工业控制计算机通过串口通信线与串口转Wi-Fi模块相连接。

串口转Wi-Fi模块负责透明转发串口与服务器之间的数据。本系统中的串口转Wi-Fi模块选择的是济南有人物联网公司开发的工业级产品，该模块能够实现串口与Wi-Fi之间数据的双向透明传输。串口转Wi-Fi模块既可以作为TCP Server存在，也可以作为TCP Client工作，在本系统，该模块作为TCP Client存在。串口转Wi-Fi模块与远程服务器的通信是采用Socket通信的方式完成的，该模块相当于Socket通信的TCP Client，而布置在云服务器上的数据处理模块相当于Socket通信的TCP Server。

图7　喷气织机远程监控系统整体方案

工业路由器负责提供网络接入服务，通过工业路由器，车间织机与云服务器完成信息交互。

云服务器是喷气织机远程监控系统的核心，其上运行有数据处理模块和远程监控服务器，远程监控服务器包括数据库服务模块和Web服务模块。数据处理模块作为车间织机与服务器Socket通信的TCP Server，与车间各织机的串口转Wi-Fi模块建立连接。系统正常运行时，数据处理模块主动向喷气织机控制系统MTConnect接口发送HTTP请求获取各织机信息，并将织机监测信息分类存储到数据库服务模块。另外，数据处理模块定时检测数据库服务模块中的织机加密/解密控制信息，并将该控制指令按照前文的自定义数据协议打包下发给车间织机上位机主控制器，实现远程控制。数据库服务模块是车间织机与远程用户进行数据交互的媒介，车间喷气织机需要远程监视的数据被上传到数据库服务模块以备查看，远程用户借助于Web服务模块将加密/解密等控制指令写入数据库服务模块，以备数据处理模块检测。Web服务模块用于提供监控信息浏览服务，其响应用户的HTTP请求，与数据库服务模块完成数据交互。

3　实验验证

喷气织机远程监控系统开发完成后，需要对系统进行系统功能测试和现场车间试验，以检测系统的可行性。

3.1　系统功能测试

图8所示为喷气织机远程监控系统功能测试环境。系统功能测试是在实验室内部搭建起喷气织机远程监控系统进行的测试，服务器、客户端均接入内部局域网，喷气织机通过串口转Wi-Fi模块接入同一局域网。由于内部测试过程中，喷气织机控制系统未实际控制喷气织机机械结构运动，因此编写测试文件，按照测试文件手动操作喷气织机控制系统软件模拟喷气织机正常工作。

图8　系统功能测试环境

系统功能测试主要测试喷气织机远程监控系统的逻辑功能、Web服务器的兼容性等内容，如图9所示。

图9　喷气织机远程监控系统织机列表页面

为喷气织机远程监控系统功能测试过程截图，图9显示了配备有喷气织机远程监控系统的织机列表，通过该列表可选择查看某一特定喷气织机的具体监测信息(图10)。经测试，基于MTConnect的喷气织机远程监控系统方案可行。

图10　喷气织机运行状态页面

3.2　现场车间试验

在本系统中，喷气织机采用无线连接的方式与服务器通信，由于无线连接的抗干扰能力相对较弱，因此系统功能测试完成后，还需进行现场车间试验，进一步验证喷气织机远程监控系统在车间复杂环境下的稳定性和远程控制对车间喷气织机的影响。图11所示为该系统被配备在新疆某纺织企业现场图，服务器布置在云服务器中，客户端通过公共网络访问服务器。图12所示为车间喷气织机控制系统上位机软件显示的喷气织机运行信息，图13所示为喷气织机远程监控系统监测到的该喷气织机的运行信息，对比后发现，远程监测的信息与喷气织机控制系统上位机软件显示的一致。通过喷气织机远程监控系统对车间织机进行远程加密/解密操作，车间织机运行正常，远程加密/解密操作不会影响车间喷气织机的安全性。

图11　车间试验现场

图12　喷气织机控制系统上位机软件显示界面

图13　喷气织机远程监控系统显示页面

4　结　语

本文针对现存织机远程监控系统缺乏统一数据接口这一问题，研究了MTConnect协议，为喷气织机控制系统设计了MTConnect接口，实现了监测信息的标准输出。对于远程加密/解密等控制指令的下发，则通过自定义数据协议完成。系统基于B/S架构设计完成，服务器布置在云服务器上，远程用户不受地理位置限制，可实时对车间喷气织机进行远程监控。最后分别对喷气织机远程监控系统进行了系统功能测试和现场车间试验，经测试，系统方案可行。