基于微信的1580產線設備移動管理平臺設計與實現

徐承贏 王 蕾 郭鈺瑤 董浩然 夏緒輝

(武漢科技大學冶金裝備及控制教育部重點實驗室 湖北 武漢 430081)

0 引 言

近年來，隨著我國經濟發展進入新常態，鋼鐵行業發展環境發生了深刻變化，處于轉型升級的關鍵時期，多數鋼鐵企業為了擺脫困境，實現制造強國的目標，開始細化落實《智能制造“十三五”發展規劃》中智能發展的基本方針，明確提出在“十三五”期間要推進信息技術與制造技術深度融合，提高企業智能化水平和核心競爭力，利用智能技術打造“互聯網+”的產業生產體系。設備智能化管理作為鋼鐵企業實現智能升級的核心，成為鋼鐵企業關注的重點。

目前，企業內部的大多數設備管理及調度平臺都是基于內部集成控制系統，可視化及管理終端為電腦。Tyrin等[1]設計了一種對車間內生產資源進行實時調度與控制的多智能體系統(Multi-Agent System，MAS)，并在實際車間進行實施與應用。Abrishamkar等[2]提出了一種基于TCP/IP的控制和監控系統，能夠提高企業的自動化程度。方磊等[3]設計并開發了能對數字化車間的生產狀態信息進行實時監控、繼承和處理的監控系統，并在實際的離散型制造企業中驗證了其有效性。目前，設備移動管理平臺相對較少，少量已有平臺主要為基于Android的獨立App系統，如譚海紅等[4]設計出一種基于Android的遠程監控系統，利用Wi-Fi和Socket機制UDP協議技術實現了移動終端與中心控制器的通信，并在數控機床車間得到了應用；李超等[5]提出了基于制造執行系統的離散車間生產管理模型，通過引入安卓移動終端的信息推送等相關技術，對車間的生產活動進行遠程監控和管理。已有的以電腦為終端的管理平臺靈活性不足，而基于Android的獨立App因移動設備系統的約束，導致其普適性較微信公眾平臺要弱。

據此，本文提出一種基于微信的1580產線設備移動管理平臺，該平臺實時性強，響應速度快，支持并發操作，能夠以一種更加高效的方式進行產線設備的管理。這一方面能提高設備實時管理效率，更能提升車間生產活動的智能性和柔性，從而促進企業的轉型發展。另一方面，該平臺能很好地集成微信的普適性、便利性、實時性等優點，使其開發成本更低，適用性和推廣性更好，為進一步應用信息化和互聯網技術構建多類型的智能生產及設備管理平臺提供借鑒和參考。

1 相關技術

1.1 MINA框架

微信小程序的頁面呈現是基于微信小程序開發提供的MINA框架。MINA框架可以分為邏輯層、視圖層和系統層三個部分[6]，如圖1所示。微信小程序內容具體是由全局文件、頁面文件和工具配置文件組成。微信小程序的全局配置保存在app.json文件中，該文件主要包含以下3個配置。

(1) pages：頁面路徑的數組，接收一個數組，對應每一項都是字符串，表示小程序要加載的所有頁面，每一項代表對應頁面的【路徑+文件名】信息。

(2) window：框架樣式(狀態欄、導航條、標題、窗口)，用于設置框架樣式等對象的背景色、內容屬性，非必填配置項。

(3) tabBar：可設置頂部或底部菜單，通過tarBar配置項來指定小程序標簽頁的表現以及標簽頁切換時所顯示的對應頁面。

圖1 MINA框架

微信用于設備管理的優勢是通過微信平臺及時獲取與1580熱軋生產線設備有關的全部文檔和信息，對車間設備信息狀態管理，便于管理人員對設備進行及時維護[7]。

在平臺上能夠及時查詢到班組人員與生產調度信息，對設備運行數據的統計與儲存[8]，為管理人員下個月的排產提供依據。

1.2 MDC系統功能

MDC系統主要功能有：同時自動采集數百臺自動化、半自動化設備的數據；兼容絕大多數的控制系統；可從網絡上任何計算機終端監控所有設備的狀態；為用戶提供OEE等各類專業報表。因此對各個1580產線的設備可進行實時、高效、統一的采集。MDC的采集方案是系統硬件通過通信協議解析和數據轉換，統一轉換為TCP/IP以太網傳輸協議，針對不同的設備有不同的采集方案，大致可以分為通過設備本身接口、PLC采集、外置硬件采集、條碼掃描等。

MDC系統軟件在硬件基礎上對數控設備進行實時、自動、客觀、準確的數據采集，實現生產過程的透明化管理[9]，以OPC(object linking and embedding for process control)協議形式提供數據。工作流程MDC協議解析主流程如圖2所示。

圖2 MDC協議解析流程

2 基于微信的設備移動管理平臺總體設計

2.1 設備移動管理平臺設計

1580車間整個工序的簡要過程為修磨、板坯稱重，加熱、粗軋高壓水除磷，進熱卷箱保溫后飛剪切頭尾、精軋、層流冷卻，成品入庫。車間生產設備包括修磨機1臺、推鋼機1臺、出鋼機1臺、加熱爐1臺、高壓水除磷機2臺、粗軋機1臺、熱卷箱2臺、飛剪機2臺、精軋機7臺、水冷裝置6臺、層流冷卻裝置1臺、地下卷取機2臺、稱重機2臺、輥道12臺。該車間具備數字化生產條件，但設備眾多，設備信息孤島現象明顯，可追溯性差。

經反復研究設計，結合鋼鐵企業熱軋1580智能車間升級改造需求[10]，設計基于MDC(Manufacturing Data Collection & Status Management)[11]的1580產線設備移動管理平臺，該平臺的體系拓撲結構如圖3所示。

圖3 基于MDC的1580產線設備移動管理平臺體系拓撲結構

基于MDC的1580產線設備移動管理平臺體系拓撲結構在傳統MDC的基礎上，融入云制造和移動物聯管理的理念，平臺系統的硬件設施由MDC服務器、數據庫服務器、Web服務器、路由器、交換機、微信客戶端和微信公眾平臺七部分構成，擬實現集設備基本信息查詢、設備狀態實時監控、車間人員管理于一體的1580產線設備移動管理。

2.2 設備移動管理平臺接入系統架構

設備移動管理平臺接入系統采用基于物聯網的設備接入架構，實現從底層設備接入和信息互聯管理[12]。該接入系統架構，通過物聯網采集終端獲取設備運行狀態、生產環境等數據，設備的實時位置信息可以通過短信、郵件等方式實時推送，也可通過平臺進行準確查詢和定位顯示。物聯接入系統共由四部分組成(物聯網設備端、物聯網設備云平臺端、物聯網Web后臺服務器、用戶端)，如圖4所示。

圖4 設備移動管理平臺物聯接入系統架構

1580產線設備采用了網關接入網絡：終端設備通過Zigbee無線組網，且Zigbee網關將各設備數據統一接入到網絡里面。由于物聯網終端設備不具備入網能力，需要在本地組網后，統一通過網關再接入到網絡。

2.3 基于微信平臺的物聯網架構

手機/微信客戶端、微信公眾平臺/硬件平臺、第三方廠商云后端、Wi-Fi設備終端和藍牙設備終端是基于微信硬件平臺的物聯網架構組成部分。

騰訊向開發者和大眾提供公眾平臺與硬件平臺，經過airsync/airkiss定義的硬件外設協議供硬件設備接入。

Wi-Fi模組的供應商提供socket通信接口，用戶不直接與Wi-Fi設備交互，所有交互均通過Wi-Fi設備商的云后端間接進行。藍牙微信模塊支持airsync協議，此協議允許藍牙設備與微信客戶端通信，包括設備的發現、綁定、登陸、初始化、接收用戶指令、主動發送消息等過程，并支持通過微信客戶端傳到遠程服務器，如圖5所示。

圖5 基于微信硬件平臺的物聯網架構

2.4 移動平臺工作流程

擁有移動設備的管理者通過掃描二維碼或者搜索小程序名稱進入本平臺。管理者在移動終端發出的請求會傳送到微信服務器端，微信服務器再將處理后的請求轉發至企業數據端[13]。數據端對請求進行解析和處理，將其返回至微信服務器端，服務器端將最終的處理結果返回移動終端，整體流程如圖6所示。

圖6 系統整體流程

整個系統包含三層：傳感器感知和數據采集層、云平臺與大數據分析層、應用顯示層。主要內容涵蓋了1580設備運行參數及感知層數據采集、基于分布式控制系統(DCS)的分布式閉環控制、云平臺大數據分析、相關的接口/協議/標準等。

本平臺擬采用智能化設備管理思想，從設備全生命周期管理出發，以設備預知性維護策略及生產計劃排程為核心，結合物聯網、數據挖掘和云計算等技術實現設備的智能感知、維護、實時預警和高效集成。

物聯感知層：該層通過網絡區域內的節點采集生產現場的設備數據，包括：設備環境數據、狀態數據及生產運行數據。區域內數據節點涉及的傳感設備種類較多，包括各類傳感器、攝像頭、移動終端及儀器儀表等采集裝備。

物聯網絡層：該層主要用于提供上傳設備數據到云平臺存儲中心所需的網絡環境，包括有線網絡、無線網及因特網，并實現網絡之間的自由切換和無縫對接。通過將物聯感知層的數據快速傳遞至云平臺存儲服務器，實現全網通信。此外，在網絡層設計面向不同設備類型的泛接入通信協議XM2M以及各種傳輸協議(如TCP、UDP、MPI等)，支持不同類型設備的接入。

云平臺層：云服務平臺層是整個平臺架構的核心，主要提供數據接入、存儲、計算、監控和管理等服務。該層包括平臺運行所需的軟硬件組成和各種研發要素，構建統一的基于云服務的硬件平臺、軟件基礎平臺、數據庫平臺，并通過整合各個應用功能軟件實現平臺開放式數據接口服務。此外，該層還提供設備數據挖掘服務，通過集成各種預測算法實現設備數據更深層次的挖掘分析，為后續的智能應用與決策提供有力保障。

應用層：該層基于數據挖掘模塊獲得的知識信息，針對各種業務需求提供相應的支持服務，包括設備健康狀態管理、設備管理及優化、遠程診斷、故障分析等核心功能應用。

物聯網接入系統與MDC系統對接，將物聯系統集成數據傳入平臺數據挖掘模塊，實現對設備故障情況、潛在隱患、異常征兆與劣化信息進行預測，及時做出故障分析、診斷和評估。此外，挖掘結果可基于可視化方法生成設備運行狀態、異常預測、故障分布趨勢等圖表。將上述可視化信息實時推送給設備維修部門，通過分析及時掌握設備運行情況和故障解決方案，并實施相應的工作調度和安排，指派維護人員及時趕到現場維修，從而達到提高設備生產效率、降低設備故障率，以及實現設備管控PDCA循環的目的。

2.5 平臺功能模塊設計

基于微信的1580產線設備移動管理平臺的功能分為用戶管理、車間設備信息管理、設備運行數據管理和系統管理4部分，功能結構如圖7所示。

圖7 1580產線設備移動管理平臺功能模塊

(1) 用戶管理功能模塊，主要對平臺用戶的基本信息、權限等進行管理。平臺用戶大多數為設備管理維修人員。管理維修人員將個人賬戶、個人信息及所負責設備進行綁定，中層管理者可以對這些信息進行統計和查詢。

(2) 車間設備信息管理功能模塊，主要用于設備基礎信息管理和設備關聯文檔信息管理，針對1580熱軋生產線設備這種資源設備密集的特點，對車間內所有設備進行統一方式編號，并提供以設備編號為唯一ID的設備文檔和信息跨時空的實時查詢功能，包括設備的采購憑證、安裝文件設備檢查憑證、保養說明書和改造憑證等。

(3) 設備運行數據管理功能模塊，是該平臺的核心，主要功能包括設備運行狀態管理、設備綜合效率(Overall Equipment Effectiveness，OEE)數據的統計與分析，設備維修管理和設備數據報表管理。設備運行狀態數據統計對于整條熱軋生產線來說具有非常重要的意義。通過數據統計，了解每臺設備的作業率。對于作業率超高的設備，有必要在制定生產計劃時對其進行調整，避免超負荷工作，同時做好保養與維護的工作；對于作業率低的設備，要查明其原因，如設備或零件老化磨損或生產排程等其他人為因素，及時采取措施解決，從而提升設備綜合效率。這些數據都儲存在數據庫中，中層管理人員可以每月將設備的運行數據進行導出，從而為下個月的排產提供依據。

(4) 系統管理功能模塊，包含系統維護、系統權限、系統菜單管理、系統安全管理四個模塊。其中：系統維護是對系統的性能、系統運行狀態進行檢查及時解決問題確保系統正常運行；系統權限是指系統具備用戶認證功能，避免因權限控制缺失或操作不當引發的系統風險；系統菜單管理中管理員可從數據庫獲取所有用戶和1580平臺設備信息進行合理設置其菜單項并提交保存；系統安全管理是為了防止非法訪問者訪問數據資源，保障云平臺的安全性。

2.6 基于influxDB的時序數據庫設計

傳統模式下1580產線設備出現故障無法及時發現和解決，導致設備工作效率低，運行成本高。因此，為了保障故障數據記錄與追蹤的功能需求，1580產線設備移動管理平臺數據庫要求包含故障前后一段時間的故障設備的全部運行數據，并存儲1年用于數據追溯。對此，普通關系型數據庫往往無法滿足，或需采用復雜的代碼來實現。而相比關系數據庫，時序數據庫能夠滿足海量數據存儲需求，給上層應用提供支撐，如：海量存儲、加速查詢服務，通用的SQL訪問接口等。同時，基于時序數據庫可實現故障數據記錄，其記錄數據精度可達到毫秒級別，從而具備對數據存儲及高效訪問應用引擎的支持能力。

考慮1580產線設備涉及數據類型多、數據量大，為了打破信息孤島，實現各系統數據共享，建立多系統集成模型，通過平臺管理MDC系統數據對數據庫進行重新設計。設計的系統主要依賴InfluxDB時序數據庫提供存儲，借助其快速存儲特性，確保1580車間設備信息實現高速存儲。同時，設備有關的大部分數據都能直接或間接地與時間戳掛鉤，從而提高1580產線設備管理平臺上人員、產品、設備及生產過程中重要信息的數據庫管理效率和精度，優化數字化加工車間相關生產需求數據庫表格和數據關系。

3 平臺功能實現

(1) 登錄頁面的實現。登錄界面，作為一個獨立界面，需要在pages目錄下新建一個文件夾。新用戶先點擊“注冊”新的賬號和密碼。已注冊用戶可直接輸入賬號和密碼“登錄”管理平臺。用戶點擊“登錄”或“注冊”按鈕，觸發事件，通過bindtap方法使頁面分別跳轉至管理平臺的首頁或用戶注冊頁，詳情頁和功能時序圖分布如圖8、圖9所示。

圖8 登錄頁面

圖9 用戶管理時序圖

(2) 今日排產與檢查班組信息查詢功能。用戶登錄后，進入首頁，可查看1580生產線情況，因其每天的生產任務和班組執行檢查的任務不同，需要每天進行修改和更新。因此管理人員通過微信小程序文件在checkdetail和groupdetail文件下的.wxml文件對“今日排產”和“檢查班組”詳情頁進行修改。其首頁如圖10所示，詳情頁如圖11和圖12所示。

圖10 首頁 圖11 今日排產頁 圖12 檢查班組頁

(3) 檢查與維修功能。檢查與維修按鈕在首頁下方，點擊相應的按鈕，小程序會分別跳轉至“pages/checkdetail/checkdetail”和“pages/repairdetail/repairdetail”路徑下。檢查員和維修員根據設備的實際情況填寫檢查單和維修單，最后提交。檢查單、維修單和維修時序圖分別如圖13-圖15所示。

圖13 檢查單頁 圖14 維修單頁

圖15 維修模塊時序圖

設備頁中可對1580產線設備進行實時搜索查詢，如圖16所示。在詳情頁中包含設備基本信息、設備關聯文檔兩部分?；拘畔⑸婕霸O備編號、名稱、生產商和狀態等。關聯文檔中有設備的采購憑證、安裝憑證、保養說明書和改造憑證。設備信息詳情頁如圖17、圖18所示。

圖16 設備詳情頁 圖17 設備基本信息 圖18 設備關聯文檔

(4) 我的頁面的實現。在“我的”頁面中，包括管理者的全部信息，并且可以進行修改，如圖19所示。

圖19 我的頁面

4 關鍵技術應用

4.1 微信全局配置

基于微信的1580產線設備移動管理平臺實現的關鍵，是合理地進行微信小程序的app.json全局配置，主要包括Pages配置、TabBar配置和Window配置。

(1) Pages配置項。Pages配置項作為小程序必配項，其主要用來定義組成微信小程序的所有頁面。Pages項是一個Array參數，Array里的各項分別對應pages目錄下的文件夾名稱，且均為字符串類型的參數。數組里的第一項默認為啟動小程序的第一個頁面。開發者在Page里新建文件夾后，微信開發者工具會自動在pages配置項Array中增加一項；若要刪除頁面，則需刪除Array中對應項，否則開發工具會報錯。本套小程序的pages配置項代碼如下：

{

"pages": [

"pages/index/index",

"pages/huangjiahu/huangjiahu",

"pages/qingshan/qingshan",

"pages/shapingba/shapingba",

"pages/machinedetail/machidetail",

"pages/relatedfile/relatedfile",

"pages/taskdetail/taskdetail",

"pages/groupdetail/groupdetail",

"pages/checkdetail/checkdetail",

"pages/repairdetail/repairdetail"

],

}

(2) TabBar配置項。TabBar配置項可以使用戶在主頁的不同頁面之間方便地進行切換，同時允許開發者靈活地設置TabBar和其樣式，以滿足實際的需求。需要設置的每一頁面都存放在TabBar配置項的list數組中。在數組中必須定義頁面路徑pagePath和Tabbar上面的文字text。開發者可以根據需求自行設置選中與未選中Tabbar時的圖標icon。本平臺采用“首頁”、“設備”和“我的”三個Tabbar頁面。

(3) Window配置項。Window配置項用于設置小程序頂部窗口。因其設置在app.json中完成，會對小程序包含的所有頁面進行渲染。本套小程序Window配置項代碼如下：

"window": {

"backgroundTextStyle": "dark",

"navigationBarBackgroundColor": "#000",

"navigationBarTitleText": "1580產線智能設備管理",

"navigationBarTextStyle": "white"

}

4.2 基于WebSocket的模塊通信技術

WebSocket是一種標準協議，可以實現Web瀏覽器和服務器之間的實時雙向通信技術，它是基于TCP的一種獨立實現[14]。在TCP協議中，MDC作為平臺核心部分，分別與其他各個模塊通信，WebSocket實現了瀏覽器與服務器雙全工(full-duplex)通信。

4.3 物聯網接入方式以及網絡通信方式

在物聯網設備里面，物聯網網關是另一個重要角色，一個處在本地局域網與外部接入網絡之間的智能設備。主要功能是網絡隔離、協議轉化/適配、數據網內外傳輸。典型的物聯網網關架構如圖20所示。

圖20 物聯網網關架構

5 結 語

本文針對1580熱軋生產線車間內設備管理效率低、移動設備管理平臺缺乏的問題，設計一種基于微信小程序的1580產線設備移動管理平臺。

(1) 明確了設備管理的重要性與主要內容，借助微信小程序開發工具，形成了車間設備管理移動平臺的總體框架。

(2) 提出一種基于MDC系統上物聯網的設備智能化管控云制造平臺方案，結合influxDB的時序數據庫設計，建立了能進行數據智能采集、多維分析、實時預警、高效維護等功能為一體的全方位管理平臺；實現了1580熱軋生產線人員對車間設備的實時監控和維護管理，提高了生產管理人員對生產計劃和調度信息管理效率和準確性。

該平臺的設計，建立了一種符合企業管理模式的設備管理體系，創新性地將物聯網、云計算、人工智能等信息技術和先進的設備管理知識結合起來，為其他綜合產線設備移動管理平臺設計提供參考和借鑒。