★廣東省科學(xué)院電子電器研究所何炳林

關(guān)鍵詞：MQTT；電子漿料；生產(chǎn)車(chē)間；設備物聯(lián)網(wǎng)；系統設計

1　引言

電子漿料作為電子信息行業(yè)不可或缺的基礎材料，是一種融合了冶金、化工與電子技術(shù)的綜合性電子功能材料，其應用范圍廣泛，涵蓋了航空、航天、電子信息、通信設備、汽車(chē)工業(yè)等多個(gè)重要領(lǐng)域^[1]。隨著(zhù)工業(yè)4.0與智能制造概念的興起，傳統工業(yè)生產(chǎn)模式正經(jīng)歷著(zhù)前所未有的深刻變革。國內電子漿料制造企業(yè)正積極響應這一趨勢，致力于推進(jìn)車(chē)間數字化與智能化轉型。生產(chǎn)設備物聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心構成部分，能夠實(shí)現設備的遠程監控、實(shí)時(shí)數據采集與智能分析，對于提高生產(chǎn)能力、降低能耗、確保產(chǎn)品質(zhì)量以及提升企業(yè)整體競爭力具有至關(guān)重要的意義。

MQTT協(xié)議，作為一種輕量級的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議，在智慧農業(yè)^[2]、智能交通^[3]、智能制造^[4]、智能家居^[5]、智能電網(wǎng)^[6]等諸多領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)設備互聯(lián)得到了廣泛應用。盡管?chē)鴥葘W(xué)術(shù)界與科研機構已在鞋服針織品制造^[7]、船舶制造^[8]、軟包裝印刷^[9]等工業(yè)車(chē)間的物聯(lián)網(wǎng)設備互聯(lián)方面，依托MQTT協(xié)議開(kāi)展了積極的研究探索，但在電子漿料生產(chǎn)車(chē)間的物聯(lián)網(wǎng)設備互聯(lián)領(lǐng)域，針對MQTT協(xié)議的研究與應用尚處于起步階段。

本文旨在設計一套基于MQTT協(xié)議的生產(chǎn)設備物聯(lián)網(wǎng)系統（下文簡(jiǎn)稱(chēng)本系統），以滿(mǎn)足電子漿料數字化生產(chǎn)的需求，以及推動(dòng)行業(yè)智能化的進(jìn)程。

2　系統設計方案

2.1　系統架構

本系統的總體架構設計概覽如圖1所示，其由三大核心層次緊密構成：感知層、網(wǎng)絡(luò )層以及應用層。對于內置通訊接口的設備，我們部署了工業(yè)平板作為數據采集終端，利用以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現與服務(wù)器的無(wú)縫對接。而針對那些未配備通訊接口的設備，我們則采用PDA作為數據采集終端，并通過(guò)Wi-Fi技術(shù)構建與服務(wù)器的連接橋梁。

圖1 系統架構

2.2　系統信息交互

圖2詳盡展示了本系統的信息交互架構，其中采集終端、Web頁(yè)面以及服務(wù)器后臺進(jìn)程均扮演著(zhù)MQTT協(xié)議中靈活多變的客戶(hù)端角色。這些客戶(hù)端既能作為信息發(fā)布者，主動(dòng)推送數據，也能作為訂閱者，按需接收并處理信息。MQTT代理（Broker）作為信息流轉的核心樞紐，不僅負責接收并轉發(fā)發(fā)布者發(fā)送的消息至相應訂閱者，還需管理客戶(hù)端的連接、斷開(kāi)、訂閱及取消訂閱等請求，確保整個(gè)信息交互流程的順暢與高效。此外，服務(wù)器前端進(jìn)程專(zhuān)注于處理來(lái)自Web頁(yè)面及看板的HTTP請求，實(shí)現用戶(hù)界面的快速響應與數據交互。

鑒于JSON格式在數據表達方面具有可擴展性與靈活性、平臺無(wú)關(guān)性與兼容性等諸多優(yōu)勢，本系統決定采納JSON格式作為MQTT協(xié)議消息傳輸中的有效負載（Payload）編碼標準。

為了確保消息傳遞的可靠性，本系統采取了以下措施：針對“采集數據”與“轉速控制”這兩個(gè)主題消息，將服務(wù)質(zhì)量（QoS）等級設定為1，以此保證每條消息至少能夠成功送達一次；而對于“防錯數據”與“防錯結果”這兩個(gè)關(guān)鍵主題消息，則將QoS等級提升至2，確保消息精準無(wú)誤地單次送達，有效避免任何重復接收的情況。

本系統采用了SSL協(xié)議加密傳輸技術(shù)，確保了數據傳輸與存儲的安全性。同時(shí)，系統還增加身份認證與訪(fǎng)問(wèn)控制策略，僅允許通過(guò)身份驗證的客戶(hù)端接入系統。通過(guò)實(shí)施嚴格的授權機制，系統能夠精確限制用戶(hù)的操作權限，有效防范了未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)及非法操作，進(jìn)一步鞏固了系統的安全防護體系。

圖2 系統信息交互架構

2.3　系統功能

圖3則直觀(guān)呈現了本系統的功能結構框架。其主要包括四大功能模塊：數據采集、設備控制、防錯管控與Web應用。

數據采集：該模塊支持自動(dòng)與手動(dòng)兩種方式采集設備狀態(tài)、啟停記錄、故障時(shí)長(cháng)、能耗信息及過(guò)程數據。通過(guò)MQTT協(xié)議，這些數據按預設主題發(fā)布，供Web頁(yè)面訂閱并實(shí)時(shí)展示。同時(shí)，服務(wù)器后臺進(jìn)程全面訂閱所有主題數據，確保數據的完整性與安全性，并將其持久化存儲于數據庫中。

防錯管控：此模塊專(zhuān)注于工序、工單及操作人員信息的采集與校驗。采集終端通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)布防錯相關(guān)數據，服務(wù)器后臺進(jìn)程即時(shí)訂閱并應用預設的防錯規則進(jìn)行邏輯判斷，確保設備使用正確的工藝參數進(jìn)行生產(chǎn)。一旦發(fā)現異常，立即記錄防錯詳情并發(fā)布防錯結果。若防錯不通過(guò)，系統將自動(dòng)鎖定設備，防止繼續生產(chǎn)。擁有解鎖權限的人員可通過(guò)專(zhuān)用界面輸入解鎖原因，由采集終端驗證后解鎖設備，恢復生產(chǎn)。這一過(guò)程有效提升了生產(chǎn)過(guò)程的準確性與安全性。

設備控制：服務(wù)器后臺進(jìn)程根據工藝參數的具體要求，通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)布轉速控制指令。采集終端則訂閱相關(guān)主題，接收并執行這些指令，實(shí)現對設備轉速的精準控制。

Web應用：該模塊集成了基礎資料的維護、深入的數據分析、便捷的報表查詢(xún)以及直觀(guān)的看板展示功能，為用戶(hù)提供了全面而豐富的交互體驗。

圖3 系統功能結構

3　系統硬件設計

3.1　設備概況

電子漿料通過(guò)一系列不連續的工序將原材料加工成最終產(chǎn)品，電子漿料的生產(chǎn)屬于離散制造。離散制造的設備種類(lèi)不一、新舊不一，并且設備的通訊方式門(mén)類(lèi)眾多、通訊協(xié)議復雜多樣^[10]。關(guān)鍵設備包括但不限于電子秤、烘箱、配料系統、有機載體生產(chǎn)線(xiàn)、行星球磨機、動(dòng)力混合機、砂磨機、分散機、軋漿機、過(guò)濾設備、真空除泡機、包裝系統、粘度計及水分測試儀等。針對通訊接口的差異性，采取靈活策略：（1）無(wú)通訊接口設備（如軋漿機、過(guò)濾設備、真空除泡機等）：采用PDA手動(dòng)采集數據；（2）工控機集成設備（如配料、包裝系統）：通過(guò)網(wǎng)口自動(dòng)從數據庫或文件提取數據；（3）多接口設備：工業(yè)平板靈活運用網(wǎng)口、RS232、RS485等接口，遵循設備通訊協(xié)議自動(dòng)采集數據。

3.2　硬件框架

現以分散機與有機載體生產(chǎn)線(xiàn)這兩種關(guān)鍵設備為例進(jìn)行詳細闡述，它們的硬件框架分別如圖4和圖5所示。

圖4 分散機硬件框架

圖5 有機載體生產(chǎn)線(xiàn)硬件框架

工業(yè)平板作為核心中樞，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口無(wú)縫對接服務(wù)器，實(shí)現數據的高效傳輸與交互。此外，手持掃描槍通過(guò)USB接口與工業(yè)平板緊密相連，這一配置極大地便利了工單及工號條碼的快速掃描與識別，提升了作業(yè)效率與準確性。

針對分散機而言，工業(yè)平板運用RS485總線(xiàn)技術(shù)，與變頻器及新增的紅外溫感裝置實(shí)現穩定通信。紅外溫感用于實(shí)時(shí)監測漿料溫度，確保生產(chǎn)過(guò)程品質(zhì)。鑒于分散機的能耗主要集中在攪拌環(huán)節，且這一數據可直接從變頻器中獲取，因此無(wú)需額外安裝智能電表進(jìn)行能耗測量，簡(jiǎn)化了系統構成。更進(jìn)一步的是，通過(guò)精確控制變頻器，可實(shí)現電機的即時(shí)停止，并有效鎖定手動(dòng)調節轉速的功能，從而達成設備鎖定的安全目標。

對于有機載體生產(chǎn)線(xiàn)，工業(yè)平板同樣依托RS485總線(xiàn)，與電表及IO模塊緊密連接，確保能耗監測與控制信號的準確傳遞。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)口連接PLC（可編程邏輯控制器），全面采集生產(chǎn)線(xiàn)數據。鑒于有機載體生產(chǎn)線(xiàn)的能耗來(lái)源多樣，不僅涵蓋攪拌過(guò)程，還涉及水箱及釜內的加熱環(huán)節，因此特別安裝了智能電表，以精準測量能耗情況。此外，IO模塊的引入，則用于控制急停開(kāi)關(guān)，確保在緊急情況下能夠迅速切斷電源，實(shí)現設備的即時(shí)鎖定，保障生產(chǎn)安全。

3.3　硬件選型

本系統的硬件構成主要包括看板、PDA、工業(yè)平板以及服務(wù)器等核心組件。本系統看板采用液晶拼接屏，滿(mǎn)足大面積、高分辨率的顯示需求，確保信息清晰展示。PDA則精選具備卓越掃描性能、長(cháng)效電池續航、穩定通訊能力、耐用抗摔及便攜特性的型號，確保在各種工況下均能穩定運行。

服務(wù)器配置遵循穩定性至上、針對業(yè)務(wù)需求、小型化設計、性能適度的原則。對于本系統而言，數據庫服務(wù)器采用高性能的CPU搭配大容量?jì)却媾c硬盤(pán)，確保了數據處理既高效又穩定；Web服務(wù)器則側重于大內存配置，對硬盤(pán)與CPU主頻的要求適度放寬，以?xún)?yōu)化成本效益。

工業(yè)平板定制化選擇10.1英寸工業(yè)設備，搭載酷睿i7處理器、16GB內存及526GB硬盤(pán)，集成雙網(wǎng)口、四USB接口及可配置串口（RS232/RS485），全面適配車(chē)間設備的通訊需求，保障了系統流暢運行與高效協(xié)作。

4　系統軟件設計及實(shí)現

本系統軟件架構由四大核心組件構成：采集終端軟件（細化為工業(yè)平板與PDA專(zhuān)用軟件）、MQTT代理軟件、服務(wù)器軟件，以及報表與看板軟件。接下來(lái)，我們將以工業(yè)平板為例，深入剖析其如何依托MQTT協(xié)議，在設備數據采集的實(shí)時(shí)性、轉速控制的精確性以及上料過(guò)程的防錯管理上，實(shí)現高效且流暢的交互設計。此外我們將逐一介紹各軟件的實(shí)現原理。

4.1　設備數據采集的交互設計

在數據采集環(huán)節，我們構建了一套高效的數據流轉機制，如圖6所示。Web頁(yè)面及服務(wù)器后端進(jìn)程協(xié)同合作，共同訂閱“采集數據”主題的MQTT消息。工業(yè)平板作為數據采集的前端，依據預設參數自動(dòng)收集設備的關(guān)鍵狀態(tài)信息，包括啟停記錄、故障時(shí)長(cháng)、能耗統計、攪拌速度及溫度等關(guān)鍵數據。這些數據通過(guò)MQTT協(xié)議以“采集數據”為主題發(fā)布，有效負載包含了設備ID、數據ID、數值、單位及時(shí)間戳等字段（請參考表1），確保了數據的完整性與可追溯性。MQTT代理作為核心樞紐，實(shí)時(shí)轉發(fā)這些數據至Web頁(yè)面及服務(wù)器后端進(jìn)程，實(shí)現了數據的即時(shí)共享與高效處理，顯著(zhù)提升了系統響應速度與管理透明度。

圖6 設備數據采集序列圖

表1 MQTT有效負載（Payload）

4.2　轉速精準控制的交互設計

進(jìn)入轉速控制階段，如圖7所示，工業(yè)平板主動(dòng)訂閱“轉速控制”主題的MQTT消息，靜待服務(wù)器后端的控制指令。后端依據實(shí)時(shí)攪拌溫度及預設工藝模型，精確計算出最優(yōu)攪拌速度，并通過(guò)MQTT協(xié)議以“轉速控制”為主題發(fā)布控制指令，有效負載包含了設備ID、工序、工單、轉速及時(shí)間戳等字段（如表1所示），確保了控制的精確性。MQTT代理迅速傳遞這些指令至工業(yè)平板，平板隨即調整變頻器，實(shí)現了對攪拌速度的即時(shí)、精準控制，確保了生產(chǎn)過(guò)程的穩定與高效。

圖7 轉速精準控制序列圖

4.3　上料防錯管控的交互設計

在物料加載與防錯管控的關(guān)鍵環(huán)節，如圖8所示，工業(yè)平板與服務(wù)器后端進(jìn)程分別訂閱“防錯結果”與“防錯數據”主題的MQTT消息。當新批次產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)流程時(shí)，工業(yè)平板快速捕捉并掃描工單、工號條碼及工序信息，隨后通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)布“防錯數據”消息，有效負載包含了設備ID、工序、工單、工號及時(shí)間戳等字段（如表1所示）。MQTT代理無(wú)縫轉發(fā)這些數據至服務(wù)器后端，后端依據預設規則進(jìn)行防錯處理，并發(fā)布“防錯結果”消息。若結果顯示防錯未通過(guò)，工業(yè)平板立即執行鎖機指令，鎖定設備以防不合格品生產(chǎn)。待操作人員錄入解鎖原因后，工業(yè)平板解鎖設備，恢復生產(chǎn)流程。這一系列自動(dòng)化流程不僅強化了生產(chǎn)線(xiàn)的安全性與效率，還顯著(zhù)提升了產(chǎn)品質(zhì)量控制水平。

圖8上料防錯管控序列圖

4.4　軟件實(shí)現

Mosquitto，作為一款開(kāi)源的MQTT消息代理軟件，以其輕量級架構和強大的發(fā)布/訂閱消息推送模式，極大地簡(jiǎn)化了設備間的即時(shí)短消息通信。正是基于這些優(yōu)勢，我們決定在服務(wù)器上部署Mosquitto作為核心MQTT代理服務(wù)。

在服務(wù)器軟件架構方面，我們選擇了ASP.NETCore作為后端框架，它以其高性能與跨平臺特性，為構建Web應用程序和API提供了堅實(shí)的基礎。同時(shí)，前端則采用Vue這一漸進(jìn)式JavaScript框架，兩者相輔相成，共同實(shí)現了設備信息、員工資料、防錯規則、工藝參數等基礎數據的維護，以及采集數據的接收、處理與存儲的一體化流程，特別是上料防錯處理等功能。

為了提升移動(dòng)設備的操作體驗與效率，我們引入了.NETMAUI這一跨平臺UI框架，利用C#和XAML成功打造了PDA軟件，實(shí)現了手工數據采集、上料掃描的快速響應以及防錯結果的即時(shí)反饋與直觀(guān)顯示，為用戶(hù)帶來(lái)了流暢的操作感受。

對于工業(yè)平板軟件，我們選用了微軟的WinForms框架，集成了數據采集、轉速精確控制、上料掃描、防錯結果即時(shí)可視化、設備安全鎖控與解鎖等多元化功能。通過(guò)整合PLC廠(chǎng)商（如西門(mén)子ProdaveS7）的專(zhuān)用通信庫與領(lǐng)先的第三方開(kāi)源通信庫（如EasyModbus），我們構建了一套標準化的動(dòng)態(tài)鏈接庫接口，無(wú)縫對接工業(yè)平板軟件體系，同時(shí)遵循GAMMAErich等專(zhuān)家的設計模式^[11]，確保了軟件架構的靈活性與穩定性。

此外，MQTTnet作為.NET環(huán)境下的MQTT開(kāi)源庫，被輕松集成至服務(wù)器軟件、工業(yè)平板及PDA軟件中，實(shí)現了與Mosquitto代理的實(shí)時(shí)數據交互，進(jìn)一步強化了系統的通信能力。

在數據可視化與報表生成方面，我們選擇了FineReport這一強大的工具，其豐富的可視化設計界面與報表生成功能，使我們能夠輕松創(chuàng )建涵蓋原始數據、防錯記錄、放行記錄及數據分析等各類(lèi)報表，并通過(guò)看板實(shí)時(shí)展示設備狀態(tài)、稼動(dòng)率、能耗曲線(xiàn)等關(guān)鍵數據，為企業(yè)的生產(chǎn)管理提供了全面、實(shí)時(shí)的數據監控與分析支持。

綜上所述，這一系列軟件的協(xié)同工作，不僅實(shí)現了高效、精準的數據采集與轉速控制，還構建了人、機、料、法的嚴密防錯管理體系，為企業(yè)生產(chǎn)管理注入了強大的動(dòng)力與智能支持。

5　系統應用

本系統已成功部署并高效運行于國內某知名企業(yè)的電子漿料生產(chǎn)車(chē)間，該車(chē)間需要實(shí)施的關(guān)鍵設備包括分散機、有機載體生產(chǎn)線(xiàn)、行星攪拌機、烘箱、配料系統、軋漿機、過(guò)濾設備、脫氧機等。以下是本系統部分功能界面展示，具體包括：圖9采集的數據、圖10的工業(yè)平板軟件運行界面、圖11的設備開(kāi)動(dòng)率分析報表、圖12的看板展示。

圖9 采集的數據

圖10 工業(yè)平板軟件運行界面

圖11 設備開(kāi)動(dòng)率分析報表

圖12 看板展示

6　結語(yǔ)

本文聚焦于滿(mǎn)足國內電子漿料行業(yè)對數字化生產(chǎn)迫切需求的核心，精心構思并設計了一套基于MQTT通訊協(xié)議的生產(chǎn)設備物聯(lián)網(wǎng)系統。該系統已成功部署于國內某知名企業(yè)的電子漿料生產(chǎn)線(xiàn)中，并實(shí)踐驗證其為企業(yè)帶來(lái)了多方面的顯著(zhù)效益：不僅大幅增強了生產(chǎn)效率，實(shí)現了能耗的有效降低，還確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩步提升，進(jìn)而在整體上顯著(zhù)增強了企業(yè)的綜合市場(chǎng)競爭力。值得注意的是，本文所闡述的設計方案展現出了良好的普適性與靈活性，能夠為其他不同應用領(lǐng)域中的生產(chǎn)設備物聯(lián)網(wǎng)系統設計提供有益的參考與啟示，具有一定的借鑒意義和實(shí)際應用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

何炳林（1978-），男，廣東新會(huì )人，高級工程師，碩士，現就職于廣東省科學(xué)院電子電器研究所，主要研究方向為智能制造、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年12月刊