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使物联网沿着制造生产线发展：控制工业机器人以及远程监测能耗的案例研究

摘要

摘要——物联网（IoT）概念吸引了来自学术界和工业界的极大兴趣。 本文提供了一套基于IoT开发的概念验证原型描述，旨在收集制造过程中的实时数据，实现响应式生产管理和维护，包括整个生产周期内各个阶段的能源消耗和用水监测。

提出的工作利用了ebbits平台，它提供了一个中间件基础设施，用于在物理世界中集成工业传感器，设备和新兴的无线技术，将其转换为Web服务，实现与主流业务系统（如MES和ERP）的无缝集成。

介绍

设备系统及其子系统的松耦合网络一直是制造业的特征。然而，制造环境中的整合可以借鉴ICT的物联网概念，设想异构设备的无缝互连，以实现车间和业务系统之间更高程度的交互。当历史信息和实时信息可以自动地从连接的“事物”中收集、转换和分析时，上面提到的这种绝对趋势允许人们设想巨大的增值服务。

本文详细阐述了ebbits（即：支持基于物联网和服务的业务）[1]的IoT平台，并演示了如何在传统企业系统中部署IoT概念，同时支持可互操作的真实世界的、在线端到端的业务应用。 ebbits平台的特点是：具有基于开源协议和中间件的面向服务的架构（SoA），并且支持有效地将每个子系统或设备转换为Web服务，这简化了用于在线监视生产过程和产品本身在整个产品的生命周期中的应用发展。

本文的组织结构如下：首先，它在第2节中提供了关于自动化工厂中的能耗优化和减少二氧化碳的技术的介绍。 第3节阐述了ebbits平台的架构并详细说明了其主要组件。 在第4节中描述了三种不同类型的原型，以验证工业制造应用中建议的优化，包括用户和组织级的验收评估。

单级能源和用水监测的原型展示了如何计算系统中每个组件或设备的生态踪迹; 焊接机器人遥控的原型验证了基于互联网的日常操作监控的可行性，它具有过程故障检测和自动恢复管理的能力。此外，无线传感网络（WSN）已经安装到机器人上，以收集三轴加速度样本，以便执行与预测维护操作相关的离线研究。

相关的工作

许多科技论文分析了物联网技术和架构对工厂自动化的潜在影响，重点关注了它能使制造环境更加灵活和敏捷的潜力，如[22]中提到的。此外，针对工业场景中能量消耗优化的问题，有几个研究如下：[2]基于分析能量模型，分析加工参数和能耗关系的技术; 它展示了利用这个模型完成的模拟仿真的结果。 在[3]中，作者提出了一种基于模拟的方法，并将其应用于钢铁厂的能源效率。 此外，在文献[4]中，作者分析了如何通过特定过程的改进来减少生产线中的能量消耗，一个案例研究表明这样能够减少约42％的能耗。

最初，研究人员开始考虑用于过程规划的能量消耗监测，特别是在[5] 、[6]中，对微观和宏观规划的详细技术进行了分析。如今，其他论文提出了在企业环境中，利用普遍的ICT基础设施进行平衡，以管理整个能源优化过程，即：监控、分析和管理的优势。

在[7]中，作者强调了将监测的能量消耗与制造系统中的操作以自动化方式进行关联的重要性。本文提供了一种架构，基于以互操作性标准，规则引擎和复杂事件处理（CEP）为基础的xml，来收集和关联来自不同源的事件。 在[8]中，对当前自动化工厂中能量优化所需的分析已经完成，重点是SOA架构的使用（特别是SOCRADES [9]）。

我们的工作超越了那些文献（做出的贡献），它们是通过讨论一种技术，来简化能量监测系统的开发，该系统使用了ebbits平台提供的SOA架构。第一次现场试验的结果得到了展示，它关注的是能量消耗监测。

系统架构

1.1 ebbits愿景

ebbits平台将物理设备、子系统和云服务作为服务或服务组合。以这种方式，访问虚拟设备和子系统的应用可以利用特定的物理资源来解耦，从而增加系统的可维护性。 ebbits项目旨在将物联网语义上整合到主流企业系统中，并支持可互操作和在线端到端的业务应用程序。

ebbits平台旨在支持可互操作的应用程序来：

bull;处理在时间和空间上分离的上下文感知数据，获取信息和真实世界中的事件。

bull;处理端到端的业务工作流程，包括综合性的消费者需求。

ebbits项目设想了一个概念：人们可以与无处不在的物理设备和虚拟服务无缝交互，创建所谓的“人、物和服务的互联网（IoPTS）”（如图1所示）。

ebbits项目推进了LinkSmart中间件，这是一个欧洲研究项目的成果，Hydra [21]。 它结合了面向服务的架构，对等网络技术和语义Web服务，解决了互操作性问题。

该ebbits项目丰富了LinkSmart，它提供了一个由物理世界、物联网、服务网络、业务系统调解和国际商务层这五层组成的平台（图1）。

主要的ebbits创新是：

bull;物理世界传感器和网络——支持异构物理世界技术和企业系统之间的语义互操作性，以及概述可扩展的网络架构和显示机会主义的通信范例（[10] [11]）；

bull;实体虚拟化——通过基于唯一标识符指定寻址层来实现，通过语义技术和基于属性的服务描述提供发现特征。

bull;数据和事件管理——提供处理基于规则的服务编排和业务的对等（P2P）事件管理架构，这是通过发布订阅通信范例实现的。

bull;集中和分布式智能——定义标准数据融合框架，并采用基于本体的上下文模型来改善自我意识机制;

bull;语义知识基础设施——支持混合查询和实时推理，同时将许多常规数据源连接到语义模型;

bull;业务流程生命周期管理的框架，包括流程分类和优化指标。

1.2 物理世界适配层

物理世界适配层（从这里到PWAL）是ebbits平台的组件，用于提供通用框架以支持不同“物理世界”设备和平台之间的交互。除了类似于传感器、PLCs和RFID阅读器的物理设备， 物理世界层都不算是linksmart或者ebbits的组成部分，例如OPC。

PWAL通过显示他们生成事件、提供服务和硬件资源信息的能力，来进行物理世界设备的连接。

这些功能的显示是通过所谓的PWAL驱动器来完成的，该PWAL驱动器一方面提供对设备特定技术的抽象，另一方面也提供用于其他ebbits组件的统一接口，确保设备可以与平台的其他IoT组件无缝集成。

PWAL驱动程序是一种软件，其使用设备特定技术与物理设备进行通信，并且为提供用于检索状态变量的事件和web服务业务，公开了用于ebbits平台的标准接口。由PWAL驱动程序提供的一个主要特征是：为一组几个类似的设备提供一个公共接口。 例如，使用EPCGlobal低级读取器协议（LLRP）[12]开发用于控制RFID读取器的驱动程序，可用于控制符合该协议的每个读取器。 以这种方式，许多不同的设备（也由不同的供应商生产）可以通过仅开发一次驱动器而集成在平台中。

PWAL不与LinkSmart紧密耦合。这两个组件之间的接口是ebbits平台的物联网层。 在此层中包括设备发现管理器（DDM）和设备代理（DP）。 DDM使用LinkSmart设备本体来实例化代理。

代理是一种与PWAL驱动程序进行通信，并为其他组件提供Web服务接口的软件。代理将物理设备表示为虚拟设备。DP包括上下文管理器，其存储未包括在设备的原始数据中的所有信息。该信息可以是测量单位，读取频率，错误状态等等。代理中的上下文管理器提供和使用在较高级别的上下文管理器中找到的信息。

实施

安装在COMAU [13]测试区域之一的电池已被用于展示理想的汽车制造过程的处理和焊接阶段。所谓的“白车身”操作已被考虑在内，这是一个复杂的过程，发生在几条生产线上，每条生产线都产生一个车身的子部件，或组装它们以创建完整的车身。主要的子组件生产线是底部、车身侧、车顶、车身框架和封闭件（罩、后门和门），如图4所示。每个生产线包括多达16个操作站，其中不是实际操作部分的站用作了中转站，或者缓冲区，又或者保留作为未来线路更新和新模型引入的备份。单个操作站包括一个或多个配备有不同工具的机器人，使得它们能够执行不同的活动，例如焊接，处理，密封，测量等。

实现的原型旨在展示一个监控实时指标的ebbits应用程序，特别注重能源和预测维护数据。这些指标将被纳入整体设备效率（OEE）。 OEE指数在大多数制造公司中用作TPM（总生产维护）和LEAN制造的关键绩效指标，以提供一种一致的方法来衡量生产效率。

1.3远程PLC和机器人控制器管理

演示背后的想法是展示如何使用ebbits平台来监视硬件和测量工作站级别的一些参数。，因此，提出的架构的使用能够评估单级碳足迹，其在业务级别可以与制造商生产的产品相关联。能源数据还可用于优化公司的整体环境影响。 此外，能耗监测对于预测可能的故障和通知负责机器，位置和故障类型（避免代价大的生产中断）的维护是有用的。

该试验一直关注于与焊接机器人（安装在COMAU的一个测试区域中）的交互，其包括由焊接控制器和焊枪组成的机器人臂，其控制器和焊接设备。

在这种情况下，先前介绍的PWAL通过机器人控制器（以下简称RC），如图5所示，和可编程逻辑控制器（以下简称PLC）连接到焊接机器人。与PLC的连接通过OPC服务器完成[14]。访问机器人用于读取与机器人轴的每个电机驱动相关的能耗参数。在这种情况下，PWAL驱动程序通过TCP-IP连接和COMAU机器人的专有消息实现。访问PLC用于演示：通过Web移动应用程序远程监测和控制自动化生产单元的可能性。

请注意，目前出于安全原因，制造厂的安全政策禁止通过非工业认证设备（如智能手机）远程控制机器人。然而，原型是为了演示通过使用ebbits平台完成这个遥控有多么容易。

1.4上下文管理 - 冷却回路使用案例

上下文感知提供了持续监视环境中的上下文变化的方法，它支持用户和应用根据当前情况作出决策。ebbits中的上下文感知服务将由传感器和设备提供的数据转换为语义上可互操作的信息，这些信息可以由应用使用，以向用户，特别是在车间中的用户提供情境感知（例如，传感器的健康状态，制造单元的状态，产品的生产历史）。

用于访问环境中实体的上下文的统一接口将应用与上下文提供器（传感器）解耦，最终，它们简化了应用开发者的任务，因为它们仅需要处理组成应用域的实体，而不必处理它们的上下文提供者的物理属性（例如：传感器id，网络地址等等）。

上下文管理的实现如图6所示。在顶层，应用可以通过web服务接口查询实体管理器，来检索虚拟对象的上下文信息。

上下文管理由实体管理器和规则管理器组成。这两个组件依赖事件管理器，从代理中检索传感器数据。实体管理器利用本体管理器来检索传感器读数的元数据，诸如产生数据的传感器，其位置，以及由传感器观测的实体和它们的属性。

实体管理器负责存储实体的当前上下文属性。为此，开发人员必须定义由上下文管理器监视的实体和上下文属性。应用程序开发人员可以在规则的标题中定义它，然后将其馈送到规则引擎。此方法使实体管理器能够监视所需的系统的当前状态。这个设计决策是为了优化上下文管理器的性能。

此外，上下文管理器基于由开发者定义并由规则管理器组件存储的规则来识别情境上下文。规则可以定义必须基于来自本体的若干传感器信息，及其语义来推断的、更高级别的上下文信息。规则还要定义当识别出某些上下文时应当执行的动作。

作为我们方法的验证，我们使用上下文管理器监测焊枪的变压器。从图7中显示的规则中减去变压器和传感器的状态，其结果与Dempster-Shafer证据理论[15]结合。基本概率分配是基于制造商的技术规范，从传感器精度导出的。

图7中的规则用于检测变压器和测量在其冷却系统上循环的水的温度传感器的故障状况。当水进入和流出散热器时，测量水温。温度计和变压器的上下文基于测量的温度计和变压器电流的一致性导出。

此外，情境管理器还计算用于生产车身部分的能量的总量。它开始统计以瓦特（电流乘以电压）为单位的电能和在冷却系统中循环的水量。当它接收到来自PLC的“processStart”事件时，统计能耗，在接收到“processStop”事件时停止统计。当在输送机上读取要处理的物品的RFID标签时，在PLC中设置过程状态事件。

然后，实体管理器存储在站中处理该部件所需的总能量消耗。这允许汽车制造商获得每个制造过程和每个部件所需的能量消耗的详细概述。该信息存储在数据库中，以在将来执行过程优化。

1.5无线传感器网络集成

无线传感器网络（以下称为WSN）技术可以向生产工厂中的机器引入本地处理和无线电通信能力，除了降低成本和减少能量消耗之外，它还是一个可用于监测制造过程的、非常方便和可行的解决方案 [16]，[17]。

本节首先介绍了一种WSN应用程序，用于监控工业环境中的生产机器人的运动; 第二，该部分描述了WSN原型的设计和实现细节，以及它在ebbits平台中的集成（如图8所示）。

为了操作精度，其次，也为了估计能量消耗，机器人运动监测在工业环境中是必不可少的。这种监控有时在机器人控制器内可用; 然而，它可能是复杂的、可能提取计算量很大。为此，将传感器节点放置在机器人的不同段上，以便监视相应的轴，如图9所示。每个传感器节点配备有加速度计传感器，其使得WSN应用能够监视机器人的运动，利用加速度读数。选择STM32W无线传感器节点平台[18]用于此任务，它以LIS302DL 3轴加速度传感器[19]为特征，如图9所示。

提出的WSN应用采用6LoWPAN技术[20]来驱动WSN的数据通信。WSN相关业务在传感器节点和边界路由器之间共享，边界路由器管理WSN和PWAL之间的双向业务。PWAL，以包含用于解码和解释输入WSN数据的模块，以及用于WSN节点的编码管理和控制分组的模块的方式，实现了Ebbits网关和WSN之

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