摘要
近年来，Web技术发展迅速。尤其是网络浏览器增强了其功能因为JavaScript，CSS3和HTML5的改进。因此，功能越来越丰富的基于Web的软件解决方案功能范围可用。通过使用响应式网页设计（RWD），一种无需调整大小即可显示内容的技术在不同的屏幕上，开发人员可以轻而易举地支持各种设备。为了能够监视生产系统的当前状态，许多不同传感器，机器和需要生产数据。将带有传感器的微控制器与嵌入式传感器相结合，可实现一种高效的方法与Web服务进行通信。由于半导体技术价格的强劲下跌，公司得以建立具有这些技术的低成本生产机器。本文提出了一种使用RWD等常见Web技术来建立分布式制造控制系统的方法和嵌入式系统。我们讨论了基于Web的软件解决方案的优缺点，并展示了一种有条理的方法用于现代生产系统。最后，该方法的功能在一个应用示例中得到了证明。
介绍
本文的总体目标是设计一个平台在网络领域使用常见的互联网技术物理生产（CPPS所描述的技术并且必须提供架构要求，以便实现：
- 使用传感器进行实时生产计划和控制和基于事件的算法
- 风险分析和
- 预测性维护以获得综合质量保证。
这三个任务是作为服务提供的，并允许对变化的环境做出独立而灵活的反应条件。因此强大的软件和硬件提出了架构，该架构可在传感器数据的基础和强大的实时通信。
从这种通信架构开始，各种服务，例如基于事件的生产计划和控制，被概念化，并且选择通讯。实时性要求使用云时，工业用例是关键点服务。因此，简短定义和介绍给出了实时性的限制。总体而言，本文提出了一种分布式方法通用网络的制造控制系统RWD和嵌入式系统之类的技术。最后， 示例性的实施方式显示了 概念。
1.1. 监控
监视，顾名思义，是指系统地观察、检测或测量一个系统的运行和检测变化[1]。它包括使用技术工具在一定时间内检测变化。数据必须定期重复记录。因此，可以从数据中得到可比较的结论。监视意味着不仅要观察流程。如果有任何偏离期望的过程，它可以进行干预，以实现正常的操作。
1.2. 软硬件架构
有必要开发一个适合的软件和硬件体系结构的网络物理生产系统。由于水平和垂直网络的出现，架构的设计出现了特殊的挑战。垂直网络允许单个产品与集中提供的服务进行通信。此服务可以在公司内部或价值链[2]中的公司之间提供。在研究领域已经开发出了不同的体系结构，如[3]或[4]。然而，由于缺乏实现模板，这些架构的重用是不可能的。对于一个面向服务的平台，基本的技术如通信协议(例如OPC UA, HTTP，…)必须被定义[5,6]。此外，安全方面正在成为这样的设计[7]的焦点。一方面功能安全架构对系统的可靠性很重要，另一方面必须防止未经授权的访问。综上所述，现有的软硬件架构方法不足以满足网络物理生产系统的需求。因此，如何实现智能服务的高性能和鲁棒性信息传输，还需要进一步的研究。
通信协议:
网络化生产的资源和对象必须彼此通信并交换数据。传输控制协议/因特网协议(TCP / IP)是一个独立于供应商的通信协议，它是当今计算机通信事实上的标准[8]。参考模型由四个叠加层[9]组成。
底层1 - 3负责物理硬件连接，寻址和数据传输。顶层包含应用程序布局。这一层最常见的协议是超文本传输协议(HTTP)，它是万维网的基础。下面介绍了HTTP协议和日益广泛使用的OPA - UA协议。
1.2.1. HTTP
HTTP是一种面向连接和无状态的requestresponse协议，其中客户机和服务器都不为进一步查询存储信息。使用响应[8]完全处理请求。每个HTTP消息由两部分组成:头部，其中包含关于消息的信息和包含实际消息的消息体。为了实现对监听的通信，开发了HTTP安全(HTTPS)协议。它在技术上与HTTP相同，不同之处在于通信是加密的。这两个协议区分不同的方法。表1描述了最常用的方法。
表1.常用的HTTP方法
1.2.2. OPC-UA
OPC基金会创建了同名的OPC和标准化的软件接口，实现了不同厂家设备之间的机器数据交换。几年来，在iec62541中出现了新的OPC统一架构(OPC- ua)协议。它基于TCP，在应用层中使用优化的二进制协议[10]。通过HTTP (S)支持可选的web服务，这有助于连接到浏览器应用程序。安全方面得到了极大的重视。因此，一方面存在一种机制，它拒绝对数据进行未经授权的访问，并确保传输是加密的。另一方面，确保数据保持一致。过程数据的操作或修改由于内部测试机制而变得复杂。
1.3. 实时
要将智能对象/CPS集成到工业生产环境中，必须满足不同生产水平的要求。今天，大多数生产站点大致维持三个级别，从车间到生产(制造执行系统(MES))，再到公司管理(企业资源计划(ERP))。用来描述这种结构的一个参考体系结构是自动化[11]的信息金字塔。每个层次上的不同任务导致了对“实时”一词的不同理解。
按照ISO/IEC 2382标准的定义，实时是指处理累积数据的程序随时准备就绪的计算系统的过程。术语“就绪”表示处理结果在预定的周期[12]内可用。因此，实时系统是能够在特定的时间窗内处理特定任务的系统。在这种情况下，尽快完成任务并不重要，更重要的是在一个固定的预定义时间约束结束。如果符合相应的时间要求，任务的执行就及时完成。另外，硬实时和软实时需求之间也有区别，如图1所示。
图1说明了硬、软实时要求[13]
提出了三种实时分类方法，尤其针对车间层面。它指的是最大响应时间，也明确地指适合的自动化功能。对于每一个实时分类，都需要满足公式(2)。硬实时条件的特征是在有利条件B下必须满足时间条件A，即以概率(P) 1。
提出了三种实时分类方法，尤其针对车间层面。它指的是最大响应时间，也明确地指适合的自动化功能。对于每一个实时分类，都需要满足公式(2)。硬实时条件的特征是在有利条件B下必须满足时间条件A，即以概率(P) 1。
软实时条件允许超过时间限制作为目标日期(d)。系统容忍这种条件并将继续运行，见图1。超过时限的时间越长，对系统的负面影响越大。在生产中，我们发现了一些软实时条件。一个例子是，当用户启动一个进程时，用户启动时间和进程启动时间之间存在延迟。除了所描述的及时性，实时系统还必须具有可预测性和确定性。因此，对于所有的信息处理，我们需要一个实时需求的定义。这包括任务的处理时间，直到它收到来自其他系统的转发信息。
1.4. 响应式网页设计(RWD)
RWD是一种技术，使网站灵活和反应适应可用的显示尺寸[14]。它使用流媒体查询，基于比例的网格系统和灵活的图像[15]。这允许支持各种屏幕，从小型智能手机到大型桌面显示器。
- 方法
2.1．网络体系结构
生产监控系统需要生产的当前数据。对于分布式产品的基于web的监控，必须通过Internet发送所需的数据。因此，需要一种架构来实现安全、快速和可靠的数据交换。
图2网络架构
图2显示了用于网络生产的可能的混合云解决方案。它依赖于云技术和公司网络技术。根据麦肯锡的一项研究，将基础设施转移到云上可以节省超过50%的成本。云服务易于扩展和适应当前的业务需求[17]。出于财务原因和保持灵活性的考虑，大部分计算能力、数据库、存储和相关网络组件都是从基础设施即服务(IaaS)提供商那里租用的。
交流通过互联网进行。为了在不同地点之间安全传输数据，使用了虚拟专用网(VPN)隧道(见红线)。通过安全链接将世界各地的参与者连接到扩展的私有网络是一种常见的解决方案。每个站点都有路由器来连接到公司的VPN。VPN隧道用于将数据从传感器发送到应用服务器(AS)。此外，传输采用SSL保护，以获得更高级别的安全性。首先，每个传感器必须对AS进行身份验证。然后对数据进行可信性检查。最后一步是将值保存在数据库中。
利用现有数据进行指标计算、预测维修等。大型数据中心可以在很短的时间内执行这些计算。像AWS-Lambda或谷歌云函数这样的服务可以使用提供的算法来处理给定的数据。计费基于有效的计算时间，使成本保持在较低水平。
监视系统是一个基于web的浏览器应用程序，其形式为管理座舱(MC)，必须安装在web服务器上。它提供了全面的角色和权限管理，允许可靠的特定于用户的功能激活。与AS的通信通过SSL加密的HTTPS连接进行。可以附加一个全球可访问的IP和域，但为了更安全，只能从公司的VPN内部访问。IaaS提供商通常会对每个VPN连接收费。为了避免高昂的成本，总部有了第二个路由器。它被用于为远程网络的员工提供到公司网络的免费VPN连接。进一步的通信通过现有的VPN隧道进行.
2.2. 实时监控问题
如1.4中所述，定义的实时时间取决于所考虑的应用程序。对于一个质量分数，该值可以是几分钟前的，但仍然能够满足实时的要求。虽然就目前的生产数据而言，例如注塑过程只需几秒钟就可以完成，但所需的实时时间却大大缩短。由于MC是安装在一个远程位置，数据必须进行长距离传输。因此，纯物理需要一定的时间。近年来，互联网上的全球数据传输都是通过光缆和激光进行的。光速约为每小时30万公里。在光纤中，速度降低到大约200,000公里/小时[18]。在悉尼有一个生产设施，但是在法兰克福有一个租用的数据中心，线性距离将是大约。16.500公里。用公式3可以计算出两个站点之间的单信号传播延迟。
实际上，传输数据所需的时间要高得多，因为必须通过几个internet交换点(IXP)。每个IXP都需要时间来确定下一个路由点和转发数据。此外，连接不是直接的，有时数据是通过美国路由的。由于他们在过去几年里建设了非常好的基础设施，有很多可用的产能。因此，物理距离可以增加一倍以上。
由于AS需要时间来处理和保存传入数据，因此在信号传播延迟上增加了额外的时间。此外，还必须将信息从AS发送到位于不同位置的MC用户。
为了测量真实信号的传播时间，可以进行所谓的Pingtest。客户机向服务器发送32字节的小数据包，服务器自动响应。对所经过的时间(对于两种方式)进行测量。需要注意的是，实际数据通常更大，这意味着需要更多的时间传播。通过ping，可以可靠地测量所需的最小时间。这些数据有助于得出有关传输质量的结论，并估计实时应用是否可能。
表2显示了从世界各地到法兰克福的不同位置的运行时度量。来自法兰克福另一个地方的自检也被执行。为了获得有意义的数据，测试必须在不同的日子和时间重复多次。表2。Ping测试从不同地点到法兰克福。
假设a在法兰克福，总部在慕尼黑，生产设施在悉尼，慕尼黑最早的信号在悉尼发送后将会收到334毫秒(323ms Sydney o Frankfurt + 11 ms Frankfurt o Munich)。这一次不包含AS处理传入信息所需的时间段。另外，如果操作员不在总部，就会增加额外的时间。
如果不能满足实时条件，因为信号传播延迟较长，AS和MC的位置可以移动。IaaS提供商通常在每个洲运行多个数据中心。这允许对结构进行简单的转移，以获得更短的延迟。图3显示了修改后的体系结构的一部分。生产基地设在美国和亚洲，总部设在欧洲。
图3全球网络架构
AS和数据库都被复制并安装在各自最近的数据中心中。MC也被外包给云计算。这将导致非常短的距离(甚至在同一数据中心)，从而缩短信号传播时间。通过现有的VPN隧道仍然可以从总部访问，但不能保证获得实时数据。操作者应在同一区域内，实时接收数据。
2.3. 数据传输
应用服务器提供了一个基于rest的web服务。通信遵循HTTP协议的请求/响应原则(见1.3.1)。这是由于使用了VPN隧道，数据传输已经得到了保护，不会被外部人员窃听。然而，公司网络的参与者可以收听它。为了防止这种信息泄漏，数据传输完全使用加密的HTTPS协议。
RESTful接口主要与1.3.1章中提到的HTTP方法一起工作。MC主要在请求关于生产的信息时使用GET。
传感器使用POST方法将数据发送到服务器。当操作员向机器发送命令或改变生产顺序时，就会使用PUT方法。通过检测所使用的方法，AS可以区分所选择的动作并以正确的行为执行。服务器接口接受并发送XML或JSON文本格式的数据。这两种格式在web开发人员[19]中都非常流行，并且经常使用，这确保了长期的支持。但是，首选JSON格式。由于在声明值[20]时不使用结束标记，因此要传输的数据的大小大大减少。传输更少的数据不仅更快，还有助于节省成本，因为IaaS提供商会收取数据传输费用。表3显示了JSON格式和XML格式数据在大小上的差异。这些是我们案例研究中实际测量数据传输的平均值。表3。XML和JSON文本的数据包大小差异
3案例研究
位于奥格斯堡的弗劳恩霍夫IGCV的Lernfabrik fur vernetzte生产(LVP)展示了一个齿轮箱的例子。为了监视产品，使用了基于浏览器的控制系统。
图4管理座舱
图4显示了基于大型桌面浏览器的方法的MC的登录页面。导航和设置菜单不可见。当前的布局分为两部分。上面的部分包含选定的指示器。模块化开发允许布局容易地适应用户的请求。MC是多语言的，因此每个用户都可以选择自己喜欢的语言。主视图包含所选生产设施的平面图。基于交通灯的颜色为每个工作场所提供了一个快速的概览。该视图可以在生产控制、条件监控和风险管理之间切换。有关装配时间、库存、引擎数据等的详细信息可通过单击相应的框提供。
这个设计是在Twitter Bootstrap的帮助下完成的。它是一个响应性框架，减少了支持各种不同屏幕大小的设备的工作量。由于事实，该车间非常小，没有实现缩放功能。在非常小的设备上，这可能会降低用户体验。当拥有非常大的生产站点时，缩放是必须的，以保持对所有设备的良好可用性。
搭建平台的网络体系结构如图2所示。IaaS数据中心位于慕尼黑。离奥格斯堡100公里。一个大型IXP (DE-CIX Munich)位于慕尼黑，这有助于获得传输数据的低延迟
许多产品使用没有集成传感器系统的机器。但是它们可以装备像树莓派这样的单板电脑和一些传感器。这使得它们能够与现代生产监控通信。Pi是由一个没有图形用户界面的Linux最小操作系统运行的。从传感器读取数据的源代码是用c编写的，处理和提交信息给AS是由Python脚本执行的。反应测试表明，检测和处理一个传感器值的平均时间约为160 Ps。为了缩短反应时间，需要一个完整的C语言实现。发送数据到AS的平均时间是132ms。关于这种生产，实践表明，延迟约。200ms就足够了，不会影响循环时间的延长。AS可以通过Web Sockets协议将数据推送到MC。这是一种保持客户机和服务器之间持久连接的技术。通过这个通道，服务器可以将消息发送到已连接的客户机[24]。当检测到新的事件时，AS可以向客户端发送关于生产、关键情况等信息。这将导致请求的大幅减少，从而减少网络流量和服务器负载。用户可以激活多个消息传递通道。可以接收推送通知。但是，当脱机时，不能发送任何消息。如果出现严重错误，AS可以打开报警信号或发送短信给操作员。
- 总结
本文提出了一种基于web的分布式产品监控方法。通过有效地使用云服务，成本可以大幅降低。然而，对于实时应用程序来说，当数据中心不在内部时，延迟就变得非常重要。所开发的大体积模型表明RWD设计适用于多种设备的支持。尽管可以独立于平台使用，但是开发工作可以大大减少。这种通用架构可以应用于强大可靠的云
使实时监控成为可能的基础设施。今后的工作应是整合OPC-UA服务，以增加整个系统的兼容性。