陳明龍,王新龍,蘇 芳,凌樂舒,董玉德

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.蘇州柳凌軟件開發(fā)有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

科學(xué)合理的溫控機(jī)制和實時的溫控操作,是保證熱流道系統(tǒng)注塑產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵．國內(nèi)外專家在熱流道系統(tǒng)溫控方面開展了大量的研究工作,德國Mold-Masters Europa GmbH公司設(shè)計研發(fā)了多區(qū)域溫度監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)具有多區(qū)域數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、告警快速診斷、操作簡潔和性能可靠等優(yōu)點[1];文獻(xiàn)[2]利用模糊PID(比例積分微分)為基礎(chǔ)理論,進(jìn)行熱流道系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的研究與開發(fā),提高了流道溫控的敏捷性、實時性與智能性;文獻(xiàn)[3]通過自整定義PID控制方法,實現(xiàn)新型溫控信息系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā),對流道溫度數(shù)據(jù)實現(xiàn)了的精準(zhǔn)、科學(xué)的控制,提高了注塑制品的質(zhì)量．綜上所述,目前熱流道系統(tǒng)溫控機(jī)制較為成熟穩(wěn)定,但是溫控操作方式單一,僅采用溫控箱工控面板實現(xiàn)系統(tǒng)中熱咀溫控參數(shù)的短距離實時可視化監(jiān)控[4-5]．考慮企業(yè)熱流道系統(tǒng)型號的多樣性、注塑產(chǎn)品規(guī)格的復(fù)雜性和生產(chǎn)環(huán)境要求的差異性等原因,對熱流道系統(tǒng)要進(jìn)行全面、多方位、綜合性的實時監(jiān)測及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,采用單一的溫控箱工控面板進(jìn)行監(jiān)控需要投入大量的人力財力,且生產(chǎn)效率低下,實時數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程共享．

圖 1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 Technical architecture of the system

隨著物聯(lián)網(wǎng)(IOT,Internet of Things)[6-8]技術(shù)的日趨成熟．在企業(yè)溫控設(shè)備現(xiàn)有的基礎(chǔ)上,本文提出一種具有實時、遠(yuǎn)程、高效、可視等特性的熱流道系統(tǒng)遠(yuǎn)程溫控研究方法,實現(xiàn)了對熱流道系統(tǒng)內(nèi)部實時運(yùn)行的溫控數(shù)據(jù)的數(shù)字智能化和多元可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理,降低企業(yè)監(jiān)控成本,提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率與質(zhì)量,增強(qiáng)了企業(yè)的管理效率和市場競爭力．

1 遠(yuǎn)程溫控技術(shù)架構(gòu)

熱流道遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)是集Web網(wǎng)頁、手機(jī)APP、溫控箱工控面板于一體的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)．

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分為多元可視化監(jiān)控、云端服務(wù)器和遠(yuǎn)程溫控硬件開發(fā)3個層級模塊．通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)[11-12]將離散的熱流道系統(tǒng)組網(wǎng)連接到所屬網(wǎng)關(guān)節(jié)點上．向上,網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的Socket網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器,由C/S(Client/Server)通信管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析存儲;向下,將遠(yuǎn)程管控的指令發(fā)送到溫控箱，溫控通信模塊實現(xiàn)對系統(tǒng)中實時熱咀狀態(tài)的管控．系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示．

1.1 多元可視化監(jiān)控模塊

多元可視化監(jiān)控模塊主要由Web網(wǎng)頁、手機(jī)APP和工控面板組成．可視化監(jiān)控模塊采用界面圖形化、圖形動態(tài)化的設(shè)計理念進(jìn)行設(shè)計與搭建,界面簡潔美觀且操作性強(qiáng)．

1.2 云端服務(wù)器模塊

云端服務(wù)器模塊主要包括通信管理軟件、數(shù)據(jù)庫和Web網(wǎng)頁程序．通信管理軟件是遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫和可視化實時監(jiān)控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息通信的橋梁,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受、解析、存儲與指令下發(fā);數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的中心倉庫,系統(tǒng)包括MySQL和Redis兩類數(shù)據(jù)庫．Web網(wǎng)頁程序利用IIS服務(wù)平臺發(fā)布運(yùn)行于云端服務(wù)器,用戶就可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)的訪問與操作．

1.3 遠(yuǎn)程溫控硬件開發(fā)模塊

基于遠(yuǎn)程溫控的需要,在熱流道系統(tǒng)溫控硬件原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)關(guān)與溫控箱通信模塊的開發(fā)．(1)網(wǎng)關(guān)主要由Socket網(wǎng)絡(luò)[13-14]通信模塊、ZigBee中心模塊和STM32控制芯片組成．STM32控制芯片對ZigBee中心模塊進(jìn)行控制,每隔100 ms對同一頻點上的ZigBee中心模塊上的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷查詢,將查詢到的數(shù)據(jù)通過SPI通信技術(shù)傳輸給Socket通信模塊,Socket通信模塊將收到的信息數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳到云端服務(wù)器．(2)溫控箱溫控通信模塊主要是由STM32子控制芯片、ZigBee子模塊和熱咀溫控模塊組成．ZigBee子模塊主要負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)關(guān)的無線數(shù)據(jù)傳輸[15-16];STM32子控制芯片通過RS485串口,定時對熱咀溫控模塊進(jìn)行遍歷查詢獲取設(shè)備運(yùn)行的實時數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過USART串口通信技術(shù)回傳給ZigBee子模塊;同樣,過程逆向可定時將ZigBee子模塊接收到的指令下發(fā)給熱咀溫控模塊,實現(xiàn)對溫控節(jié)點的管控．ZigBee子模塊將獲取到的數(shù)據(jù)通過無線通信回傳到所屬中心網(wǎng)關(guān)ZigBee中心模塊,相反,中心網(wǎng)關(guān)可將接收到的指令數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給溫控箱通信模塊的ZigBee子模塊,實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管控的雙向互動．其通信結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示．

圖 2 設(shè)備通信架構(gòu)簡圖Fig.2 Architecture of the device communication

2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

智能數(shù)字化的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信問題．從通信的質(zhì)量、效率和管理成本等多角度出發(fā),需設(shè)計一個既支持有線通信和無線通信相結(jié)合的遠(yuǎn)程長距離通信，又支持車間設(shè)備之間短距離無線通信的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示．

溫控箱與網(wǎng)關(guān)之間的通信采用具有短距離、效率高和成本低等特性的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信(無線通信2.4GHz)來實現(xiàn),企業(yè)中心網(wǎng)關(guān)與云端服務(wù)器之間通信采用效率高、性能穩(wěn)定的以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸,既確保了通信數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，也降低了通信成本．網(wǎng)關(guān)與通信管理軟件采用TCP/IP協(xié)議長連接方式進(jìn)行連接．網(wǎng)關(guān)每隔2 s定時向通信管理軟件發(fā)送心跳包,通信軟件接收到心跳包后,原包回發(fā)給網(wǎng)關(guān),以證明此次通信正常．若網(wǎng)關(guān)連續(xù)發(fā)送2次心跳后,均未得到應(yīng)答,網(wǎng)關(guān)認(rèn)為通信連接已斷開,網(wǎng)關(guān)會重新發(fā)起連接請求,直到連接成功為止．

圖 3 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Communication network architecture

2.2 通信數(shù)據(jù)協(xié)議

科學(xué)合理的通信數(shù)據(jù)處理流程和通信協(xié)議規(guī)范是保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定、實時、高效通信的關(guān)鍵．系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)協(xié)議幀按數(shù)據(jù)流的方向可以分為應(yīng)答幀(上行數(shù)據(jù)幀)和指令幀(下行數(shù)據(jù)幀)．應(yīng)答幀是由溫控箱通信模塊采集發(fā)起,傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器,由通信管理軟件進(jìn)行接收、解析與存儲,可視化監(jiān)控模塊進(jìn)行實效展示與監(jiān)控;指令幀則是由可視化監(jiān)控模塊發(fā)起,通過通信軟件解析并下發(fā)至網(wǎng)關(guān),由網(wǎng)關(guān)傳輸給溫控箱溫控通信模塊,實現(xiàn)指令控制操作．

2.3 通信數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 數(shù)據(jù)幀讀取(粘包/少包)解決方法 數(shù)據(jù)幀在通信網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中,由于數(shù)據(jù)信息量大、傳輸速率快和傳輸網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性等原因,導(dǎo)致通信軟件在接收解析數(shù)據(jù)幀時常常出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀粘包、少包等現(xiàn)象．?dāng)?shù)據(jù)幀完整性與否,直接影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率和可視化監(jiān)控的實時性和準(zhǔn)確性．為了避免因數(shù)據(jù)幀粘包或少包等原因而影響系統(tǒng)整體效率,首先對接收粘包或少包數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分或拼接處理,打包成一個完整的數(shù)據(jù)幀,然后將其插入解析對列,進(jìn)行解析存儲和下發(fā)．

2.3.2 多線程響應(yīng)數(shù)據(jù)處理 為保證系統(tǒng)能夠能及時響應(yīng)多客戶對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的控制請求和可視化監(jiān)控模塊能夠及時、準(zhǔn)確實現(xiàn)對熱咀節(jié)點的實時監(jiān)控,通信管理軟件采用多線程與并行編程技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)并發(fā)響應(yīng)數(shù)據(jù)的處理;一方面,首先開辟一條線程，負(fù)責(zé)將并發(fā)上傳的數(shù)據(jù)以鍵值對的方式存入Redis數(shù)據(jù)庫中,然后由單獨的解析線程負(fù)責(zé)從Redis數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行解析存儲,便于可視化監(jiān)控模塊的讀取與監(jiān)控;對設(shè)備運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)量龐大且更新周期短等原因,系統(tǒng)以定時器的方式定時1 s，針對每一個不同網(wǎng)關(guān)開辟一條儲存線程進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的MySQL數(shù)據(jù)庫存儲;對于系統(tǒng)告警實時監(jiān)控數(shù)據(jù)由單獨解析儲存線程進(jìn)行MySQL數(shù)據(jù)庫儲存.另一方面,對于系統(tǒng)客戶端發(fā)出的控制指令分別進(jìn)行實時監(jiān)控,將接受到的指令數(shù)據(jù)存入Redis數(shù)據(jù)庫中,由單獨線程從后臺進(jìn)行解析分類,針對每一個不同的網(wǎng)關(guān)開辟專有的線程,負(fù)責(zé)該網(wǎng)關(guān)所屬設(shè)備的客戶端所有指令的解析與下發(fā)．多線程響應(yīng)數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示．

圖 4 多線程響應(yīng)數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Multi-threaded response data processing flow

2.3.3 數(shù)據(jù)分離存儲方法設(shè)計 數(shù)據(jù)存儲方法設(shè)計的好壞,直接影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)流交互效率．考慮系統(tǒng)對監(jiān)控數(shù)據(jù)的時效性、準(zhǔn)確性有著較高的要求,以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)具有數(shù)量龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點;系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲方面,采用Redis數(shù)據(jù)庫與MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分離存儲管理．對時效性要求較高的設(shè)備實時運(yùn)作數(shù)據(jù),采用具有數(shù)據(jù)讀取速率快,存取簡易等優(yōu)點的Redis數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲．系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、告警日志數(shù)據(jù)和系統(tǒng)操作輔助數(shù)據(jù)等,采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲．系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)分離存儲的方法實現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高效存儲和數(shù)據(jù)流的分層管理,增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的綜合效率．

圖 5 多元化監(jiān)控原理簡圖Fig.5 Schematic diagram of diversified monitoring

3 多元可視化實時監(jiān)控

3.1 多元實時監(jiān)控模塊

企業(yè)傳統(tǒng)的熱流道系統(tǒng)溫控設(shè)備大部分采用溫控箱工控面板進(jìn)行控制．隨著計算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟,實現(xiàn)對熱流道系統(tǒng)進(jìn)行多元化遠(yuǎn)程監(jiān)控不再是一種設(shè)想．系統(tǒng)采用Web網(wǎng)頁、手機(jī)APP和溫控箱(單機(jī)/聯(lián)網(wǎng))三方面對熱流道系統(tǒng)進(jìn)行同步實時可視化監(jiān)控[17],滿足企業(yè)和用戶的多方面的監(jiān)控需求．多元化監(jiān)控原理簡圖如圖5所示．

3.2 Web API的應(yīng)用

系統(tǒng)實現(xiàn)手機(jī)APP、Web網(wǎng)頁和溫控箱同時同步地對熱流道系統(tǒng)實時溫控數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,除了云端服務(wù)器總橋梁外,Web API也有著不可或缺的連接作用．Web網(wǎng)頁監(jiān)控模塊為手機(jī)APP與溫控箱工控面板開設(shè)高達(dá)上百個的API接口．設(shè)計API的目的主要是減輕系統(tǒng)整體架構(gòu)中數(shù)據(jù)處理的壓力,本著一點處理多點共用的原則進(jìn)行Web API應(yīng)用接口的設(shè)計開發(fā),很大程度上提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的效率．

圖 6 動態(tài)數(shù)據(jù)可視化加載過程Fig.6 Loading process of dynamic data visualization

3.3 動態(tài)數(shù)據(jù)可視化

目前,系統(tǒng)每100 ms進(jìn)行1次設(shè)備溫控數(shù)據(jù)采集,可視化監(jiān)控模塊每800 ms進(jìn)行1次數(shù)據(jù)刷新監(jiān)控;整個遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)所涉及的熱咀節(jié)點數(shù)高達(dá)幾十萬個,每一個節(jié)點的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)種類有11種．對于系統(tǒng)的可視化監(jiān)控模塊而言,將系統(tǒng)實時運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行順暢的可視化展現(xiàn)和監(jiān)制,需選用合理的通信數(shù)據(jù)格式和前端可視化監(jiān)控技術(shù)．溫控箱工控面板在實時數(shù)據(jù)監(jiān)控方面采用RS485串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息通信,較為簡單且效率較高;手機(jī)APP與Web網(wǎng)頁采用Web Sockets API實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,通過Web Sockets構(gòu)建可視化監(jiān)控程序與云端服務(wù)器Redis數(shù)據(jù)庫之間的長連接關(guān)系,Redis數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以通過長連接實時傳輸?shù)角岸丝梢暬O(jiān)控模塊進(jìn)行展現(xiàn)與監(jiān)控,同時采用Web Workers API接口實現(xiàn)多個子線程進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互,避免了類似Ajax技術(shù)定時進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新帶來的系統(tǒng)性能損耗等問題．?dāng)?shù)據(jù)通信格式采用JSON格式,方便了前端可視化程序的識別解析．系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)可視化加載過程如圖6所示．

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與驗證

4.1 控制響應(yīng)時間測試

為了驗證系統(tǒng)通信應(yīng)答效率,分別采用手機(jī)APP、Web網(wǎng)頁和溫控箱工控面板對網(wǎng)關(guān)編號660000001,設(shè)備編號680000001的熱流道系統(tǒng)的第一,第二,第三的熱咀節(jié)點發(fā)送240℃溫度設(shè)置指令進(jìn)行應(yīng)答測試,應(yīng)答數(shù)據(jù)及運(yùn)行時間測試結(jié)果見表1．

表 1 指令應(yīng)答周期測試

從表1可以看出,從指令下發(fā)到應(yīng)答數(shù)據(jù)幀的解析接收,時間三端均未超過800 ms,滿足了系統(tǒng)可視化監(jiān)控模塊對熱流道系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時展現(xiàn)與監(jiān)控的要求．

4.2 多元可視化實時監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

熱流道遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),結(jié)合多元可視化監(jiān)控設(shè)備終端進(jìn)行同步開發(fā)的綜合型、多方面、高效率的遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)．此系統(tǒng)參加了2017年廣州中國國際塑料橡膠工業(yè)展覽會.該系統(tǒng)多元可視化監(jiān)控模塊、部分功能模塊實現(xiàn)界面如圖7所示．熱流道遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)實現(xiàn)了溫控數(shù)據(jù)在多元監(jiān)控設(shè)備上的實時同步監(jiān)控管理,滿足了企業(yè)及相關(guān)用戶對熱流道系統(tǒng)溫控設(shè)備進(jìn)行多樣化實時監(jiān)控的需求．

5 結(jié) 論

(1) 提出一種結(jié)合手機(jī)AAP、Web網(wǎng)頁和溫控箱工控面板對熱流道系統(tǒng)溫控節(jié)點實時運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行同步監(jiān)測與控制的構(gòu)想．并結(jié)合實際需求,成功地開發(fā)了一套數(shù)字化、智能化與可視化相結(jié)合的跨平臺熱流道遠(yuǎn)程溫控系統(tǒng)．滿足了企業(yè)和相關(guān)用戶對熱流道系統(tǒng)溫控設(shè)備多方面的監(jiān)控管理需求．

(2) 系統(tǒng)目前測試的網(wǎng)關(guān)數(shù)約50個,溫控設(shè)備250臺,熱咀節(jié)點數(shù)約12 000個,系統(tǒng)測試性能良好．但是,考慮企業(yè)熱流道系統(tǒng)用戶涉及海外近20個國家,針對龐大的用戶量,能否開發(fā)出一套基于Google地圖的跨域綜合監(jiān)控系統(tǒng)是下一步研究的重點方向．

(a) 手機(jī)APP 部分功能模塊界面圖 (b) Web網(wǎng)頁部分功能模塊界面 (c) 溫控箱工控面板部分功能模塊界面圖 7 系統(tǒng)功能模塊實現(xiàn)界面簡圖Fig.7 Interface diagram of the implementation of functional modules of system

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