夏參參，靳 暢

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201210）

0 引 言

長時(shí)間暴露在光照情況下，汽車零件容易出現(xiàn)變色、開裂、強(qiáng)度降低等質(zhì)量問題，從而直接影響整車廠的銷量，因此通過嚴(yán)格的老化耐久試驗(yàn)來確保每個(gè)零件的質(zhì)量對(duì)于整車廠來說至關(guān)重要。現(xiàn)階段，整車廠普遍使用氙燈老化箱進(jìn)行材料的老化試驗(yàn)，即使用氙燈來模擬太陽光，并通過強(qiáng)化環(huán)境因素使得樣件在氙燈老化箱內(nèi)加速老化，縮短試驗(yàn)周期[1]。

與其他耐久試驗(yàn)一樣，氙燈老化試驗(yàn)一般執(zhí)行1 000 h，試驗(yàn)周期較長。一方面，試驗(yàn)工程師迫切地想改變需要定期到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)查看設(shè)備狀態(tài)的現(xiàn)狀，及時(shí)修復(fù)因故障導(dǎo)致的試驗(yàn)暫停以及獲取光照能量判斷試驗(yàn)是否完成；另一方面，維修工程師想改變手工記錄燈源使用壽命來指導(dǎo)維護(hù)保養(yǎng)的操作。解決這兩方面的痛點(diǎn)能夠提升試驗(yàn)效率。

本文通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套針對(duì)氙燈老化試驗(yàn)的輔助系統(tǒng)[2]。該輔助系統(tǒng)在設(shè)備邊緣布置8通道數(shù)采模塊，采集溫度、濕度、光照、運(yùn)行狀態(tài)，并通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壎斯た貦C(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理打包后，通過HTTP協(xié)議傳輸?shù)皆贫?，最后使用前端?yīng)用Grafana及手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化展示[3]。同時(shí)，通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的二次計(jì)算，并結(jié)合業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障及時(shí)通知，試驗(yàn)進(jìn)度實(shí)時(shí)掌握，燈源維保計(jì)劃合理開展。

1 數(shù)據(jù)采集原理

本文采用設(shè)備層、邊緣層及存儲(chǔ)層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[4]。在設(shè)備層使用DAM模塊采集設(shè)備的模擬量，經(jīng)過數(shù)采采集后，使用ZigBee模塊和RS 485接口將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[5]，采集腳本通過協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后形成消息隊(duì)列，存儲(chǔ)在緩存數(shù)據(jù)庫Redis[6]中，然后將消息隊(duì)列通過HTTP協(xié)議傳輸?shù)较⒅虚g件Kafka，按照訂閱對(duì)象分發(fā)數(shù)據(jù)到時(shí)序數(shù)據(jù)庫influxDB，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備端到數(shù)據(jù)庫端的傳輸。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化后可被各種應(yīng)用調(diào)用消費(fèi)，數(shù)據(jù)采集框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集框架

1.1 設(shè)備層

在設(shè)備層，將氙燈老化箱的溫度、濕度以及光照功率作為參數(shù)。通過將氙燈老化箱PLC對(duì)應(yīng)的物理線引出輸入到DAM數(shù)采模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使用誠控電子7082系列數(shù)采模塊實(shí)現(xiàn)模擬量輸入，量程選擇4～20 mA電流信號(hào)。使用RS 485協(xié)議進(jìn)行信號(hào)輸出，寄存器類型選擇保持寄存器，分配的地址分別是0x0003，0x0004和0x0005，兩臺(tái)設(shè)備分配2個(gè)站號(hào)，即unit1和unit2，波特率選擇38 400 b/s。DAM數(shù)采模塊與ZigBee通過串口RS 485連接，設(shè)備端的ZigBee與邊緣端的ZigBee自組網(wǎng)通過信道22建立局域網(wǎng)[7]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

1.2 邊緣層

邊緣層通過低功耗的ZigBee模塊進(jìn)行程序采集，腳本使用Python的Pymodbus庫采集數(shù)據(jù)，通過RTU協(xié)議進(jìn)行交互，地址列表見表1所列。使用ModbusSerialClient與數(shù)采模塊建立連接，獲取原始數(shù)據(jù)[10-11]。

表1 參數(shù)信息

因DAM-7082系列是16位有符號(hào)數(shù)，如果是正數(shù)，則第15位為0；如果是負(fù)數(shù)，則第15位為1。計(jì)算真實(shí)值時(shí)，需使用下式換算[7]：

式中：Val為實(shí)際采集值；Adata為Modbus采集值；Range為通道量程。數(shù)據(jù)處理好后，打包成JSON格式，邊緣端網(wǎng)關(guān)設(shè)置靜態(tài)IP，通過HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

1.3 存儲(chǔ)層

在存儲(chǔ)層使用消息中間件Kafka和時(shí)序數(shù)據(jù)庫influxDB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)、存儲(chǔ)及調(diào)用。因Kafka是一種高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，可供多個(gè)消費(fèi)者同時(shí)消費(fèi)每秒數(shù)百萬的數(shù)據(jù)信息[8]，常部署在服務(wù)器端接收來自邊緣端生產(chǎn)者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。influxDB數(shù)據(jù)庫可高性能查詢與存儲(chǔ)時(shí)序型數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)及IoT行業(yè)[9]。將influxDB作為Kafka的訂閱者，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫中。前端應(yīng)用可根據(jù)設(shè)備標(biāo)簽信息及存儲(chǔ)的字段使用SQL語句查閱展示氙燈老化箱的實(shí)時(shí)溫度、濕度、光照。

2 數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)展示

對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化展示可通過Grafana實(shí)現(xiàn)，它能很好地對(duì)接influxDB數(shù)據(jù)庫中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]。使用時(shí)，在Grafana配置中添加數(shù)據(jù)源，選擇influxDB類型，并配置相應(yīng)的URL、賬號(hào)密碼，通過測(cè)試查看是否與數(shù)據(jù)庫建立連接[11]。

連接成功后，配置相應(yīng)看板。看板主要用到單值、離散圖、曲線圖及表格。配置界面如圖2所示。兩臺(tái)設(shè)備配置在一個(gè)看板里，設(shè)備采用編號(hào)區(qū)分，并在各看板下根據(jù)實(shí)際需求調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，最終將字段下的數(shù)據(jù)信息按照時(shí)間順序展示。

圖2 看板配置界面

在看板中配置設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，溫濕度和光照功率的可視化有助于試驗(yàn)工程師及時(shí)獲取氙燈老化試驗(yàn)的環(huán)境信息，并且對(duì)光照功率進(jìn)行時(shí)間積分，獲得光照累計(jì)值，表征樣件的試驗(yàn)進(jìn)度。同時(shí)，通過繪制曲線可對(duì)歷史溫濕度變化進(jìn)行回溯，驗(yàn)證試驗(yàn)過程邊界條件的準(zhǔn)確性，最后通過表格工具展示查看設(shè)備的報(bào)警信息。

Grafana采用B/S架構(gòu)，用戶可遠(yuǎn)程通過瀏覽器登錄訪問，掌握老化箱的實(shí)時(shí)參數(shù)，查看試驗(yàn)進(jìn)度。同時(shí)，配置的手機(jī)移動(dòng)端也可實(shí)時(shí)查看設(shè)備參數(shù)，遠(yuǎn)程掌握現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。

2.2 信息推送

2.2.1 進(jìn)度

氙燈老化試驗(yàn)是考察樣件暴露在氙燈下一定時(shí)間的耐久試驗(yàn)，根據(jù)不同的樣件選擇試驗(yàn)周期時(shí)長。通過計(jì)算可以獲得實(shí)時(shí)光照累計(jì)值，因此只需知道放入樣件開始的光照值以及任一組樣件需要測(cè)試的光照值，即可算得樣件完成試驗(yàn)時(shí)的光照值。當(dāng)采集計(jì)算的光照累計(jì)值等于閾值時(shí)，將樣件完成試驗(yàn)的信息推送給試驗(yàn)工程師，試驗(yàn)工程師可無間隔差地進(jìn)行下一步工作，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的無縫銜接。同時(shí)，老化箱支持多批樣件測(cè)試，根據(jù)不同批次的樣件放入時(shí)間及試驗(yàn)周期設(shè)置不同的閾值推送，大大提高了氙燈老化箱的試驗(yàn)效率。

2.2.2 光照時(shí)長

輔助系統(tǒng)已經(jīng)采集到氙燈的光照功率，除了計(jì)算累計(jì)光照外，對(duì)氙燈開啟的時(shí)間進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，獲得光照累計(jì)時(shí)間，可用于氙燈的維護(hù)保養(yǎng)建議。按照設(shè)備保養(yǎng)手冊(cè)，光源累計(jì)使用時(shí)間達(dá)到400 h時(shí)，需要對(duì)光源進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)；累計(jì)使用時(shí)間達(dá)到1 000 h時(shí)，需要更換燈管。根據(jù)此邏輯，對(duì)光照累計(jì)時(shí)間設(shè)置400 h及1 000 h閾值，計(jì)算值達(dá)到閾值后推送維護(hù)保養(yǎng)策略給維護(hù)工程師，進(jìn)行燈光校準(zhǔn)及更換光源，做到主動(dòng)保養(yǎng)，提高試驗(yàn)質(zhì)量。

2.2.3 參數(shù)報(bào)警

根據(jù)設(shè)備維修手冊(cè)以及試驗(yàn)工程師的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行邏輯報(bào)警設(shè)置：氙燈老化箱艙內(nèi)溫度超過80 ℃報(bào)警，光照功率超過（0.55±0.05） W/m2時(shí)報(bào)警。同時(shí)設(shè)置報(bào)警接收對(duì)象，當(dāng)輔助系統(tǒng)檢測(cè)到如上邏輯時(shí)，按照既定的報(bào)警策略以短信或郵件的形式推送給相關(guān)試驗(yàn)人員，使相關(guān)人員及時(shí)掌握氙燈老化試驗(yàn)的運(yùn)行狀況，從而減少設(shè)備等待時(shí)間，提高設(shè)備利用率。

3 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套用于氙燈老化耐久試驗(yàn)的輔助系統(tǒng)。該輔助系統(tǒng)不僅提高了試驗(yàn)的效率和質(zhì)量，更具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。