滿翔翔，胡森榮

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

電鍍加工過程中電鍍槽液溫度、pH值等是電鍍過程中需要控制的重要參數(shù)[1-3]。無論是在常溫下、加溫狀態(tài)下或是降溫狀態(tài)下進行鍍液，都需要對溫度、pH值進行實時監(jiān)測，以保證電鍍過程正常進行[4-5]。當前，現(xiàn)有電鍍溫度監(jiān)測利用熱電偶與溫度控制器以及電流信號傳輸線完成。熱電偶收集電鍍液溫度變化數(shù)據(jù)并將其轉變?yōu)殡娏餍盘?，然后通過電流信號傳輸線到達電控柜的溫度控制器。監(jiān)測裝置通過電流信號傳輸溫度[6]。傳統(tǒng)pH值測量通過收集復合玻璃電極表面剝離的白色結晶固體，用蒸餾水反復沖洗后置于烘箱中干燥，采用壓片法制樣并進行紅外光譜分析[7-8]。

1 系統(tǒng)方案設計

基于LoRa技術的電鍍液參數(shù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)（監(jiān)控系統(tǒng)）總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由控制器模塊、STM32處理器模塊、LoRa網(wǎng)關和終端顯示等組成。其中，溫度控制器和pH控制器構成終端節(jié)點，由MCU驅動用于監(jiān)測與控制電鍍液參數(shù)；由于電鍍液的參數(shù)采集處于復雜環(huán)境中，為解決布線問題，本文采用LoRa調(diào)制集成微控制器SX1278作為調(diào)制解調(diào)模塊；通過LoRa網(wǎng)關組成無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)終端節(jié)點在本文無線傳感網(wǎng)絡中的通信[9]。LoRa網(wǎng)關將處理后的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到終端服務器進行儲存與處理，并利用終端顯示，實現(xiàn)對電鍍液參數(shù)的監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)監(jiān)測與控制總體框圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

為保證電鍍產(chǎn)品的鍍層微觀結構保持較高的性能，對電鍍液溫度與pH值進行智能監(jiān)控。在電鍍過程中，系統(tǒng)采用WZP-PT100溫度傳感器精準、實時監(jiān)測電鍍溫度。

電鍍液溫度由于其非線性以及調(diào)整滯后效應，因此利用傳統(tǒng)溫度監(jiān)測方法實現(xiàn)精準監(jiān)測較為困難，為此，選擇隱馬爾可夫模型（HMM）監(jiān)測溫度。HMM作為一種智能檢測診斷技術具有很強的對動態(tài)過程建模和對序列模式進行分類的能力。因此，HMM在對電鍍液溫度進行監(jiān)測時效果較好，電鍍液pH值監(jiān)測采用pH計完成，并通過HMM方法實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)處理[10]。

將監(jiān)測的溫度、pH值數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，在該模塊中對實測值與超限閾值進行對比，通過對比后將超限值信號發(fā)送到控制器中，控制器利用積分分離PID控制算法改變生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)。積分分離PID控制算法如圖2所示。

圖2 積分分離PID控制算法原理

系統(tǒng)在受到其他因素干擾或者啟動、關閉時，在極短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出將發(fā)生階躍變化，引發(fā)較大輸出偏差，造成積分累計。由于其執(zhí)行機構動作范圍有限，控制量超過該范圍使得控制結果精準性較差。改進方面：控制量與用戶設定值之間的偏差值在系統(tǒng)設定偏差值與現(xiàn)場被控量之間存在較大差異時，積分控制環(huán)節(jié)撤銷，在兩者相近時，啟用積分控制，從而實現(xiàn)精準控制[12]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)處理設計

為了保證監(jiān)測效果，需要對原始數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。通過分析孤立森林法，提出依靠隱馬爾可夫模型分析不同時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，假設安全監(jiān)測系統(tǒng)采集到某一時間段內(nèi)連續(xù)數(shù)據(jù)符合n階隱馬爾可夫模型，則通過HMM可離散得到n個狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，利用隨機決策森林法進行擬合，生成決策樹，信息熵可以作為判別樣本純度的標準，定義見式（1）：

式中：n為特征值數(shù)；xi為數(shù)據(jù)的總訓練集中第i類；Xi為總訓練集中第i類在總集中的比例。純度越低時隨機變量的安全性越高，其系統(tǒng)安全監(jiān)測信息的決策屬性S就更優(yōu)越，見式（2）所示：

式中：Q為系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)總量；QL為安全屬性為S的數(shù)據(jù)量；q為子數(shù)據(jù)集。

根據(jù)分類子數(shù)據(jù)集的抽取不同，需要對單體決策樹的過擬合情況進行規(guī)避。即將采集到的當前子數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)與安全閾值進行比較，若該數(shù)據(jù)超過安全閾值，則認定其為合格的子數(shù)據(jù)集，參與預測效果判決，否則規(guī)避。

3.2 通信處理設計

本文設計的LoRa電鍍液參數(shù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)通信流程如圖3所示。傳感器首先監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳入處理器中進行模數(shù)轉換處理，再將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與標準值以及超限閾值進行比較，若判斷結果未超過標準值，則進入下一次數(shù)據(jù)采集流程，否則再與超限閾值比較，將得到的結果按優(yōu)先級順序進行整理打包。

圖3 系統(tǒng)通信流程

網(wǎng)關節(jié)點接收來自處理器處理后的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務器儲存。

4 實驗測試及分析

4.1 實驗測試部署

測試：部署2個溫度監(jiān)控子系統(tǒng)和2個pH監(jiān)控子系統(tǒng)，搭建LoRa實驗裝置完成現(xiàn)場設備通信，同時連接上位機實現(xiàn)數(shù)字化安全監(jiān)控。在此實驗中，通過模擬加熱與冷卻以及向液體中加入微量酸堿試劑來改變生產(chǎn)環(huán)境。

4.2 實驗結果分析

由實驗測試提取某段時間內(nèi)每個子系統(tǒng)的特征信號，采集信息點液體初始溫度值與干預后溫度值，液體初始pH值與加入酸堿試劑后的變化值。實驗測試數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 實驗測試數(shù)據(jù)

由表1可知，在不同數(shù)據(jù)量的傳輸過程中，隨著數(shù)據(jù)量的增加，丟包率上升，傳輸率降低。在本次實驗測試中，系統(tǒng)平均數(shù)據(jù)量為60.75 bit時，平均丟包率為4.45%，傳輸率為14.12 Kb/s，表明系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的完整性較高，具有較好的可靠性。上位機監(jiān)控反饋的數(shù)據(jù)如圖4所示。在初始時刻，液體溫度與pH值處于正常水平，通過升溫與加入少許酸性試劑后，系統(tǒng)實驗溫度逐漸提升，pH值緩慢下降，在隨后的降溫測試中，由于實驗控制量差距較大，因此在初始階段出現(xiàn)階躍變化，此超調(diào)現(xiàn)象在積分分離PID控制算法的控制下趨于平穩(wěn)。由實驗測試結果可知，本系統(tǒng)基本滿足了電鍍液參數(shù)監(jiān)控要求。

圖4 上位機監(jiān)控顯示圖

5 結 語

本文設計了一種基于LoRa技術的電鍍液參數(shù)監(jiān)測與控制系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測電鍍液參數(shù)并進行有效控制。