基于物聯(lián)網(wǎng)大型烘干機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

孟慶祥，朱世偉，王 巖，華秀萍，王麗麗

（佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，佳木斯154007）

目前糧食烘干機(jī)設(shè)備的自動(dòng)化水平還很低，依然處于以手動(dòng)操作、電氣控制為主的階段，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)、控制的參量數(shù)量少，控制過程缺乏穩(wěn)定性和可靠性，控制效果難以滿足生產(chǎn)需要。隨著控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，糧食烘干設(shè)備的自動(dòng)化水平得到了飛速的發(fā)展。我國(guó)在糧食干燥設(shè)備的控制和自動(dòng)化水平明顯落后發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平，目前，多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都加大了種子加工設(shè)備的控制系統(tǒng)的研究力度，并取得了可喜的成果[1-3]，在烘干效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面已處于成熟階段，雖可滿足本行業(yè)需求，但物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用較少。綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在糧食干燥行業(yè)應(yīng)用還處于初級(jí)階段，產(chǎn)線遠(yuǎn)程管理功能普遍缺失，本文研制的大型烘干機(jī)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，可提升烘干速率，烘干的準(zhǔn)確性，降低能源的浪費(fèi)，更有利于大型烘干機(jī)的監(jiān)控，而且技術(shù)可向其他大型機(jī)械復(fù)制應(yīng)用，未來發(fā)展前景廣闊，有利于提高農(nóng)民的收入， 有望為我國(guó)作物烘干提供新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，具有重要的研究?jī)r(jià)值和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目在工藝構(gòu)建方面， 擬采用實(shí)驗(yàn)分析法、定量分析法、文獻(xiàn)研究法對(duì)烘干工藝進(jìn)行綜合分析與構(gòu)建， 獲得現(xiàn)代自動(dòng)烘干精確調(diào)控工藝。由PC機(jī)、PLC（DVP-60ES200R）、溫度傳感器、工業(yè)觸摸屏，溫度傳感器，含水率傳感器、云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)通訊終端模塊、烘干機(jī)等設(shè)備組成。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。整個(gè)設(shè)計(jì)由上位機(jī)與下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)由PC 機(jī)和觸摸屏組成，采用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制。可設(shè)定和修改溫度及含水率的標(biāo)準(zhǔn)值及報(bào)警值，查詢歷史記錄以及分析各時(shí)間段的溫度的數(shù)據(jù)，檢查各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度狀況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄；利用手機(jī)、電腦實(shí)現(xiàn)溫度，含水率參數(shù)的監(jiān)測(cè)、設(shè)定數(shù)據(jù)極限值，如果釆集到的數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)的范圍， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。PLC 是下位機(jī)的主控制器，上位機(jī)將命令傳輸?shù)较挛粰C(jī)PLC 中，PLC 控制各個(gè)元件進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。根據(jù)用戶需求設(shè)置了手動(dòng)、自動(dòng)、定時(shí)工作的多種控制功能，使系統(tǒng)運(yùn)行的更加可靠。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型設(shè)計(jì)

通過分析烘干工藝流程，控制系統(tǒng)核心控制器采用臺(tái)達(dá)DVP60ES200R 同時(shí)可搭配14-bitAIO 擴(kuò)展模塊，配合內(nèi)建PID Auto-Tuning 功能，整合的通訊功能， 內(nèi)建1 組RS-232，2 組RS-485 通訊端口，均支持Modbus 主/從站模式； 程序容量：16 k steps數(shù)據(jù)寄存器。設(shè)計(jì)整體控制程序、中斷程序可以完成系統(tǒng)的數(shù)字量控制和報(bào)警中斷等功能。PLC 通過RS-232 與上位機(jī)建立通信，并通過RS485 通訊接口與無線數(shù)據(jù)傳輸終端建立通信。模擬量輸入信號(hào)多個(gè)溫濕度傳感器、含水率傳感器等信號(hào)；數(shù)字量輸出信號(hào)包括電機(jī)的開關(guān)信號(hào)、警鈴開關(guān)信號(hào)、運(yùn)行指示燈[3]?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control system structure diagram

2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊選型

由于GPRS DTU 大多用于遙遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)大多采用GPRS DTU 模塊作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)終端，GPRS 為2G 網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸慢，因此GPRS DTU 的穩(wěn)定性就變得非常重要。對(duì)此選擇廣州巨控GRM200 數(shù)據(jù)傳輸終端，全網(wǎng)通設(shè)計(jì)支持3 大運(yùn)營(yíng)商APN 或VPDN 專網(wǎng)，穩(wěn)定可靠，組網(wǎng)簡(jiǎn)單、靈活，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)一般小于1 s，通過RS485通訊接口與PLC 連接， 通過Modbus 程序可實(shí)現(xiàn)PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)透明傳輸，用戶可遠(yuǎn)程下載、調(diào)試PLC程序，通過手機(jī)、網(wǎng)頁端能監(jiān)控每個(gè)倉內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備的運(yùn)行情況。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)糧食烘干控制工藝編PLC 程序，糧食烘干系統(tǒng)控制流程如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)糧食溫濕度、含水率等精準(zhǔn)調(diào)控，設(shè)計(jì)以下控制方法實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控。糧食烘干機(jī)控制系統(tǒng)開始工作時(shí)系統(tǒng)上電后，首先將主程序以及各個(gè)模塊程序初始化，比如子程序的初始化、定時(shí)器以及中斷的初始化等[4]。當(dāng)烘干過程開始時(shí)，系統(tǒng)通過各個(gè)分布點(diǎn)的溫度傳感器采集烘干塔內(nèi)不同烘干段的溫度，將采集的數(shù)據(jù)通過模擬量模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給PLC， 通過運(yùn)算處理并與設(shè)定值相比較，進(jìn)而控制熱風(fēng)閥門的開度，倘若烘干塔內(nèi)的溫度超過設(shè)定溫度的上下限范圍，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出報(bào)警停機(jī)[5]，當(dāng)糧食含水率傳感器檢測(cè)到的水分值與設(shè)定值不相等時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)相關(guān)的控制命令對(duì)排糧電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)來控制其轉(zhuǎn)速。

圖3 控制系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of control system

3.2 HMI 界面設(shè)計(jì)

糧食干燥系統(tǒng)主要包括主界面、 參數(shù)設(shè)置、歷史報(bào)警、歷史曲線、操作說明等以下幾個(gè)界面，可每時(shí)每刻監(jiān)控工作數(shù)據(jù)，包括排糧速度、干糧含水率、各烘干段糧食溫、濕度情況、風(fēng)溫、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等，以報(bào)表的形式一鍵打印，有助于管理。

主界面為整個(gè)系統(tǒng)的核心界面，顯示每個(gè)倉內(nèi)溫度、濕度、以及工作情況，如圖4所示。

圖4 主界面圖Fig.4 Main interface diagram

參數(shù)設(shè)置對(duì)溫度上限、下限、濕度上限、下限預(yù)先設(shè)定；具有配方選擇功能，將不同烘干作物設(shè)定最佳參數(shù)存儲(chǔ)，選定作物即可一鍵導(dǎo)入該作物的最佳烘干參數(shù)設(shè)置，如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter setting

歷史曲線通過曲線顯示每個(gè)倉內(nèi)各溫濕度變量變化趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 歷史曲線Fig.6 Historical curve

歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)具有報(bào)表和統(tǒng)計(jì)功能，每隔1 min存儲(chǔ)1 次數(shù)據(jù)，生成報(bào)表?？筛鶕?jù)時(shí)間查詢數(shù)據(jù)，以及通過U 盤將數(shù)據(jù)導(dǎo)出， 方便分析系統(tǒng)工作情況，如圖7所示。

圖7 歷史數(shù)據(jù)Fig.7 Historical data

歷史報(bào)警當(dāng)倉內(nèi)溫度超過設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出報(bào)警，以及將報(bào)警信息存盤，可根據(jù)時(shí)間定期查詢報(bào)警信息，如圖8所示。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)部分設(shè)計(jì)

圖8 歷史報(bào)警Fig.8 Historical alarm

物聯(lián)網(wǎng)部分采用一款具有PLC 和RTU 功能的GRM200 遠(yuǎn)程測(cè)控終端[6]。它使用GSM（GRM200 需插入手機(jī)SIM 卡）作為通訊手段，同時(shí)具備工業(yè)級(jí)抗干擾性能，GRM200 自帶通訊口，直接支持多種PLC通訊協(xié)議與設(shè)備進(jìn)行ModbusRTU 通訊， 與設(shè)備進(jìn)行ModbusRTU 通訊，采用GPRS 和短信電話三重通訊相結(jié)合的方式， 徹底解決了傳統(tǒng)GPRS 模塊的不穩(wěn)定性問題，即使GPRS 網(wǎng)絡(luò)中斷，還可以借助短信或電話的形式， 實(shí)現(xiàn)的糧倉內(nèi)環(huán)境情況遠(yuǎn)程監(jiān)控，歷史信息報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)查詢與導(dǎo)出，設(shè)計(jì)思路如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架圖Fig.9 Framework diagram of network system

采用巨控GrmOpcMgr 上位機(jī)組態(tài)軟件，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)圖形化顯示和操作。將糧食烘干機(jī)內(nèi)部各輸入輸出設(shè)備狀態(tài)通過組態(tài)軟件變量與臺(tái)達(dá)PLC 各輸入、輸出點(diǎn)及數(shù)據(jù)寄存器關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖10所示。

圖10 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面Fig.10 Remote monitoring interface

對(duì)應(yīng)烘干機(jī)內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)變化關(guān)聯(lián)PLC 各環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)寄存器實(shí)現(xiàn)烘干機(jī)內(nèi)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)時(shí)曲線：設(shè)計(jì)相應(yīng)溫度、濕度等參數(shù)變化曲線，歷史報(bào)警。手動(dòng)模式，添加各設(shè)備手動(dòng)按鈕，關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)PLC 的輸出變量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。

4 調(diào)試與分析

為驗(yàn)證上述方案，依托黑龍江融華科技有限公司，為其糧食烘干生產(chǎn)線安裝第一代烘干機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)化，并進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能完全實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性較高。

在2018年2月25日～2018年3月25日期間，對(duì)其產(chǎn)線狀態(tài)信息、動(dòng)作響應(yīng)（手動(dòng)模式下啟停風(fēng)機(jī)、排糧電機(jī)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法：產(chǎn)線信息傳輸速率，現(xiàn)場(chǎng)端觸摸屏顯示數(shù)據(jù)變化到遠(yuǎn)程客戶端顯示數(shù)據(jù)變，中間相隔時(shí)間長(zhǎng)短代表其快慢；動(dòng)作響應(yīng)：遠(yuǎn)程終端在手動(dòng)模式下，從啟停各動(dòng)作[7]，到現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)線動(dòng)作反應(yīng)，用時(shí)越短表示越快；一天中白天（8：00～18：00）每隔2 h 測(cè)試1 次，夜間（18：00～8：00）測(cè)試1 次，取均值，測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

圖11 動(dòng)作響應(yīng)速率變化圖Fig.11 Action response rate change diagram

實(shí)驗(yàn)期間烘干機(jī)內(nèi)部的溫度濕度等狀態(tài)數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)端傳輸?shù)奖镜豍C 用時(shí)在0.6 s～1.8 s 之間，其中設(shè)備動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間曲線整體高于數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸曲線：原因設(shè)備動(dòng)作為開關(guān)量，傳輸過程中占用數(shù)據(jù)少，傳輸相對(duì)較快；而環(huán)境參數(shù)為連續(xù)變化模擬量，需在PLC 中計(jì)算轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在經(jīng)過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端向本地PC 傳輸，所以用時(shí)較長(zhǎng)。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，以大型烘干機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象利用巨控GRM200 網(wǎng)絡(luò)模塊，基于阿里物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，構(gòu)建大型烘干機(jī)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)烘干機(jī)環(huán)境信息遠(yuǎn)程集中管理。PLC 作為核心控制器根據(jù)糧食烘干工藝調(diào)控倉內(nèi)環(huán)境參數(shù)達(dá)到最佳狀態(tài)，HMI 為人機(jī)交互界面能直觀讓現(xiàn)場(chǎng)人員了解設(shè)備運(yùn)行狀況，GRM200 為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸終端， 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)端與遠(yuǎn)程端信息交互，完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PC 端通信， 基于GrmOpcMgr 開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)大型烘干機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)大型烘干機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息報(bào)警、配方遠(yuǎn)程下載、歷史報(bào)表、故障查詢等。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高效傳輸，各項(xiàng)功能良好，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，以期為大型烘干機(jī)組調(diào)控智能化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化提供理論支撐與技術(shù)支持。本項(xiàng)目借助云平臺(tái)，提出基于安卓手機(jī)對(duì)大型烘干機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，目的在于將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大型烘干機(jī)結(jié)合，且技術(shù)可向其他大型機(jī)械復(fù)制應(yīng)用，未來發(fā)展前景廣闊[8]。