物聯(lián)網(wǎng)在稀土萃取生產(chǎn)線遠程監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究

胡清鐘

摘 要：針對稀土萃取生產(chǎn)過程中所出現(xiàn)的故障現(xiàn)象、安全隱患，文中從物聯(lián)網(wǎng)應用角度，使用Java語言，采用多線程、MVC開發(fā)模式開發(fā)了稀土萃取傳動裝置故障監(jiān)測系統(tǒng)。采用“自下而上”“功能分層”“模塊劃分”的設(shè)計思路，從底層硬件組成、硬件工作原理、通信原理、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、軟件架構(gòu)設(shè)計入手，提出了整體解決方案并成功實現(xiàn)，滿足了工廠的實際需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);萃取;傳動裝置;故障監(jiān)測;模塊劃分;多線程;MVC

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）02-00-05

0 引 言

在稀土萃取生產(chǎn)過程中，通常由電機通過皮帶傳動驅(qū)動萃取槽內(nèi)的攪拌器轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)稀土氧化物的提煉。當出現(xiàn)電機停止轉(zhuǎn)動、皮帶打滑或者斷裂等故障時，攪拌器將停止攪拌槽內(nèi)溶液，這將大大影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時由于從萃取槽兩端不斷進入的有機相和水相，導致溶液溢出萃取槽，引發(fā)事故進而嚴重影響整條生產(chǎn)線的正常作業(yè)。傳統(tǒng)的檢測方法是采用員工巡查來檢測攪拌器運轉(zhuǎn)情況，該方式存在兩個問題：一是當皮帶有輕微打滑時，巡查人員很難察覺;二是由于設(shè)備數(shù)量較多，當攪拌機發(fā)生故障時，巡查人員無法及時發(fā)現(xiàn)。這種檢測攪拌器運轉(zhuǎn)的方法嚴重影響了工作效率，所以對傳動裝置進行故障監(jiān)測尤為重要[1]。

本文從硬件組成、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、分機和主機工作原理、通信原理與通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、應用程序設(shè)計等方面提供了整體設(shè)計方案并予以實現(xiàn)。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)按照功能分為四個層次，從下到上依次分為數(shù)據(jù)采集層（分機）、數(shù)據(jù)匯聚層（主機）、數(shù)據(jù)存儲層（上位機和服務器）和數(shù)據(jù)表現(xiàn)層，框架如圖1所示。

系統(tǒng)的工作過程如下：

（1）分機負責皮帶傳動裝置信息的采集，通過433無線通信協(xié)議把數(shù)據(jù)傳送給主機;

（2）主機接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余CRC校驗，把校驗正確的數(shù)據(jù)通過CAN總線協(xié)議傳輸給上位機（本系統(tǒng)是一臺工控機）[2];

（3）上位機收到數(shù)據(jù)后，按照接收幀格式提取數(shù)據(jù)，可選擇將數(shù)據(jù)直接存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫，以方便后期處理，如果企業(yè)對實時性要求較高，則可選擇先處理數(shù)據(jù)，將結(jié)果在上位機或監(jiān)控室大屏顯示，然后再將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫;

（4）所有車間的PC機都運行有基于Java多線程與MVC設(shè)計模式[3]的客戶端應用軟件，通過局域網(wǎng)從MySQL數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)同步監(jiān)控本車間各槽位傳感器狀態(tài)信息的功能。

2 各分層結(jié)構(gòu)設(shè)計說明

2.1 數(shù)據(jù)采集層

本層采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，在433無線通信協(xié)議中，把中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點稱為主機，其他節(jié)點稱為分機。分機包含的主要硬件有CC1310無線通信芯片、霍爾傳感器（Si7201）、外接天線、段碼液晶屏、紅外接收管、紅外遙控器、干簧管，結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

由于分機是電池供電設(shè)備，所以要求降低功耗來延長電池壽命。分機采用定時（具體時間根據(jù)工廠需求設(shè)定）喚醒機制，當喚醒時刻到來時打開霍爾傳感器，檢測是否有磁場切割，同時設(shè)定一個時間段，只要在該時間段內(nèi)檢測到脈沖信號，則說明皮帶傳動裝置工作正常，此時立刻關(guān)閉霍爾傳感器，以減少電量消耗。如果未檢測到脈沖，則連續(xù)檢測3次，若均未檢測到脈沖，則此時立即發(fā)送報警數(shù)據(jù)給主機，然后關(guān)閉霍爾傳感器。分機處理流程如圖3所示。

除此之外，分機還可以顯示本身的MAC（物理）地址，當磁鐵靠近干簧管時，段碼屏亮起，分機MAC地址將高亮顯示，如果無操作，幾秒鐘之后段碼屏會自動變暗（或一段時間后自動隱藏）以節(jié)省電量。分機可以通過紅外遙控器設(shè)置信道和發(fā)射功率以適應復雜的環(huán)境。

2.2 數(shù)據(jù)匯聚層

數(shù)據(jù)匯聚層的主要功能是收集并緩存工作在同一信道的分機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)定每個主機最多可以管轄100個

分機。主機和分機采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，每個主機工作的信道不相同，所有主機通過CAN（控制器局域網(wǎng)）串行通信協(xié)議鏈接在一條總線上，主機和上位機自定義數(shù)據(jù)鏈路層幀交換數(shù)據(jù)。主機的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要硬件包括STM32芯片[4]、CC1310無線通信芯片、外接天線和電源模塊（交流供電），結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理層

這一層主要由上位機和MySQL數(shù)據(jù)庫服務器組成。上位機通過數(shù)據(jù)鏈路層幀與主機進行數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)自定義了2種幀格式，分別為發(fā)送幀和接收幀。發(fā)送幀總長7 B，各字段涵義見表1所列。

2.4 數(shù)據(jù)表現(xiàn)層

本層的主要作用是對數(shù)據(jù)進行可視化處理，結(jié)果在總監(jiān)控室大屏和各車間顯示屏展示。系統(tǒng)使用Java語言，MVC（Model，數(shù)據(jù)模型;View，用戶界面;Control，控制器）開發(fā)模式設(shè)計構(gòu)建。MVC是當今最流行的軟件設(shè)計模式之一，可以極大地提高軟件開發(fā)效率和代碼重用率。使用MVC的目的是將M和V實現(xiàn)代碼分離，從而使同一個程序可以使用不同的表現(xiàn)形式。

Model層主要包括的實體類有Gdrfs，Sensor，Slot和SlotCurrentState。

Control層主要實現(xiàn)程序的邏輯控制，比如基于數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查操作，用戶需求相關(guān)功能實現(xiàn)等，都以接口（API函數(shù)）形式提供給View層。例如本系統(tǒng)最重要的一個接口getSensorsStateByDepartId（String departId），形參departId是一個指向某車間Id的字符串值，接口的功能是從數(shù)據(jù)庫讀取車間值為departId的所有傳感器的當前狀態(tài)值，返回一個Map槽位Id和傳感器狀態(tài)對象的鍵值對集合，其實現(xiàn)流程如圖8所示。

View層通過調(diào)用API函數(shù)完成每個槽位報警狀態(tài)的動態(tài)顯示。某車間所有槽位狀態(tài)顯示程序流程如圖9所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 接收幀粘包和斷幀

粘包指接收端接收幀時，原本發(fā)送端發(fā)送兩幀數(shù)據(jù)被接收端當成一幀數(shù)據(jù)接收。相反，如若發(fā)送端只發(fā)送了一幀數(shù)據(jù)，而接收端卻誤認為是多個幀，這種現(xiàn)象被稱為斷幀。造成粘包的主要原因是接收端定時時間過長，而造成斷幀的原因在于接收端定時時間過短。如果采用固定幀長，就可以很好地解決接收端時長難以確定的問題，比如本系統(tǒng)設(shè)定的接收幀固定長度為1 024 B，如果主機發(fā)給上位機的幀長度不足，則虛擬不存在的節(jié)點（物理地址為全0）將其他字段全部填充0，上位機在接收到此類MAC地址時需要過濾這些填充的0。分析幀的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)每幀都是由數(shù)據(jù)頭、長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容、CRC校驗碼組成，通過數(shù)據(jù)長度字段來讀取每一幀數(shù)據(jù)也能夠得到一個完整的數(shù)據(jù)幀。亦可采用CRC校驗碼過濾偽特征碼數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)是以0xA55A開頭的幀）。

3.2 上位機負荷過重

本項目實施企業(yè)共安裝了780個分機，12個主機，上位機每隔200 ms對主機進行一次輪詢，一個周期的時間為

2 400 ms，由此可算出每小時理論數(shù)據(jù)量為1 123 200條數(shù)據(jù)。但實際卻比理論計算值少，因為分機使用電池供電，為了省電，只有在兩種情況下分機才會發(fā)送數(shù)據(jù)，一是當分機檢測到皮帶傳動裝置異常，二是定時喚醒時刻，否則大部分時間都處于休眠狀態(tài)。通過查看數(shù)據(jù)庫，實際每小時數(shù)據(jù)量約為15 000條。但考慮到本項目中上位機使用的是一臺普通的工控機，配置為酷睿Core i5處理器，內(nèi)存8 GB，當數(shù)據(jù)量達到500萬條以上時，CPU利用率幾乎達到100%，嚴重影響數(shù)據(jù)表示層的時效性。因此采用如下方法解決上述問題：

（1）優(yōu)化SQL查詢語句，對經(jīng)常查詢的字段建立索引;

（2）將上位機與數(shù)據(jù)庫服務器分離。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)從軟硬件方面結(jié)合企業(yè)實際需求研究和設(shè)計了稀土生產(chǎn)線萃取傳動裝置故障監(jiān)測方案，并予以實現(xiàn)。本系統(tǒng)具有很好的開放性、時效性、易維護性和易擴充性，符合企業(yè)需求，達到了預期目標，具有較高的實用價值和一定的推廣示范性。

參 考 文 獻

[1]胡振光，陳松嶺.基于粗糙集和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的稀土萃取傳動裝置故障監(jiān)測及診斷方法[J].礦冶，2016，25（5）：63-66.

[2]張光河.物聯(lián)網(wǎng)概論[M].北京：人民郵電出版社，2014：5-50.

[3]趙晨時，馬琪，竺紅衛(wèi).一種基于多特征量的直流電弧故障檢測方法[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（2）：27-29.

[4]王嘉俊.基于STM32的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子制作， 2018（17）：21-22.

[5]孟凡榮，閆秋艷.數(shù)據(jù)庫原理與應用（MySQL版）[M].北京：清華大學出版社，2019.

[6]賈召喜.基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)線遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2015.

[7]白文榮，王曉燕.Java核心技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2018.

[8]陳恒，樓偶俊，鞏慶志，等.Spring MVC開發(fā)技術(shù)指南[M].北京：清華大學出版社，2017.

[9]戶晨飛.面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)線遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[D].上海：東華大學，2018.

[10]林道志.萃取技術(shù)在稀土分離科學中的應用及前景[J].化工進展，1994（5）：6-11.