基于數(shù)據(jù)挖掘的工業(yè)電熔鎂爐云監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊 萍

(西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077)

隨著計(jì)算機(jī)與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的數(shù)字化、信息化水平越來(lái)越高，工業(yè)企業(yè)在日常生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)采集到大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如何對(duì)這些工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理化的利用是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵所在[1]。電熔鎂砂的生產(chǎn)流程十分復(fù)雜，需要對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)所生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的挖掘并以此來(lái)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)的調(diào)整，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次研究所設(shè)計(jì)的工業(yè)電熔鎂爐云監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控客戶端模塊、云端數(shù)據(jù)處理模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊、底層數(shù)據(jù)采集模塊四個(gè)部分構(gòu)成。其中底層數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交互[2]。數(shù)據(jù)的初步處理則由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行操作，將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)的主要處理工作交由云端數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)實(shí)施，再將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控客戶端，并進(jìn)入最終的人工操作階段。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 底層數(shù)據(jù)采集模塊

對(duì)于整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，底層數(shù)據(jù)采集模塊是最具基礎(chǔ)性地位的功能模塊。電熔鎂爐是數(shù)據(jù)采集的主要對(duì)象，該模塊主要由無(wú)線傳輸裝置、PLC控制器和傳感器三個(gè)元件所構(gòu)成。傳感器在采集到數(shù)據(jù)后，由PLC控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向無(wú)線傳輸裝置上傳數(shù)據(jù)，同時(shí)接收并處理來(lái)自無(wú)線傳輸裝置所下達(dá)的指令數(shù)據(jù)。

在軟件方面，底層數(shù)據(jù)采集模塊主要由兩部分構(gòu)成，分別為無(wú)線裝置之間的通信程序和無(wú)線裝置與PLC控制器之間的通信程序。工業(yè)企業(yè)所采購(gòu)的無(wú)線傳輸裝置通常內(nèi)置有專門的通信程序，無(wú)須企業(yè)自行設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)解決PLC控制器與無(wú)線裝置之間的通信[3]。一般情況下，無(wú)線傳輸裝置普遍支持modbus和自由口兩項(xiàng)通信協(xié)議，而自由口又很容易受到電磁干擾，因此采用modbus通信協(xié)議。出于成本方面的考慮，本次研究采用不帶modubs協(xié)議的CP340通信模塊，CP340通信則通過(guò)手動(dòng)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn)通信的方法雖然比較復(fù)雜，但并不會(huì)影響到通信效果。

2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊由云端數(shù)據(jù)接收模塊和企業(yè)端數(shù)據(jù)發(fā)送模塊兩部分構(gòu)成。其中企業(yè)端數(shù)據(jù)發(fā)送模塊負(fù)責(zé)向云服務(wù)器上傳經(jīng)由串口所讀取的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能夠接收來(lái)自云端的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至企業(yè)端服務(wù)器[4]。由于大多數(shù)電熔鎂砂工廠都存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的問(wèn)題，因此本次研究所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)中融入了事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，使系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中斷后能夠自動(dòng)重新連接。

為了降低通信延時(shí)、避免數(shù)據(jù)因高速操作而被覆蓋，本次研究通過(guò)分布式服務(wù)架構(gòu)Zookeeper來(lái)提高企業(yè)端服務(wù)器與云服務(wù)器之間的通信效率。Zookeeper采用與文件系統(tǒng)目錄節(jié)點(diǎn)樹相類似的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，以集群化的方式來(lái)管理數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，程序員可以將易出錯(cuò)、處理流程復(fù)雜的重要服務(wù)通過(guò)Zookeeper封閉起來(lái)，進(jìn)而為用戶提供穩(wěn)定、高效、易用的接口，在此基礎(chǔ)上大幅降低用戶的開發(fā)難度。

2.3 云端數(shù)據(jù)處理模塊

1)移動(dòng)端APP監(jiān)控程序?qū)?yīng)云端功能

本次研究通過(guò)HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)APP端與云端服務(wù)器之間的交互，在移動(dòng)終端需要顯示數(shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò)云端讀取數(shù)據(jù)。在移動(dòng)APP需要下載數(shù)據(jù)時(shí)則需要向云端發(fā)送用戶請(qǐng)求，并在云端進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)移動(dòng)智能終端與云平臺(tái)技術(shù)相融合的方式能夠有效地解決移動(dòng)終端處理能力不強(qiáng)、硬件資源有限等方面的問(wèn)題，充分發(fā)揮移動(dòng)終端的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)也充分利用了云計(jì)算機(jī)資源，有效提升了數(shù)據(jù)處理效率，體現(xiàn)出易擴(kuò)展、速度快等方面的特點(diǎn)，為用戶提供了穩(wěn)定、流暢的應(yīng)用體驗(yàn)[5]。圖1為移動(dòng)監(jiān)控軟件的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 移動(dòng)端軟件結(jié)構(gòu)

2)遠(yuǎn)程端Web監(jiān)控程序?qū)?yīng)云端功能

本次研究基于ASP.NET MVC5框架對(duì)云端功能模塊進(jìn)行開發(fā)，該框架由表示層、應(yīng)用程序訪問(wèn)層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層所構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)訪問(wèn)層負(fù)責(zé)提供持久化操作、數(shù)據(jù)查詢等功能，并將數(shù)據(jù)資源提供給應(yīng)用程序服務(wù)層。通過(guò)Hibernate框架實(shí)現(xiàn)ORM映射，通過(guò)ORM映射能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)字段轉(zhuǎn)換為對(duì)象屬性，通過(guò)針對(duì)對(duì)象的操作實(shí)現(xiàn)針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，可大幅降低數(shù)據(jù)庫(kù)操作難度，使每一張數(shù)據(jù)庫(kù)表均有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的對(duì)象[6]。用戶在查詢數(shù)據(jù)庫(kù)資料時(shí)，可以根據(jù)查詢語(yǔ)法進(jìn)行操作，不需要借由SQL語(yǔ)言來(lái)調(diào)取數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)控客戶端功能

3.1 監(jiān)控客戶端總體功能結(jié)構(gòu)

監(jiān)控客戶端通過(guò)APP功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶與云端之間的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)針對(duì)電熔鎂爐的運(yùn)程監(jiān)控。監(jiān)控客戶端的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡量全面且精致，幫助用戶通過(guò)APP來(lái)獲取與電熔鎂爐相關(guān)的重要數(shù)據(jù)，并且在此基礎(chǔ)上來(lái)優(yōu)化電熔鎂爐的運(yùn)行參數(shù)。圖2為監(jiān)控客戶端的主要功能結(jié)構(gòu)。

圖2 監(jiān)控客戶端功能結(jié)構(gòu)

3.2 登錄注冊(cè)模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要具有車間爐次選擇和登陸注冊(cè)兩項(xiàng)功能，用戶在注冊(cè)時(shí)自行設(shè)置賬號(hào)和密碼，通過(guò)驗(yàn)證后完成登錄并進(jìn)入車間爐次選擇界面，界面中的每一個(gè)爐子圖標(biāo)均對(duì)應(yīng)一個(gè)車間中實(shí)際存在的電熔鎂爐，用戶在點(diǎn)擊爐子圖標(biāo)后，界面會(huì)自動(dòng)彈出與該爐運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

3.3 過(guò)程狀態(tài)監(jiān)視模塊設(shè)計(jì)

用戶通過(guò)該模塊可以進(jìn)入實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示界面、過(guò)程參數(shù)監(jiān)視界面以及過(guò)程變量監(jiān)視界面。在過(guò)程變量監(jiān)視界面中，用戶可以通過(guò)圖片資訊初步了解熔煉工藝，針對(duì)重要的工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而判斷出合理的電壓值或三相電流值[7]。在此基礎(chǔ)上還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控三相變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，判斷三相變頻器是否存在故障；在過(guò)程參數(shù)監(jiān)視界面中，用戶可以通過(guò)文本和圖標(biāo)來(lái)了解工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)參數(shù)的具體作用。了解當(dāng)前狀態(tài)下的電熔鎂爐處于手動(dòng)狀態(tài)還是自動(dòng)狀態(tài)，或通過(guò)加料工況來(lái)判斷是否需要向爐中加料；用戶通過(guò)實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示界面能夠獲取三相電流的實(shí)時(shí)趨勢(shì)，該界面可以為用戶提供三相電流曲線圖，幫助用戶了解電熔鎂爐當(dāng)前的電流控制效果。

3.4控制效果評(píng)價(jià)指標(biāo)監(jiān)視模塊設(shè)計(jì)

該模塊能夠幫助用戶對(duì)電熔鎂爐系統(tǒng)當(dāng)前的電流控制效果進(jìn)行判斷，為用戶提供絕對(duì)誤差最大值和絕對(duì)誤差累計(jì)和、超過(guò)區(qū)間絕對(duì)累積以及超過(guò)區(qū)間最大值等重要的監(jiān)控指標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的差異，若以上指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)值以下，代表電流控制效果良好。在監(jiān)控軟件中，四個(gè)監(jiān)控指標(biāo)都有一個(gè)相應(yīng)的信息欄來(lái)顯示各指標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)與指標(biāo)參考值，通過(guò)指示燈的顏色來(lái)表示各項(xiàng)指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)[8]。每一個(gè)信息欄均設(shè)置有一個(gè)查詢按鈕，在指標(biāo)數(shù)值不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，用戶在單擊該按鈕后，界面會(huì)自動(dòng)彈出每一項(xiàng)數(shù)據(jù)的生成時(shí)間，用戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)生成時(shí)間來(lái)判斷電熔鎂爐發(fā)生故障的時(shí)間，便于用戶對(duì)爐子出現(xiàn)故障的原因進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)控制算法進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

新形勢(shì)下的工業(yè)企業(yè)需要進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用能力，為了實(shí)現(xiàn)電熔鎂爐的實(shí)時(shí)監(jiān)控，合理優(yōu)惠數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，還需要在未來(lái)的研究中加強(qiáng)數(shù)據(jù)算法方面的設(shè)計(jì)，建立仿真模型，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)資源的使用效率，為電熔鎂砂的批量化、高質(zhì)量生產(chǎn)奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。