具有遠(yuǎn)程智能化管理系統(tǒng)的洗瓶水循環(huán)裝置的研發(fā)

唐玉兵，呂文，唐敬友，嚴(yán)玉琴，趙成濤，黃文，游基禮，徐開義

（1.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646600；2.四川省工業(yè)和信息化研究院，四川 成都 610017；3.瀘州市和興科技有限公司，四川 瀘州 646006；4.瀘州金窖醇酒業(yè)有限公司，四川 瀘州 646000）

在釀酒生產(chǎn)線，普遍使用了一種洗瓶水循環(huán)凈化裝置。其通過各種管道連接洗瓶機(jī)水箱、粗過濾裝置、過濾水泵、精過濾裝置和滅菌裝置，通過管道與反沖洗水箱連接，實(shí)現(xiàn)反沖洗泵與精過濾裝置的自動(dòng)洗瓶水循環(huán)。通過對洗瓶水進(jìn)行過濾、殺菌直至達(dá)到回收利用標(biāo)準(zhǔn)。但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品大部分沒有智能控制功能。結(jié)合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的普及應(yīng)用，開發(fā)具有智能化管理系統(tǒng)的洗瓶水循環(huán)凈化裝置是行業(yè)產(chǎn)業(yè)的需要。此功能的引入可對洗瓶水循環(huán)凈化裝置的監(jiān)控、管理、使用更為有效。因此，亟待研發(fā)具有遠(yuǎn)程智能化管理系統(tǒng)的洗瓶水循環(huán)凈化裝置。實(shí)現(xiàn)將洗滌出水的固形物、有機(jī)清洗劑的脫除、微生物細(xì)菌滅殺、泵循環(huán)及管路配套對應(yīng)的分體單元，使每一單元建立基于多點(diǎn)流體壓力或流速測量及數(shù)據(jù)傳輸支持的遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)洗瓶水循環(huán)凈化裝置的遠(yuǎn)程智能化管理，降低企業(yè)人力物力成本的投入。

1 水循環(huán)裝置遠(yuǎn)程智能管理系統(tǒng)的研發(fā)理念

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程，特別是復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程的控制與綜合自動(dòng)化越來越成為人們必須面對的問題。它既是推動(dòng)自動(dòng)控制理論和系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，同時(shí)，也對自動(dòng)控制提出了前所未有的挑戰(zhàn)。本文使用的智能控制該是基于建立多點(diǎn)流體壓力或流速測量及數(shù)據(jù)傳輸并支持遠(yuǎn)程智能控制的系統(tǒng)，研究出相應(yīng)的硬件設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、終端管理及軟件配置，希望以此實(shí)現(xiàn)示范基地酒瓶連續(xù)清洗作業(yè)智能化管理。

2 水循環(huán)裝置的遠(yuǎn)程智能管理系統(tǒng)工作模式

對現(xiàn)有的洗瓶作業(yè)線進(jìn)行升級改造，建立與水循環(huán)裝置配套的遠(yuǎn)程智能化管理系統(tǒng)。其技術(shù)關(guān)鍵在于通過進(jìn)出水泵速的智能調(diào)節(jié)控制進(jìn)出循環(huán)水的壓力和流速，用壓力和超聲波流速傳感器測量并采集循環(huán)水的壓力、流速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算和分析水流量，以壓力參數(shù)變化負(fù)反饋控制泵速實(shí)現(xiàn)水循環(huán)的穩(wěn)定流動(dòng)，最終通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)通信在終端設(shè)備上實(shí)現(xiàn)洗瓶連續(xù)作業(yè)的實(shí)時(shí)管理和控制。

3 遠(yuǎn)程智能管理系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

該系統(tǒng)將采用超聲波流量檢測技術(shù)、后端處理SSM框架開發(fā)技術(shù)、無線通信技術(shù)3種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)飲料容器連續(xù)清洗作業(yè)水循環(huán)控制及智能化管理。

（1）超聲波流量檢測技術(shù)。研究基于超聲波的精準(zhǔn)流量檢測技術(shù)，提升檢測精度，便于實(shí)現(xiàn)水泵的智能動(dòng)態(tài)控制調(diào)整。超聲波流量檢測技術(shù)具有對水質(zhì)要求低、流速檢測范圍寬、流態(tài)影響小、采樣間隔小、使用范圍廣、檢測精度高等特點(diǎn)。該技術(shù)采用非接觸式方式，不需要在流體中安裝測量元件，不會改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行，是一種理想高效的節(jié)能型流量檢測技術(shù)。

（2）后端處理SSM框架開發(fā)技術(shù)?；谀壳笆忻媪鞒痰暮蠖颂幚黹_發(fā)框架SSM（Spring+SpringMVC+MyBatis），研發(fā)整個(gè)后端數(shù)據(jù)處理與分析、實(shí)時(shí)控制容器連續(xù)清洗優(yōu)化的壓力、流速軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化控制及便捷化。SSM框架通過IOC特性，方便解耦，簡化對重復(fù)模塊進(jìn)行集中，實(shí)現(xiàn)事務(wù)、日志、權(quán)限的控制；使用MVC研發(fā)輕量級Web框架，對Web層進(jìn)行解耦，數(shù)據(jù)驗(yàn)證更加靈活與標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)庫的操作采用xml文件配置，解除sql和代碼的耦合，支持對象和數(shù)據(jù)庫Orm字段關(guān)系映射、對象關(guān)系映射標(biāo)簽和組建等。

（3）無線通信技術(shù)。研發(fā)控制容器連續(xù)清洗系統(tǒng)的無線通信技術(shù)，主要包括ZigBee組網(wǎng)技術(shù)和GPRS通信應(yīng)用技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)容器連續(xù)清洗，研究基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)，基于IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)、上層協(xié)議為ZigBee協(xié)議棧，具有低功耗、低速率、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)路由功能強(qiáng)大、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用低數(shù)據(jù)率監(jiān)控的各個(gè)領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整個(gè)數(shù)據(jù)采集和后端系統(tǒng)的智能控制，此部分通信研發(fā)GPRS通信應(yīng)用技術(shù)，該技術(shù)可以提供高速的無線數(shù)據(jù)接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在電腦、智能手機(jī)終端APP的上網(wǎng)功能和在線管理。以上兩種通信模式的有效結(jié)合，保證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠通信。

4 水循環(huán)裝置遠(yuǎn)程智能管理系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)

4.1 通信連接的建立

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備通信采用網(wǎng)絡(luò)傳輸層的UDP，遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備為UDP客戶端，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)為服務(wù)器端。

遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備（客戶端）和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（服務(wù)端）采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議使用UDP方式通信。

遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)（服務(wù)器端）按socket()→bind()→list en(10065)→receive()→close()的順序進(jìn)行。

遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備（客戶端）按照socket()→send()……→close()的順序進(jìn)行。

4.2 UDP報(bào)文格式定義

表1 報(bào)文結(jié)構(gòu)

注：（1）設(shè)備編號。每個(gè)設(shè)備對應(yīng)唯一編號，從0x00000000-0xFFFFFFFF設(shè)備號含義。（對應(yīng)10進(jìn)制最長10位）0222983001:前5位表示時(shí)間(月日年，年只用1位)，2019年2月22日創(chuàng)建的設(shè)備830，表示地點(diǎn)，01表示該地點(diǎn)的第幾臺設(shè)備。

（2）設(shè)備類型，如表2所示。

表2 設(shè)備類型

（3）報(bào)文ID對應(yīng)不同的功能。

（4）驗(yàn)位采用CRC校驗(yàn)。通信數(shù)據(jù)校驗(yàn)：采用CRC16算法+4字節(jié)秘鑰。采用密匙：（0xA00xB00xC00xD0）。秘鑰：發(fā)送雙方私有，發(fā)送數(shù)據(jù)中不包含。①發(fā)送方需要使用4位秘鑰和除校驗(yàn)位外的數(shù)據(jù)一起計(jì)算產(chǎn)生校驗(yàn)值。②網(wǎng)絡(luò)通信只需要傳輸設(shè)備類型開始的數(shù)據(jù)到校驗(yàn)數(shù)據(jù)。③接收方需要使用4位秘鑰和接收的除去校驗(yàn)位的數(shù)據(jù)一起重新計(jì)算校驗(yàn)值與收到的校驗(yàn)值是否一致，不一致說明數(shù)據(jù)被篡改，數(shù)據(jù)丟棄；如果校驗(yàn)值一致，說明數(shù)據(jù)正確。

4.3 后臺確認(rèn)報(bào)文

方向：終端設(shè)備→后臺。

圖1 CRC校驗(yàn)及接收流程圖

表3 報(bào)文ID一覽表

報(bào)文周期：0S。

發(fā)送次數(shù)：1次。

停止發(fā)送條件：無。

流程：終端設(shè)備→后臺發(fā)送6指令。

說明：該指令用來通知后臺設(shè)備已經(jīng)收到消息。

洗瓶機(jī)設(shè)備（設(shè)備型號0x12）。

報(bào)文長度：3字節(jié)。

每字節(jié)說明：

BYTE0(ID)：回復(fù)后臺報(bào)文的ID號。如后臺發(fā)送112指令報(bào)文給設(shè)備，設(shè)備需要回復(fù)給后臺，則該id填112。

BYTE1（ack）：0表示成功，1表示失敗。

BYTE2（Reason）：失敗原因。

4.4 心跳和狀態(tài)數(shù)據(jù)包

方向：終端設(shè)備→后臺。

報(bào)文周期：5S，有變化情況會實(shí)時(shí)上傳。

發(fā)送次數(shù)：無限。

停止發(fā)送條件：無限。

流程：終端設(shè)備→后臺發(fā)送8指令。

說明：無。

表4 報(bào)文長度11字節(jié)

4.5 校時(shí)

方向：終端設(shè)備→后臺。

報(bào)文周期：3S。

發(fā)送次數(shù)：不限。

停止發(fā)送條件：收到后臺數(shù)據(jù)。

流程：終端設(shè)備→后臺發(fā)送10指令；后臺→終端設(shè)備110號指令時(shí)間信息。

說明：設(shè)備開機(jī)周期發(fā)送校時(shí)，后臺收到該報(bào)文，立即返回服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)間，以保證整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間同步。

（1）洗瓶機(jī)設(shè)備（設(shè)備型號0x12）。

表5

（2）報(bào)文長度：3字節(jié)。

每字節(jié)說明：

BYTE0(reset)：設(shè)備請求校時(shí)原因。

0x00：設(shè)備正常重新啟動(dòng)校時(shí)。

0x01：設(shè)備網(wǎng)絡(luò)掉線重啟校時(shí)。

0x02：設(shè)備看門狗復(fù)位重啟校時(shí)。

0x03：設(shè)備硬件故障復(fù)位重啟校時(shí)。

0x04：其他未知原因復(fù)位重啟校時(shí)。

BYTE1～BYTE2：設(shè)備軟件版本號，以后可作為程序升級依據(jù)。

BYTE1：設(shè)備軟件版本號高字節(jié)。

BYTE2：設(shè)備軟件版本號低字節(jié)。

4.6 后臺狀態(tài)

方向：后臺→終端設(shè)備。

報(bào)文周期：15S。

發(fā)送次數(shù)：無限。

停止發(fā)送條件：收到后臺數(shù)據(jù)，發(fā)起次數(shù)到達(dá)。

說明：（此功能暫時(shí)預(yù)留）。

表6

5 結(jié)語

具有遠(yuǎn)程智能化管理系統(tǒng)的洗瓶水循環(huán)裝置采用超聲波流量檢測技術(shù)、后端處理SSM框架開發(fā)技術(shù)、無線通信技術(shù)3種技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)洗瓶水循環(huán)裝置水循環(huán)控制及智能化管理。本文對該系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)和功能測試，建立內(nèi)部通信并測試，滿足洗瓶水循環(huán)裝置在運(yùn)行狀態(tài)下的智能管理需求。