練坤玉,蘇 芳,王新龍,徐道際,董玉德

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.安徽宏實光機電高科有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引 言

隨著國民可支配收入和人民生活水平的提高,人們對高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品、工業(yè)產(chǎn)品的要求日益嚴格[1-2]。 色選機作為保證食品安全與品質(zhì)的重要分揀設(shè)備近年來需求不斷增加[3]。 信息技術(shù)和制造業(yè)的深度融合引發(fā)新一輪的工業(yè)革命[4-5],新型色選機發(fā)展更趨向于云技術(shù)[6]和物聯(lián)網(wǎng)[7]的應(yīng)用。 市場上色選機性能相差無幾,對于色選機企業(yè)來說如何提高色選機的增值服務(wù)和快速響應(yīng)客戶需求成為了企業(yè)的核心競爭力。 國內(nèi)企業(yè)經(jīng)過多年潛心研究,逐步掌握了色選機設(shè)備的核心技術(shù)。 趙志衡等[8]提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的花生籽粒完整性識別算法,使花生色選設(shè)備準確率達到98.18%;余麗等[9]將ZK4型光電色選機應(yīng)用于苦蕎麥的色選,通過色選參數(shù)優(yōu)化，色選精度達到 100%，帶出比1∶0.05;江卓等[10]針對大塊物料分選困難的現(xiàn)狀, 使用一種在 FPGA 中實現(xiàn)的矩形面積檢測算法設(shè)計了一種大塊物料色選的測控系統(tǒng)。上述學(xué)者在算法、參數(shù)優(yōu)化方面提高了色選機的色選能力,但是在智能化和遠程監(jiān)控[11]方面有所不足。 朱體高等[12-13]以 FPGA 為核心設(shè)計了光電色選機信號處理系統(tǒng),并使用多通道數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆椒▽崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集,但數(shù)據(jù)傳輸距離過短,僅能在5 m的傳輸范圍內(nèi)可靠工作；劉恩樹等[14]利用單片機和嵌入式 MODEM 模塊設(shè)計出的色選機遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對遠地色選機靈敏度、脈沖寬度等參數(shù)的監(jiān)控和調(diào)整,但系統(tǒng)傳輸速率不高,C/S 架構(gòu)也限制了系統(tǒng)靈活性。

針對上述問題,開發(fā)出易于升級維護，便于色選機企業(yè)定制不同需求的色選機遠程運維系統(tǒng)。 系統(tǒng)對色選機控制系統(tǒng)進行性能優(yōu)化和功能擴展,客戶端通過以太網(wǎng)實現(xiàn)了對色選機終端的遠程監(jiān)控和維護,既降低了成本,也為用戶提供了快捷的服務(wù);系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)[15]可隨時隨地對業(yè)務(wù)進行處理,系統(tǒng)擴展性強,開發(fā)維護簡單方便;系統(tǒng)的設(shè)備診斷與預(yù)警處理功能可有效避免故障發(fā)生。 該系統(tǒng)具有良好的實用價值和經(jīng)濟效益,適宜在色選機行業(yè)推廣。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

系統(tǒng)以技術(shù)先進、實用、結(jié)構(gòu)合理、低成本、容易維護作為基本設(shè)計理念。 系統(tǒng)設(shè)計遵循安全性、統(tǒng)一規(guī)劃及標準、全生命周期管理原則。

系統(tǒng)的安全性：一方面在于能夠穩(wěn)定的運行，所有功能實現(xiàn)和算法在穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上進行性能優(yōu)化,通過集群、負載均衡和分布式存儲等方式防止單點故障;另一方面采用通信加密、防火墻、請求篩選、權(quán)限管理、防病毒、入侵檢測等技術(shù)保證全局性安全。 系統(tǒng)整體統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標準。 開發(fā)過程中錯綜復(fù)雜和存在不確定性,系統(tǒng)必須對未來的整體性、長期性、可擴展性問題進行思考和統(tǒng)一規(guī)劃,設(shè)計整套行動的方案。 統(tǒng)一的標準保證了系統(tǒng)的嚴謹和高效率,在功效等同的情況下可以方便進行對象替換。

系統(tǒng)必須能夠?qū)ιx機設(shè)備進行全生命周期的管理,即色選機從需求到報廢的生命歷程中信息能夠隨時查詢,所有運行維護記錄可追溯。 除此之外還需考慮經(jīng)濟適用性和智能化原則。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)對系統(tǒng)有著重要影響,根據(jù)色選機的工作特點以及遠程運維需要,色選機遠程運維系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),即“瀏覽器、服務(wù)器、色選機”三層硬件架構(gòu)。 色選機遠程運維系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

設(shè)備終端的上位機采用一體化觸摸屏工控機并安裝有Windows操作系統(tǒng),基于該平臺運行MFC框架編寫的人機操作界面,負責(zé)色選機數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳和下發(fā)工作。 下位機采用基于Altera 的Cyclone IV系列FPGA作為處理系統(tǒng)[16],開發(fā)平臺基于Windows系統(tǒng)的Quartus II 13.1進行FPGA程序的開發(fā),下位機通過MODBUS-ASCII通訊協(xié)議和UDP通訊協(xié)議與上位機進行通訊。 每臺色選機設(shè)備終端獨立組網(wǎng)保證網(wǎng)絡(luò)安全性。

服務(wù)器端硬件部分架設(shè)在企業(yè)的服務(wù)器,滿足各種業(yè)務(wù)需求。 通過安裝服務(wù)器通信管理軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、Web應(yīng)用程序等服務(wù)軟件,負責(zé)對所有色選機進行設(shè)備管理。 系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲管理,保證數(shù)據(jù)的安全高效。

Web端是遠程運維系統(tǒng)的客戶使用終端,Web應(yīng)用程序基于ASP.NET MVC框架實現(xiàn),管理人員通過瀏覽器對終端設(shè)備進行運維。 通過在服務(wù)器安裝的Web應(yīng)用程序和IIS服務(wù)器,使用以太網(wǎng)建立客戶端與遠程終端的連接。 系統(tǒng)對用戶進行權(quán)限管理,所有操作生成日志保存記錄。 這種基于B/S結(jié)構(gòu)的遠程運維系統(tǒng)能夠隨時隨地進行服務(wù)支持,簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、使用和維護。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 色選機控制系統(tǒng)優(yōu)化

在傳統(tǒng)CCD色選機的基礎(chǔ)上,通過對色選機圖像識別、平臺移植、配置文件、遠程通信等問題進行研究優(yōu)化,改進色選機控制系統(tǒng)性能。

2.1.1 改善系統(tǒng)通用性和可移植性 傳統(tǒng)的色選機控制系統(tǒng)在聯(lián)網(wǎng)能力和可移植性方面能力較弱,通過將色選機控制系統(tǒng)移植到Windows操作系統(tǒng)中,在Visual Studio[17]開發(fā)平臺上利用MFC的編程工具和強大的功能組件提高色選機操作效率、色選和通信能力。 基于MFC的上位機控制系統(tǒng)將下位機通信代碼、網(wǎng)絡(luò)通信功能代碼、XML操作代碼等封裝成類庫方便代碼復(fù)用。 基于Visual Studio平臺編寫的程序可以方便快捷的升級擴展,Windows應(yīng)用程序向下兼容可輕松的移植到Windows 10、Windows 8、Windows 7、Windows XP等系統(tǒng)中。

2.1.2 提高物料調(diào)試效率 大多數(shù)色選機需要專業(yè)人員進行參數(shù)調(diào)試設(shè)置，然后才可供廠商使用,等待時間較長,售后服務(wù)成本也高。系統(tǒng)利用圖像識別來分析物料的色選情況,如圖2所示是UDP采圖界面在色選白瓜子時抓取到的數(shù)據(jù)處理后的圖像,圖像中的黑色即為不合格物料。

圖 2 采圖界面Fig.2 Photo collecting interface

色選人員對不合格物料的判斷,控制系統(tǒng)自動識別不合格的物料相應(yīng)的XY坐標、RGB值,通過轉(zhuǎn)換式(1)將RGB顏色模型轉(zhuǎn)換為UVI顏色模型。

(1)

通過多組含有殘次品的圖像得到UVI值的上下限。 UDP采圖界面對物料的RGB值和UVI值進行分析和參數(shù)確定,能極大節(jié)約人工成本,縮減色選機調(diào)試所需要的時間,同時也縮短了廠商對物料的儲存管理時間。

2.1.3 XML文件 該文件是一種結(jié)構(gòu)化的輕量級的數(shù)據(jù)傳輸儲存文件,具有便于信息檢索、跨平臺、可擴展和適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)點。 XML在色選機控制系統(tǒng)的應(yīng)用如下：

(1) 保存參數(shù)設(shè)置 控制系統(tǒng)利用XML文件作為配置文件,保存色選機的操作參數(shù)、使用日期、當前色選方案等信息，系統(tǒng)使用TinyXML解析庫對XML文件進行讀寫操作。

(2) 實現(xiàn)多語言 由于色選機業(yè)務(wù)全球化,提供母語化操作界面可方便用戶和提高客戶滿意度，利用XML作為資源文件,通過切換不同的XML資源文件實現(xiàn)多語言，語言配置文件動態(tài)加載,修改方便。

(3) 便于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸 使用XML文件來簡化Internet的文檔信息傳輸，XML文件在Internet環(huán)境中跨平臺,提供統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)描述,簡化網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交換和表示。

2.2 通信管理

服務(wù)器通信管理模塊是連接客戶端和色選機遠程終端的橋梁,是整個遠程運維系統(tǒng)的核心。服務(wù)器通信管理軟件采用IOCP通信模型,能支持大規(guī)模設(shè)備實時數(shù)據(jù)采集,并提供連接在線管理、內(nèi)存池管理、數(shù)據(jù)讀寫封裝等功能。為保證系統(tǒng)能夠響應(yīng)色選機終端的控制請求和并發(fā)數(shù)據(jù)處理,通信管理軟件在IOCP通信模型的基礎(chǔ)上進行功能擴展和優(yōu)化。

通信管理軟件對管理對象采用池化策略即預(yù)先分配所有所需資源、 在運行時直接調(diào)配, 提供一系列的接收和發(fā)送 buffer 可復(fù)用池應(yīng)對頻繁的用戶請求。

在緩存設(shè)計方面采用固定緩存和動態(tài)緩存相結(jié)合的方式。 服務(wù)器端支持的連接數(shù)使用了固定緩存設(shè)計,根據(jù)最大連接數(shù)申請讀寫對象的個數(shù)。 動態(tài)緩存方面的接收數(shù)據(jù)緩存、發(fā)送數(shù)據(jù)列表隨著接收數(shù)據(jù)大小動態(tài)增長。

通信管理軟件使用一個守護線程來輪詢所有連接對象，將超時Socket斷開連接,釋放并回收其占有的系統(tǒng)資源。若有超時連接，需要設(shè)計心跳包,心跳包用來檢測連接和維護連接狀態(tài)。

IOCP性能優(yōu)化關(guān)鍵在于每個處理接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的對象鎖,通過降低鎖的調(diào)用次數(shù)有效提高了IOCP的整理效率和數(shù)據(jù)吞吐量。 基于IOCP的服務(wù)器通信管理程序工作流程如圖3所示。

通信管理軟件的性能和壓力測試結(jié)果表明，最大連接數(shù)支持65 535個長連接,最高命令交互速度達到250 Mbit/s(將測試客戶端和通信軟件放在同一臺電腦上,使用127.0.0.1 IP測試最大吞吐量)。

2.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)通信協(xié)議是為保證數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中通信雙方有效、可靠通信而規(guī)定的一系列約定[19]。 色選機遠程運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程和通信數(shù)據(jù)協(xié)議如圖4(a)所示。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議由以下幾部分組成:

(1) 數(shù)據(jù)幀頭0x68和幀尾0x16,幀頭和幀尾由固定字節(jié)組成,用于數(shù)據(jù)幀完整性的判斷,是一幀完整數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束。

(2) 地址信息用于多機通信中,通過不同的地址信息識別不同的通信終端,地址信息包含源地址和目標地址。

(3) 數(shù)據(jù)類型用于標識信息的傳輸方向、異常標志和控制命令。 數(shù)據(jù)長度標識數(shù)據(jù)幀中有效數(shù)據(jù)所占的字節(jié)長度,數(shù)據(jù)域表示有效數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)幀的區(qū)域。

(4) 校驗碼用來檢驗數(shù)據(jù)的完整性和正確性,對地址信息、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)域進行CRC校驗計算得到。

遠程運維系統(tǒng)采用以字節(jié)流作為數(shù)據(jù)傳輸基本單位,由服務(wù)器通信管理軟件負責(zé)數(shù)據(jù)幀的解析處理,整個數(shù)據(jù)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀處理流程如圖4(b)所示。

(a) 數(shù)據(jù)處理過程及協(xié)議格式

(b) 數(shù)據(jù)幀處理流程圖 4 數(shù)據(jù)處理Fig.4 Data process

3 系統(tǒng)功能

該色選機遠程運維系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法[20],系統(tǒng)功能模塊如圖5所示。

圖 5 系統(tǒng)功能模塊Fig.5 System function modules

根據(jù)企業(yè)需求,將系統(tǒng)劃分為多個功能模塊,每個功能模塊都提供統(tǒng)一標準的接口,即模塊功能發(fā)生改變時接口不變。 功能模塊內(nèi)部采用高內(nèi)聚設(shè)計原則,模塊之間盡量保證低耦合性,系統(tǒng)模塊在整個業(yè)務(wù)鏈中功能獨立,數(shù)據(jù)共享,消除企業(yè)“信息孤島”問題。 在模塊開發(fā)過程中,以系統(tǒng)實用、技術(shù)成熟、低成本和易維護為基本原則。為提高系統(tǒng)研發(fā)水平使用Git版本控制工具進行團隊協(xié)作開發(fā)、代碼集中化管理[21]。

3.1 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊主要是管理人員對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置、維護和升級,包括用戶管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)備份和還原、日志管理和系統(tǒng)初始化等。 為了避免不同權(quán)限的用戶誤操作導(dǎo)致系統(tǒng)故障,系統(tǒng)對用戶進行了分組,不同的用戶具有不同的操作權(quán)限,系統(tǒng)管理模塊只對管理人員開放。

3.2 設(shè)備管理

系統(tǒng)能夠?qū)ζ髽I(yè)生產(chǎn)的所有色選設(shè)備進行統(tǒng)一管理,設(shè)備管理包括色選機型號、客戶信息售出情況等。 如圖6所示,色選機運行地點可以用GIS地圖[22]方式直觀展示。 系統(tǒng)為每一個客戶提供詳細的文檔管理,將色選機的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、性能、運行狀態(tài)、維修記錄等記錄保存。 設(shè)備管理還包括色選方案上傳下載,客戶可以方便地將每個色選方案上傳至服務(wù)器或者遠程加載到相應(yīng)的色選機中。

圖 6 GIS地圖功能Fig.6 Map function of GIS

3.3 告警設(shè)置

告警設(shè)置包括故障診斷和故障預(yù)測2個方面。故障診斷通過為色選機設(shè)定相應(yīng)的告警閾值進行檢測色選機可能發(fā)生的故障；故障預(yù)測與故障診斷不同的地方在于故障預(yù)測是對色選機未來性能狀態(tài)的全程預(yù)測,系統(tǒng)會結(jié)合同類設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進行分析比較,也包括色選機核心配件的故障預(yù)測。告警方式有可視化界面提示、郵件報警和短信報警3種方式,當異常出現(xiàn)時,系統(tǒng)首先通過可視化界面提示的方式通知工作人員。

3.4 遠程運維

遠程運維是系統(tǒng)的核心,這種方式能隨時隨地的進行運維工作,如同技術(shù)人員親臨現(xiàn)場一般。 遠程運維包括實時監(jiān)控、遠程運維、運維記錄3部分。 例如有些故障是色選機控制系統(tǒng)的軟件問題,此時運維人員通過遠程運維系統(tǒng)更新色選機控制系統(tǒng)解決故障,還可以由色選機的良品率、帶出比、氣壓、光源等情況遠程分析硬件故障原因,極大提高設(shè)備運行效率。 系統(tǒng)部分功能遠程運維應(yīng)答測試結(jié)果如表1所示,系統(tǒng)每個功能測試100次,需要故障診斷的會進行10次異常測試,以色選機氣源壓力檢測為例,正常壓力區(qū)間為0.6～0.8 MPa,當服務(wù)器通信管理軟件得到的參數(shù)不在此區(qū)間時,系統(tǒng)判定氣壓異常。

表 1 系統(tǒng)遠程運維應(yīng)答測試

3.5 圖表報表及改進效果

系統(tǒng)提供圖表及報表功能,用戶可根據(jù)自己的需求得到相應(yīng)的報表。例如,用戶通過選擇一定時間段查詢色選機故障原因,并提供數(shù)據(jù)篩選功能,可以方便的打印或?qū)С觥?報表模塊可以將設(shè)備詳細數(shù)據(jù)以柱狀圖的形式直觀展示,用戶可以選擇色選機的產(chǎn)量信息、開機時間、效率等數(shù)據(jù)類型,通過分析機器運行狀態(tài)做到質(zhì)量監(jiān)測。 系統(tǒng)實施前后效果對比如表2所示。

表 2 色選機遠程運維系統(tǒng)實施效果對比

4 結(jié) 語

基于B/S架構(gòu)色選機遠程運維系統(tǒng)是結(jié)合色選機工控系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)和實時監(jiān)控系統(tǒng),開發(fā)的集成化、模塊化、標準化和智能化的色選機運維管理平臺。系統(tǒng)擁有友好的人機交互界面,能高效準確地采集處理分析數(shù)據(jù),能快速響應(yīng)客戶需求。系統(tǒng)實現(xiàn)了色選機遠程監(jiān)測、維護、故障診斷與預(yù)測等功能,實際運行結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,功能完善,系統(tǒng)維護管理方便,滿足色選機企業(yè)實際需要,有良好的實用性和可移植性。