練坤玉,蘇 芳,王新龍,徐道際,董玉德

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院,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的重要分揀設備近年來需求不斷增加[3]。 信息技術和制造業(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[6]和物聯(lián)網(wǎng)[7]的應用。 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和快速響應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備的核心技術。 趙志衡等[8]提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的花生籽粒完整性識別算法,使花生色選設備準確率達到98.18%;余麗等[9]將ZK4型光電色選機應用于苦蕎麥的色選,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計了一種大塊物料色選的測控系統(tǒng)。上述學者在算法、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;系統(tǒng)使用B/S架構[15]可隨時隨地對業(yè)務進行處理,系統(tǒng)擴展性強,開發(fā)維護簡單方便;系統(tǒng)的設備診斷與預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)設計

1.1 設計原則

系統(tǒng)以技術先進、實用、結構合理、低成本、容易維護作為基本設計理念。 系統(tǒng)設計遵循安全性、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、權限管理、防病毒、入侵檢測等技術保證全局性安全。 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)必須能夠對色選機設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

系統(tǒng)架構對系統(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結構,即“瀏覽器、服務器、色選機”三層硬件架構。 色選機遠程運維系統(tǒng)架構如圖1所示。

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

設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。 每臺色選機設備終端獨立組網(wǎng)保證網(wǎng)絡安全性。

服務器端硬件部分架設在企業(yè)的服務器,滿足各種業(yè)務需求。 通過安裝服務器通信管理軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、Web應用程序等服務軟件,負責對所有色選機進行設備管理。 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備進行運維。 通過在服務器安裝的Web應用程序和IIS服務器,使用以太網(wǎng)建立客戶端與遠程終端的連接。 系統(tǒng)對用戶進行權限管理,所有操作生成日志保存記錄。 這種基于B/S結構的遠程運維系統(tǒng)能夠隨時隨地進行服務支持,簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、使用和維護。

2 關鍵技術

2.1 色選機控制系統(tǒng)優(yōu)化

在傳統(tǒng)CCD色選機的基礎上,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)絡通信功能代碼、XML操作代碼等封裝成類庫方便代碼復用。 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)試設置，然后才可供廠商使用,等待時間較長,售后服務成本也高。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的XY坐標、RGB值,通過轉換式(1)將RGB顏色模型轉換為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 該文件是一種結構化的輕量級的數(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)絡傳輸?shù)膬?yōu)點。 XML在色選機控制系統(tǒng)的應用如下：

(1) 保存參數(shù)設置 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)一的結構化數(shù)據(jù)描述,簡化網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)交換和表示。

2.2 通信管理

服務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。服務器通信管理軟件采用IOCP通信模型,能支持大規(guī)模設備實時數(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 可復用池應對頻繁的用戶請求。

在緩存設計方面采用固定緩存和動態(tài)緩存相結合的方式。 服務器端支持的連接數(shù)使用了固定緩存設計,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,由服務器通信管理軟件負責數(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)設置、維護和升級,包括用戶管理、權限管理、數(shù)據(jù)備份和還原、日志管理和系統(tǒng)初始化等。 為了避免不同權限的用戶誤操作導致系統(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限,系統(tǒng)管理模塊只對管理人員開放。

3.2 設備管理

系統(tǒng)能夠對企業(yè)生產(chǎn)的所有色選設備進行統(tǒng)一管理,設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、結構、性能、運行狀態(tài)、維修記錄等記錄保存。 設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器或者遠程加載到相應的色選機中。

圖 6 GIS地圖功能Fig.6 Map function of GIS

3.3 告警設置

告警設置包括故障診斷和故障預測2個方面。故障診斷通過為色選機設定相應的告警閾值進行檢測色選機可能發(fā)生的故障；故障預測與故障診斷不同的地方在于故障預測是對色選機未來性能狀態(tài)的全程預測,系統(tǒng)會結合同類設備的歷史數(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,極大提高設備運行效率。 系統(tǒng)部分功能遠程運維應答測試結果如表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,可以方便的打印或導出。 報表模塊可以將設備詳細數(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 語

基于B/S架構色選機遠程運維系統(tǒng)是結合色選機工控系統(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、故障診斷與預測等功能,實際運行結果表明，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。