练坤玉,苏 芳,王新龙,徐道际,董玉德

(1.合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009;2.安徽宏实光机电高科有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引 言

随着国民可支配收入和人民生活水平的提高,人们对高品质农产品、工业产品的要求日益严格[1-2]。 色选机作为保证食品安全与品质的重要分拣设备近年来需求不断增加[3]。 信息技术和制造业的深度融合引发新一轮的工业革命[4-5],新型色选机发展更趋向于云技术[6]和物联网[7]的应用。 市场上色选机性能相差无几,对于色选机企业来说如何提高色选机的增值服务和快速响应客户需求成为了企业的核心竞争力。 国内企业经过多年潜心研究,逐步掌握了色选机设备的核心技术。 赵志衡等[8]提出基于卷积神经网络的花生籽粒完整性识别算法,使花生色选设备准确率达到98.18%;余丽等[9]将ZK4型光电色选机应用于苦荞麦的色选,通过色选参数优化，色选精度达到 100%，带出比1∶0.05;江卓等[10]针对大块物料分选困难的现状, 使用一种在 FPGA 中实现的矩形面积检测算法设计了一种大块物料色选的测控系统。上述学者在算法、参数优化方面提高了色选机的色选能力,但是在智能化和远程监控[11]方面有所不足。 朱体高等[12-13]以 FPGA 为核心设计了光电色选机信号处理系统,并使用多通道数据采集和传输的方法实现高速数据采集,但数据传输距离过短,仅能在5 m的传输范围内可靠工作；刘恩树等[14]利用单片机和嵌入式 MODEM 模块设计出的色选机远程控制系统实现了对远地色选机灵敏度、脉冲宽度等参数的监控和调整,但系统传输速率不高,C/S 架构也限制了系统灵活性。

针对上述问题,开发出易于升级维护，便于色选机企业定制不同需求的色选机远程运维系统。 系统对色选机控制系统进行性能优化和功能扩展,客户端通过以太网实现了对色选机终端的远程监控和维护,既降低了成本,也为用户提供了快捷的服务;系统使用B/S架构[15]可随时随地对业务进行处理,系统扩展性强,开发维护简单方便;系统的设备诊断与预警处理功能可有效避免故障发生。 该系统具有良好的实用价值和经济效益,适宜在色选机行业推广。

1 系统设计

1.1 设计原则

系统以技术先进、实用、结构合理、低成本、容易维护作为基本设计理念。 系统设计遵循安全性、统一规划及标准、全生命周期管理原则。

系统的安全性：一方面在于能够稳定的运行，所有功能实现和算法在稳定性的基础上进行性能优化,通过集群、负载均衡和分布式存储等方式防止单点故障;另一方面采用通信加密、防火墙、请求筛选、权限管理、防病毒、入侵检测等技术保证全局性安全。 系统整体统一规划，统一标准。 开发过程中错综复杂和存在不确定性,系统必须对未来的整体性、长期性、可扩展性问题进行思考和统一规划,设计整套行动的方案。 统一的标准保证了系统的严谨和高效率,在功效等同的情况下可以方便进行对象替换。

系统必须能够对色选机设备进行全生命周期的管理,即色选机从需求到报废的生命历程中信息能够随时查询,所有运行维护记录可追溯。 除此之外还需考虑经济适用性和智能化原则。

1.2 系统架构

系统架构对系统有着重要影响,根据色选机的工作特点以及远程运维需要,色选机远程运维系统采用B/S结构,即“浏览器、服务器、色选机”三层硬件架构。 色选机远程运维系统架构如图1所示。

图 1 系统架构Fig.1 System architecture

设备终端的上位机采用一体化触摸屏工控机并安装有Windows操作系统,基于该平台运行MFC框架编写的人机操作界面,负责色选机数据的采集、处理、上传和下发工作。 下位机采用基于Altera 的Cyclone IV系列FPGA作为处理系统[16],开发平台基于Windows系统的Quartus II 13.1进行FPGA程序的开发,下位机通过MODBUS-ASCII通讯协议和UDP通讯协议与上位机进行通讯。 每台色选机设备终端独立组网保证网络安全性。

服务器端硬件部分架设在企业的服务器,满足各种业务需求。 通过安装服务器通信管理软件、数据库管理系统、Web应用程序等服务软件,负责对所有色选机进行设备管理。 系统采用分布式数据库管理系统进行数据存储管理,保证数据的安全高效。

Web端是远程运维系统的客户使用终端,Web应用程序基于ASP.NET MVC框架实现,管理人员通过浏览器对终端设备进行运维。 通过在服务器安装的Web应用程序和IIS服务器,使用以太网建立客户端与远程终端的连接。 系统对用户进行权限管理,所有操作生成日志保存记录。 这种基于B/S结构的远程运维系统能够随时随地进行服务支持,简化了系统的开发、使用和维护。

2 关键技术

2.1 色选机控制系统优化

在传统CCD色选机的基础上,通过对色选机图像识别、平台移植、配置文件、远程通信等问题进行研究优化,改进色选机控制系统性能。

2.1.1 改善系统通用性和可移植性 传统的色选机控制系统在联网能力和可移植性方面能力较弱,通过将色选机控制系统移植到Windows操作系统中,在Visual Studio[17]开发平台上利用MFC的编程工具和强大的功能组件提高色选机操作效率、色选和通信能力。 基于MFC的上位机控制系统将下位机通信代码、网络通信功能代码、XML操作代码等封装成类库方便代码复用。 基于Visual Studio平台编写的程序可以方便快捷的升级扩展,Windows应用程序向下兼容可轻松的移植到Windows 10、Windows 8、Windows 7、Windows XP等系统中。

2.1.2 提高物料调试效率 大多数色选机需要专业人员进行参数调试设置，然后才可供厂商使用,等待时间较长,售后服务成本也高。系统利用图像识别来分析物料的色选情况,如图2所示是UDP采图界面在色选白瓜子时抓取到的数据处理后的图像,图像中的黑色即为不合格物料。

图 2 采图界面Fig.2 Photo collecting interface

色选人员对不合格物料的判断,控制系统自动识别不合格的物料相应的XY坐标、RGB值,通过转换式(1)将RGB颜色模型转换为UVI颜色模型。

(1)

通过多组含有残次品的图像得到UVI值的上下限。 UDP采图界面对物料的RGB值和UVI值进行分析和参数确定,能极大节约人工成本,缩减色选机调试所需要的时间,同时也缩短了厂商对物料的储存管理时间。

2.1.3 XML文件 该文件是一种结构化的轻量级的数据传输储存文件,具有便于信息检索、跨平台、可扩展和适用于网络传输的优点。 XML在色选机控制系统的应用如下：

(1) 保存参数设置 控制系统利用XML文件作为配置文件,保存色选机的操作参数、使用日期、当前色选方案等信息，系统使用TinyXML解析库对XML文件进行读写操作。

(2) 实现多语言 由于色选机业务全球化,提供母语化操作界面可方便用户和提高客户满意度，利用XML作为资源文件,通过切换不同的XML资源文件实现多语言，语言配置文件动态加载,修改方便。

(3) 便于网络数据传输 使用XML文件来简化Internet的文档信息传输，XML文件在Internet环境中跨平台,提供统一的结构化数据描述,简化网络中数据交换和表示。

2.2 通信管理

服务器通信管理模块是连接客户端和色选机远程终端的桥梁,是整个远程运维系统的核心。服务器通信管理软件采用IOCP通信模型,能支持大规模设备实时数据采集,并提供连接在线管理、内存池管理、数据读写封装等功能。为保证系统能够响应色选机终端的控制请求和并发数据处理,通信管理软件在IOCP通信模型的基础上进行功能扩展和优化。

通信管理软件对管理对象采用池化策略即预先分配所有所需资源、 在运行时直接调配, 提供一系列的接收和发送 buffer 可复用池应对频繁的用户请求。

在缓存设计方面采用固定缓存和动态缓存相结合的方式。 服务器端支持的连接数使用了固定缓存设计,根据最大连接数申请读写对象的个数。 动态缓存方面的接收数据缓存、发送数据列表随着接收数据大小动态增长。

通信管理软件使用一个守护线程来轮询所有连接对象，将超时Socket断开连接,释放并回收其占有的系统资源。若有超时连接，需要设计心跳包,心跳包用来检测连接和维护连接状态。

IOCP性能优化关键在于每个处理接收数据和发送数据的对象锁,通过降低锁的调用次数有效提高了IOCP的整理效率和数据吞吐量。 基于IOCP的服务器通信管理程序工作流程如图3所示。

通信管理软件的性能和压力测试结果表明，最大连接数支持65 535个长连接,最高命令交互速度达到250 Mbit/s(将测试客户端和通信软件放在同一台电脑上,使用127.0.0.1 IP测试最大吞吐量)。

2.3 数据通信协议

数据通信协议是为保证数据通信网中通信双方有效、可靠通信而规定的一系列约定[19]。 色选机远程运维系统的数据处理过程和通信数据协议如图4(a)所示。 系统数据通信协议由以下几部分组成:

(1) 数据帧头0x68和帧尾0x16,帧头和帧尾由固定字节组成,用于数据帧完整性的判断,是一帧完整数据的起始和结束。

(2) 地址信息用于多机通信中,通过不同的地址信息识别不同的通信终端,地址信息包含源地址和目标地址。

(3) 数据类型用于标识信息的传输方向、异常标志和控制命令。 数据长度标识数据帧中有效数据所占的字节长度,数据域表示有效数据在数据帧的区域。

(4) 校验码用来检验数据的完整性和正确性,对地址信息、数据类型、数据长度、数据域进行CRC校验计算得到。

远程运维系统采用以字节流作为数据传输基本单位,由服务器通信管理软件负责数据帧的解析处理,整个数据通信协议的数据帧处理流程如图4(b)所示。

(a) 数据处理过程及协议格式

(b) 数据帧处理流程图 4 数据处理Fig.4 Data process

3 系统功能

该色选机远程运维系统采用模块化设计方法[20],系统功能模块如图5所示。

图 5 系统功能模块Fig.5 System function modules

根据企业需求,将系统划分为多个功能模块,每个功能模块都提供统一标准的接口,即模块功能发生改变时接口不变。 功能模块内部采用高内聚设计原则,模块之间尽量保证低耦合性,系统模块在整个业务链中功能独立,数据共享,消除企业“信息孤岛”问题。 在模块开发过程中,以系统实用、技术成熟、低成本和易维护为基本原则。为提高系统研发水平使用Git版本控制工具进行团队协作开发、代码集中化管理[21]。

3.1 系统管理

系统管理模块主要是管理人员对系统进行参数设置、维护和升级,包括用户管理、权限管理、数据备份和还原、日志管理和系统初始化等。 为了避免不同权限的用户误操作导致系统故障,系统对用户进行了分组,不同的用户具有不同的操作权限,系统管理模块只对管理人员开放。

3.2 设备管理

系统能够对企业生产的所有色选设备进行统一管理,设备管理包括色选机型号、客户信息售出情况等。 如图6所示,色选机运行地点可以用GIS地图[22]方式直观展示。 系统为每一个客户提供详细的文档管理,将色选机的规格、结构、性能、运行状态、维修记录等记录保存。 设备管理还包括色选方案上传下载,客户可以方便地将每个色选方案上传至服务器或者远程加载到相应的色选机中。

图 6 GIS地图功能Fig.6 Map function of GIS

3.3 告警设置

告警设置包括故障诊断和故障预测2个方面。故障诊断通过为色选机设定相应的告警阈值进行检测色选机可能发生的故障；故障预测与故障诊断不同的地方在于故障预测是对色选机未来性能状态的全程预测,系统会结合同类设备的历史数据进行分析比较,也包括色选机核心配件的故障预测。告警方式有可视化界面提示、邮件报警和短信报警3种方式,当异常出现时,系统首先通过可视化界面提示的方式通知工作人员。

3.4 远程运维

远程运维是系统的核心,这种方式能随时随地的进行运维工作,如同技术人员亲临现场一般。 远程运维包括实时监控、远程运维、运维记录3部分。 例如有些故障是色选机控制系统的软件问题,此时运维人员通过远程运维系统更新色选机控制系统解决故障,还可以由色选机的良品率、带出比、气压、光源等情况远程分析硬件故障原因,极大提高设备运行效率。 系统部分功能远程运维应答测试结果如表1所示,系统每个功能测试100次,需要故障诊断的会进行10次异常测试,以色选机气源压力检测为例,正常压力区间为0.6～0.8 MPa,当服务器通信管理软件得到的参数不在此区间时,系统判定气压异常。

表 1 系统远程运维应答测试

3.5 图表报表及改进效果

系统提供图表及报表功能,用户可根据自己的需求得到相应的报表。例如,用户通过选择一定时间段查询色选机故障原因,并提供数据筛选功能,可以方便的打印或导出。 报表模块可以将设备详细数据以柱状图的形式直观展示,用户可以选择色选机的产量信息、开机时间、效率等数据类型,通过分析机器运行状态做到质量监测。 系统实施前后效果对比如表2所示。

表 2 色选机远程运维系统实施效果对比

4 结 语

基于B/S架构色选机远程运维系统是结合色选机工控系统、互联网和实时监控系统,开发的集成化、模块化、标准化和智能化的色选机运维管理平台。系统拥有友好的人机交互界面,能高效准确地采集处理分析数据,能快速响应客户需求。系统实现了色选机远程监测、维护、故障诊断与预测等功能,实际运行结果表明，系统运行稳定可靠,功能完善,系统维护管理方便,满足色选机企业实际需要,有良好的实用性和可移植性。