封閉式固態制醋工藝控制系統的遠程監測研究

王丹紅++史智興++孫劍鋒++曹寶忠

摘要：設計將遠程監測技術應用于封閉式固態制醋設備的控制系統，實現主監室對多套設備實時信息的遠程監測和信息管理。針對多套不同設備的信息管理采用STR-32無線模塊，并制訂分組通信協議實現突發情況自主報警的多機通信；針對發酵不同階段通信內容的差異制定統一的通信協議；針對產品質量溯源問題設計PC機間歇通電情況下完整信息的接收方案。為了監測系統的無線通信性能，分別在空曠環境和密集建筑物環境下進行了最大傳輸距離、準確率、穿墻性能的試驗，并分析丟碼、亂碼的主要原因，確定了相應的解決方案。

關鍵詞：固態制醋；無線通信；通信協議；產品溯源；多機通信

中圖分類號：TS264.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）01-0140-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.036

Study on the Remote Monitoring of the Control System of

the Closed-type Solid Vinegar Process

WANG Dan-hong1，SHI Zhi-xing1，SUN Jian-feng1，CAO Bao-zhong2

（1.College of Information Science and Technology，Agricultural University of Hebei Province， Baoding 071000，Hebei，China；

2.Hebei Baoding Huaimao Co. Ltd， Baoding 071000，Hebei，China）

Abstract：The design of remote detection technology applied to the closed type solid state system of vinegar control system，realized the emote detection and information management of real time information for multiple sets of equipment in the main monitoring room. For the information management of multiple sets of different devices， the STR-32 wireless module used to and formulate the packet communication protocol to realize multi machine communication in sudden alarm. A unified communication protocol formulated for the discrepancy in communication content of different stages of fermentation. The receiving scheme of the complete information about the PC machine intermittent power supply designed for the product quality traceability. In order to detect the wireless communication performance of the system， test the maximum transmission distance， accuracy， performance through the wall respectively under the open environment and dense building environment And analysis of the main reasons about lost code， garbled， determine the corresponding solution.

Key words：solid vinegar process；wireless transmission；communication protocol；product traceability；multi machine communication

遠程監測能有效地實現工業自動化生產過程的集中控制與管理，能夠實現對生產過程中的每個環節進行監控，保證工業自動化的正常運行[1]。工業生產中的遠程監測一般采用基于計算機結合傳感器的檢測和控制技術來實現，以此來減少人力投入并提高檢測數據的準確性[2]。除了現場檢測控制方式以外，遠程監測控制逐漸隨著無線通信技術的發展成熟起來，遠程數據傳輸避免了工人到現場對每個設備進行挨個排查，增加了安全性、提高了生產效率[3]。

現代化工業檢測控制中遠程監測的有線方式漸漸被無線所代替，無線傳輸無需架設電線，省去了施工的麻煩，相比鋪設的線纜容易受到頻繁的觸碰損壞，無線網絡保證了網絡的安全性并且無線傳輸具有比有線網絡傳輸的范圍更廣的開放空間[4]。

本研究針對發酵食品生產行業設備眾多、場地分散、現場巡視困難等現狀，結合封閉式制醋工藝控制系統的研究，提出了將遠程監測技術應用于封閉式固態制醋設備，主要實現上位機對多套設備控制參數的實時遠程監測和信息管理，同時為了便于對每個批次產品質量的控制因素進行回溯，設計實現了上位機完整信息的接收方案。本設計的實施，有效提高了檢測管理效率，保證了發酵參數控制的穩定性和精度，提升了產品質量。

1 系統框架

本系統整體框架如圖1所示。以安裝于監控室的PC機為上位機，通過無線通信連接多臺安裝于生產現場的下位機。每臺下位機控制一套設備的自動化生產，并將采集到的實時信息通過無線模塊傳輸給上位機。上位機將接收到的各臺下位機的信息分別進行存儲和顯示。

遠程信息檢測的實現。采用無線芯片STR-32進行上下位機的信息傳輸，使用其提供的RS232接口，選取0信道通信，配置獨立開關電源為其供電。為了適應筆記本電腦無串口的特殊性，特將STR-32與PC機的連接由串口轉換為USB接口。幀格式為1位起始位，1位停止位，8位數據位，并將波特率設置為9 600 b/s[5，6]。

對于封閉制醋工藝來說，下位機具有定時檢測和自動控制功能。主要檢測內容為發酵罐中的空氣氧含量、發酵罐內空氣溫度、發酵罐內加水量及各階段出醋量。根據檢測值和工藝要求控制相應執行機構啟停以下設備：發酵罐旋轉電機、加氧風機、外層加水降溫電磁閥、外層加汽升溫電磁閥以及出醋電磁閥等。下位機自帶LCD顯示器，可以在現場查看工藝進度以及實時參數，同時根據上位機需求將相應信息由無線模塊傳輸給上位機。

2 無線通信的設計

2.1 數據格式

封閉制醋工藝過程可分位五個階段，每個階段檢測控制內容不同，因此每個階段傳輸的數據大小不同，最少為2個字節，最多為6個字節，詳見表1。

為此便于通信管理，規定在數據傳輸過程中統一設定傳輸10個字節，內容不夠統一補0。同時為了便于上位機區分不同工藝階段，把第一字節規定為階段編碼，1為加水、2為發酵、3為出醋階段的淋醋環節、4為出醋階段的浸泡環節、5為出醋階段的出醋環節，其他每項顯示信息占一個字節。發酵階段通信內容及提取顯示的信息包括：發酵階段有效信息，階段編碼1個字節，天數、小時、分鐘、溫度、氧含量以及6個設備各1字節，共7個字節；無線收發的數據，0x02、0x0A、0x11、0x07、0x1E、0x13、0x00、0x00、0x00、0x00；上位機提取顯示內容，處于發酵階段，已發酵10 d 17 h 7 min，溫度30 ℃，含氧量19%，設備全部關閉。

2.2 多機通信方案

實際生產中工廠有很多套設備需要控制和檢測，為此系統采用主從式多機通信方式。

2.2.1 正常控制數據的傳輸 正常情況下采用單片機自帶多機通信功能，通信的協調完全由上位機控制，主上位機對下位機采用帶地址碼的數據幀發送數據，全部都接收，并將接收到的數據幀格式與規定格式相比較，一致則予以顯示。主機每隔10 min，依次呼叫輪詢各下位機，被叫到的下位機上傳信息。按照上位機同時管理10套設備（10個下位機）分析，每臺下位機每次傳輸的內容為10個字節，加上呼叫的時間，每下位機占用20 ms，10個下位機共需0.2 s。

2.2.2 完整工藝數據的接收 根據實際調查釀制產品總控室工作人員不會24 h實時監測，工作人員為實現完整工藝數據的存儲及對產品質量的溯源，需要接收完整的檢測信息。設備實時信息經無線模塊發送由上位機無線模塊接收，之后由串口傳輸給上位機予以顯示。若上位機關閉時，對于下位機傳輸的信息將無法予以接收，導致上位機無法接收到完整信息。為實現上位機接收到連續性完整信息，一般采取令PC機24 h處于開機狀態。但此種方案的耗電量比較大，浪費資源，不能解決斷電情況下完整信息的接收問題。

為實現PC機間歇性通電情況下工藝數據的完整性，沒電情況下即將PC機關閉時下位機未發的信息予以存儲，PC機開機后發送。根據實際需求設定下位機信息采集及傳輸為每10 min一次，每次傳輸內容為10個字節。根據現實中工人上下班、停斷電及PC機出現故障的情況可知，PC機持續關閉時間最長可能為24 h，由此下位機未發送的數據存儲量為1.5 KB左右。根據單片機的內存容量，采用SRAM進行單片機內存拓展。STR-32波特率為 9 600 b/s，可知其每秒傳輸1.2 KB，對積累信息最多2 s即可完成傳輸，不會產生信息積壓現象。正常情況下，下位機接收到上位機邀約信息后，開始發送指針上次停留處信息，在信息傳輸中設定指針在傳輸完一條信息之后等待上位機應答，接收到應答后指針指向下一條信息并進行傳輸，無應答則指針不移動，單片機不進行下一條傳輸并將傳感器采集到的實時信息予以存儲，傳輸完畢后發送結束指示，上位機接收后依次呼叫輪詢其他下位機。此方案可以減少工人工作時間，實現間歇性斷電情況下信息的完整接收，節約生產成本。

2.2.3 下位機控制異常的報警信息傳輸 當控制參數異常、設備不受控等情況發生時，下位機本身具有聲光報警功能，提示現場操作人員進行處理。為了使主控室獲得報警信息，設計了分時處理方案解決一般單片機主、從式多機通信不能實現從機的主動詢問的問題。

時分多址通信：上位機的信息顯示頻率10 min一次，把10 min分割成兩段，前2 s為上位機主動發送呼叫查詢指令時間，所有從站皆可收到，其余時間上位機處于接收信息和下位機詢問應答狀態，從站根據傳過來的數據或命令進行響應，將響應的數據發送回去并保證在任何一個瞬間，通信網中只有一個電臺處于發送狀態，以免相互干擾。設計中從站數目為10臺，每個從站分得2 s發送時間，發送時間不可超出，未發送完畢存儲下次發送，正常情況從站發送信息量10字節10 ms就可傳輸完畢，即使是上位機初次通電情況下亦可以傳輸完畢。若出現警報情況，最遲18 s可以實現向上位機的報告，報警功能可以很好地實現。設計的可拓展性非常大，即使工廠有100臺設備一樣可以采用。上位機可以分別在各時間段中接收到各從站的信號而不混擾。針對上下位機時間基準可能存在不一致的問題，設計上位機在每次對下位機發送請求，發送當前信息的指令時設定時間為10 min定時開始，所有下位接收到指令之后自動計時按序發送。

3 通信檢測及問題解決

為檢測此無線通信設計的性能，特在噪音較小、場地空曠的操場與建筑物密集、噪音大的的實驗室選取不同通信距離進行通信性能檢測。

3.1 通信性能測試

試驗結果表明，在室外空曠地域傳輸距離500 m之內，性能誤碼率完全可以滿足工業需求。在滿是電子設備的同一實驗室內部傳輸10 m之內誤碼率非常低，電磁干擾影響不大，突然增加開啟中的電子設備對傳輸無影響。但在測試中，此設計需跨墻體進行傳輸時會出現亂碼，收發碼數不一致，間隔頻率隨傳輸時間增大，每次持續約1 s，墻體的折射對其影響非常大。測試結果如表2所示。

3.2 數據傳輸中的問題分析

數據在傳輸過程中，由于外界噪聲的干擾，接收方會突然收到亂碼，影響正在傳輸的信息的接收，致使收發碼數不一致，出現大量亂碼突顯現象。無線通信的距離有一定的限制，周圍環境對于無線信號也有一定影響，距離主站比較遠并且中間相隔眾多墻體時子站對主站下發的報文有可能接受不到。周圍機器噪聲過大會造成電磁波干擾產生信息不準確。跨墻體傳輸時，由于墻體折射的影響會明顯影響傳輸質量。

3.3 實際操作中的解決方案

根據協議，對接收到的數據比較起始和結束字符，如若一樣則表明數據在傳輸過程中沒有發生錯誤，并對數據保存、處理，否則丟棄這幀報文，不做處理[7]，并限制主站對接受信息的來源地址進行比較，非從站地址拒絕接收減少亂碼。

在項目實際操作中，根據地理位置和周圍環境的不同，在距離總站比較遠的子站與主站之間的一定距離位置再增加一個無線數據傳輸電臺、一個全向天線進行數據中繼，實現比較穩定地通信。在需要跨越大量墻體進行傳輸時將無線天線置于室外減少跨越墻體數量。

4 小結

經過實際項目檢驗，基于STR-32的PC機和多單片機組成的測控系統完成了對固態釀醋設備的控制與實時信息的無線數據傳輸。傳輸過程中數據丟失和誤碼率非常小，針對完整信息接收、突發情況等，多機通信報警的設計方案可以很好地解決。釀醋設備得到很好的控制，產品質量問題的追溯得到解決。另外，對于檢測中出現的亂碼、跨墻體傳輸質量下降的等問題給與了解決方案，檢測結果良好。設計具有很強實用性、通用性及可擴展性，可以實現對多種不同設備的同時管理。下一步可以完善的主要內容是上位機對下位機的控制。

參考文獻：

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