基于物聯網空調器抽真空過程監測系統的研究與應用

陳 驥 周玉玲 蔡燕君 張 健

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510860）

前言

空調裝配線中，在安裝好壓縮機及冷凝管后，沖注冷媒前，需要對壓縮機進行抽真空，并且檢查管路是否連接正常，是否有出現泄、漏情況，因此需要對空調器抽真空過程的數據進行記錄與監控，并繪制其過程數據曲線，根據數據曲線自動判斷是否合格，是否可以進入到下一工序，為了加快空調裝配線的生產節拍，提高設備利用率和自動化程度，實現數字化。因此通過把抽真空的過程設計成環型線 ，并在環型線上每個真空工位配置一臺數據監控儀器，用來采集每臺空調壓縮機在抽真空過程的實時數據，系統服務器再通過工業互聯網采集到每臺監控儀上的數據。由于生產線上有幾十臺、上百臺空調同時進行抽真空，因此空調壓縮機與監測系統臺位上的監測儀、監測儀與真空計、服務器與監測儀都需要進行綁定、匹配，服務器才能通過網絡把采集的數據與具體的空調壓縮機進行準確對應。本文通過物聯網技術把空調器壓縮機、監測工作臺、監測儀進行物物互聯，數據互通，實現整個空調器抽真空過程數據的實時監控，繪制曲線，自動判斷結果，保存過程數據，便于后續檢索查詢，為建設數字化工廠提供基礎。

1 系統結構原理

基于物聯網空調器抽真空過程監測系統主要通過RFID電子標簽感應器、工業互聯網把真空計、監測儀、機械工作臺車進行綁定、互聯，服務器再通過網絡實時采集真空過程數據并與對應的監測儀進行數據交互，繪制曲線，判斷結果及保存數據，最終實現空調器抽真空過程中相關設備互聯互通，數據交互，為工廠數字化打通底層數據鏈。因此空調器抽真空環型生產線需要在每個運轉的機械工作臺車上安裝RFID感應器、監測儀、互聯網AP（網關），通過RFID感應器和工業網絡技術把每個運轉工作臺車編碼、監測儀地址編碼、互聯網AP的IP地址、端口進行對應和綁定，最終實現物物之間互聯互通，數據交互，服務器再通過網絡實時監控抽真空過程數據、繪制曲線、保存數據。為了保證數據準確性，系統通過內嵌過濾函數，對峰值數據和異常數據進行二次過濾，最終實現監測系統的準確性、可靠性和及時性。系統結構圖如圖1。

圖1 系統結構圖

2 物聯網技術在空調器壓縮機抽真空環型監測系統中的應用研究

2.1 物聯網技術的選型

由于RFID電子標簽需要可擦寫功能，因此感應器選用倍加福的IQH1-FP-V1，工作頻率為13.56 MHz，10 cm的讀寫距離，讀取速度能達到20 ms，RFID電子標簽則采用無源標簽，方便安裝。

機械工作臺車上的網關主要作用是物物之間的數據交互，只需要點對點功能，不需要路由功能，并且與監測儀是通過有線方式進行互通，因此從實際情況出發，機械工作臺車上選用TL-WA850N 300M無線AP，TL-WA850N 300M無線AP具有無需配置，即插即用功能，無線傳輸速率最高可達300 Mbps，減小數據擁堵和網絡延時。而服務器上需要帶載整個環型監測系統上所有臺車，帶載量大，傳輸速度快，干擾少，因此從傳輸速率、帶載量、傳輸頻率三方面考慮，選用的是TLHDAP1800C-PoE 高密度雙頻無線AP，它具備2.4 GHz和5 GHz雙頻并發，四個射頻同時接入功能，還能動態監測所處環境的無線信道，自動選擇適宜信道，避免同頻干擾；功率線性可調，能有效降低現場AP間相互干擾，從而保證無線通訊穩定。獨立硬件保護電路，當AP工作異常時，無需人工干預即可自動重啟，保障無線信號穩定覆蓋。

2.2 通訊機制

由于不同設備、儀器之間通訊協議、通訊方式、通訊時序都是不一樣，通訊協議及通訊格式、時序都是由設備本身供應商定制，為了打通底層的數據鏈，系統通過在底層采集數據塊中增加通訊中間件，通過通訊中間件實現統一通信協議、統一數據交互格式和交互時序，最終實現物物互聯互通，物物之間數據交互暢通無阻。

2.2.1 統一通信協議和通信時序：

由于UDP傳輸速度快，傳輸數據量大，且在通訊前，不需要進行握手連接，直接按通訊格式進行數據交互就可以，方便使用。UDP沒有擁堵控制機制，因此在網絡出現擁堵時，不會降低發送速率。還支持一對一，一對多，多對多的數據交互，它采用的是報文的傳輸方式，通信首部占用字節少，可以傳輸更大的數據量。因此從傳輸速度快，數據量方面，UDP通信更有優勢。從連接方式、應用場合、傳輸速度三方面考慮，最終采用UDP通訊協議。

通訊時序采用的是服務器為主，終端為輔，服務器通過點名方式主動與終端進行數據交互，終端為應答端，被動進行數據交互。

終端通訊流程如圖2，服務器通訊流程如圖3。

圖2 終端通訊流程圖

圖3 服務器通訊流程圖

2.2.2 統一數據交互格式：

數據交互格式如下：起始碼+地址+命令字+數據長度+數據串+結束碼+校驗碼。

起始碼：固定為AAH；

地址：服務器要巡檢點名的終端地址，兩位的十六進制數00H-FFH；

命令字：兩位的十六進制數00H-FFH；

數據長度：表明要傳輸的數據組一共有多少個數據，兩位的十六進制數00H-FFH；

數據串：通訊數據；

結束碼：固定為66H；

校驗碼：從起始碼到結束碼不帶進位相加后取反。

3 內嵌過濾功能的研究

由于UDP是無狀態的傳輸協議，因此傳輸速度快，但也正是因為它沒有可靠的控制機制，在數據傳輸時，如果網絡質量不好，會容易出現丟包現象，因此通過在軟件處理上增加內嵌過濾功能，提高數據傳輸可靠性，保證數據傳輸準確性。通過把接收到的數據存放到第一組臨時緩沖堆棧中，第一組臨時緩沖堆棧可以存放5組數據組，并且數據按接收時間先后順序保存。對存放到第一組臨時緩沖堆棧中的數組進行數據排序，通過數據排序和對比，過濾掉峰值數據。再把已經過濾掉峰值的數據存放到第二組臨時緩沖堆棧中，第二組臨時緩沖堆棧可以存放3組數據組，對存放的數據組進行兩兩匹配，從而過濾掉異常數據，最后對匹配過的數再進行校準，通過兩次過濾，最終過濾掉異常數據和峰值數據，保證一定時期內數據一致性和準確性。

4 結束語

本文結合物聯網技術，通過利用RFID感應技術、網絡傳輸技術把真空計、空調壓縮機、機械工作臺車、空調抽真空監測儀進行綁定、互聯，打通了底層數據鏈，服務器通過網絡實時監控空調壓縮機的抽真空監測過程，并繪制過程曲線、判斷結果、保存數據，最終實現物物之間互聯互通，數據交互，為工廠數字化提供基礎。系統還通過增加內嵌過濾函數，對傳輸過程中產生的峰值數據和異常數據進行二次過濾，保證空調器抽真空過程監測系統數據的準確性、可靠性和及時性。