具有遠程智能化管理系統的洗瓶水循環裝置的研發

唐玉兵，呂文，唐敬友，嚴玉琴，趙成濤，黃文，游基禮，徐開義

（1.瀘州職業技術學院，四川 瀘州 646600；2.四川省工業和信息化研究院，四川 成都 610017；3.瀘州市和興科技有限公司，四川 瀘州 646006；4.瀘州金窖醇酒業有限公司，四川 瀘州 646000）

在釀酒生產線，普遍使用了一種洗瓶水循環凈化裝置。其通過各種管道連接洗瓶機水箱、粗過濾裝置、過濾水泵、精過濾裝置和滅菌裝置，通過管道與反沖洗水箱連接，實現反沖洗泵與精過濾裝置的自動洗瓶水循環。通過對洗瓶水進行過濾、殺菌直至達到回收利用標準。但調研發現，該產品大部分沒有智能控制功能。結合當下物聯網技術在工業生產的普及應用，開發具有智能化管理系統的洗瓶水循環凈化裝置是行業產業的需要。此功能的引入可對洗瓶水循環凈化裝置的監控、管理、使用更為有效。因此，亟待研發具有遠程智能化管理系統的洗瓶水循環凈化裝置。實現將洗滌出水的固形物、有機清洗劑的脫除、微生物細菌滅殺、泵循環及管路配套對應的分體單元，使每一單元建立基于多點流體壓力或流速測量及數據傳輸支持的遠程智能控制系統，最終實現洗瓶水循環凈化裝置的遠程智能化管理，降低企業人力物力成本的投入。

1 水循環裝置遠程智能管理系統的研發理念

隨著科學技術的不斷進步和工業生產的不斷發展，現代工業生產過程，特別是復雜工業生產過程的控制與綜合自動化越來越成為人們必須面對的問題。它既是推動自動控制理論和系統科學發展的強大動力，同時，也對自動控制提出了前所未有的挑戰。本文使用的智能控制該是基于建立多點流體壓力或流速測量及數據傳輸并支持遠程智能控制的系統，研究出相應的硬件設備、網絡通信、終端管理及軟件配置，希望以此實現示范基地酒瓶連續清洗作業智能化管理。

2 水循環裝置的遠程智能管理系統工作模式

對現有的洗瓶作業線進行升級改造，建立與水循環裝置配套的遠程智能化管理系統。其技術關鍵在于通過進出水泵速的智能調節控制進出循環水的壓力和流速，用壓力和超聲波流速傳感器測量并采集循環水的壓力、流速實時數據，自動計算和分析水流量，以壓力參數變化負反饋控制泵速實現水循環的穩定流動，最終通過有線和無線網絡通信在終端設備上實現洗瓶連續作業的實時管理和控制。

3 遠程智能管理系統應用技術

該系統將采用超聲波流量檢測技術、后端處理SSM框架開發技術、無線通信技術3種技術來實現飲料容器連續清洗作業水循環控制及智能化管理。

（1）超聲波流量檢測技術。研究基于超聲波的精準流量檢測技術，提升檢測精度，便于實現水泵的智能動態控制調整。超聲波流量檢測技術具有對水質要求低、流速檢測范圍寬、流態影響小、采樣間隔小、使用范圍廣、檢測精度高等特點。該技術采用非接觸式方式，不需要在流體中安裝測量元件，不會改變流體的流動狀態，不產生附加阻力，安裝及檢修均可不影響生產管線運行，是一種理想高效的節能型流量檢測技術。

（2）后端處理SSM框架開發技術。基于目前市面流程的后端處理開發框架SSM（Spring+SpringMVC+MyBatis），研發整個后端數據處理與分析、實時控制容器連續清洗優化的壓力、流速軟件系統，實現系統智能化控制及便捷化。SSM框架通過IOC特性，方便解耦，簡化對重復模塊進行集中，實現事務、日志、權限的控制；使用MVC研發輕量級Web框架，對Web層進行解耦，數據驗證更加靈活與標準；數據庫的操作采用xml文件配置，解除sql和代碼的耦合，支持對象和數據庫Orm字段關系映射、對象關系映射標簽和組建等。

（3）無線通信技術。研發控制容器連續清洗系統的無線通信技術，主要包括ZigBee組網技術和GPRS通信應用技術。

為了實現容器連續清洗，研究基于Zigbee網絡的組網技術，基于IEEE802.15.4國際標準、上層協議為ZigBee協議棧，具有低功耗、低速率、高可靠性、網絡路由功能強大、自恢復及冗余性能優異等特點，廣泛應用低數據率監控的各個領域。為了實現系統的整個數據采集和后端系統的智能控制，此部分通信研發GPRS通信應用技術，該技術可以提供高速的無線數據接入服務，實現在電腦、智能手機終端APP的上網功能和在線管理。以上兩種通信模式的有效結合，保證了該系統的穩定可靠通信。

4 水循環裝置遠程智能管理系統內部架構

4.1 通信連接的建立

遠動系統與遠動設備通信采用網絡傳輸層的UDP，遠動設備為UDP客戶端，遠動系統為服務器端。

遠動設備（客戶端）和遠動系統（服務端）采用標準的TCP/IP協議使用UDP方式通信。

遠動系統（服務器端）按socket()→bind()→list en(10065)→receive()→close()的順序進行。

遠動設備（客戶端）按照socket()→send()……→close()的順序進行。

4.2 UDP報文格式定義

表1 報文結構

注：（1）設備編號。每個設備對應唯一編號，從0x00000000-0xFFFFFFFF設備號含義。（對應10進制最長10位）0222983001:前5位表示時間(月日年，年只用1位)，2019年2月22日創建的設備830，表示地點，01表示該地點的第幾臺設備。

（2）設備類型，如表2所示。

表2 設備類型

（3）報文ID對應不同的功能。

（4）驗位采用CRC校驗。通信數據校驗：采用CRC16算法+4字節秘鑰。采用密匙：（0xA00xB00xC00xD0）。秘鑰：發送雙方私有，發送數據中不包含。①發送方需要使用4位秘鑰和除校驗位外的數據一起計算產生校驗值。②網絡通信只需要傳輸設備類型開始的數據到校驗數據。③接收方需要使用4位秘鑰和接收的除去校驗位的數據一起重新計算校驗值與收到的校驗值是否一致，不一致說明數據被篡改，數據丟棄；如果校驗值一致，說明數據正確。

4.3 后臺確認報文

方向：終端設備→后臺。

圖1 CRC校驗及接收流程圖

表3 報文ID一覽表

報文周期：0S。

發送次數：1次。

停止發送條件：無。

流程：終端設備→后臺發送6指令。

說明：該指令用來通知后臺設備已經收到消息。

洗瓶機設備（設備型號0x12）。

報文長度：3字節。

每字節說明：

BYTE0(ID)：回復后臺報文的ID號。如后臺發送112指令報文給設備，設備需要回復給后臺，則該id填112。

BYTE1（ack）：0表示成功，1表示失敗。

BYTE2（Reason）：失敗原因。

4.4 心跳和狀態數據包

方向：終端設備→后臺。

報文周期：5S，有變化情況會實時上傳。

發送次數：無限。

停止發送條件：無限。

流程：終端設備→后臺發送8指令。

說明：無。

表4 報文長度11字節

4.5 校時

方向：終端設備→后臺。

報文周期：3S。

發送次數：不限。

停止發送條件：收到后臺數據。

流程：終端設備→后臺發送10指令；后臺→終端設備110號指令時間信息。

說明：設備開機周期發送校時，后臺收到該報文，立即返回服務器系統時間，以保證整個系統時間同步。

（1）洗瓶機設備（設備型號0x12）。

表5

（2）報文長度：3字節。

每字節說明：

BYTE0(reset)：設備請求校時原因。

0x00：設備正常重新啟動校時。

0x01：設備網絡掉線重啟校時。

0x02：設備看門狗復位重啟校時。

0x03：設備硬件故障復位重啟校時。

0x04：其他未知原因復位重啟校時。

BYTE1～BYTE2：設備軟件版本號，以后可作為程序升級依據。

BYTE1：設備軟件版本號高字節。

BYTE2：設備軟件版本號低字節。

4.6 后臺狀態

方向：后臺→終端設備。

報文周期：15S。

發送次數：無限。

停止發送條件：收到后臺數據，發起次數到達。

說明：（此功能暫時預留）。

表6

5 結語

具有遠程智能化管理系統的洗瓶水循環裝置采用超聲波流量檢測技術、后端處理SSM框架開發技術、無線通信技術3種技術，來實現洗瓶水循環裝置水循環控制及智能化管理。本文對該系統的工作模式進行了結構化軟件設計和功能測試，建立內部通信并測試，滿足洗瓶水循環裝置在運行狀態下的智能管理需求。