封闭式固态制醋工艺控制系统的远程监测研究

王丹红++史智兴++孙剑锋++曹宝忠

摘要：设计将远程监测技术应用于封闭式固态制醋设备的控制系统，实现主监室对多套设备实时信息的远程监测和信息管理。针对多套不同设备的信息管理采用STR-32无线模块，并制订分组通信协议实现突发情况自主报警的多机通信；针对发酵不同阶段通信内容的差异制定统一的通信协议；针对产品质量溯源问题设计PC机间歇通电情况下完整信息的接收方案。为了监测系统的无线通信性能，分别在空旷环境和密集建筑物环境下进行了最大传输距离、准确率、穿墙性能的试验，并分析丢码、乱码的主要原因，确定了相应的解决方案。

关键词：固态制醋；无线通信；通信协议；产品溯源；多机通信

中图分类号：TS264.2 文献标识码：A 文章编号：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

远程监测能有效地实现工业自动化生产过程的集中控制与管理，能够实现对生产过程中的每个环节进行监控，保证工业自动化的正常运行[1]。工业生产中的远程监测一般采用基于计算机结合传感器的检测和控制技术来实现，以此来减少人力投入并提高检测数据的准确性[2]。除了现场检测控制方式以外，远程监测控制逐渐随着无线通信技术的发展成熟起来，远程数据传输避免了工人到现场对每个设備进行挨个排查，增加了安全性、提高了生产效率[3]。

现代化工业检测控制中远程监测的有线方式渐渐被无线所代替，无线传输无需架设电线，省去了施工的麻烦，相比铺设的线缆容易受到频繁的触碰损坏，无线网络保证了网络的安全性并且无线传输具有比有线网络传输的范围更广的开放空间[4]。

本研究针对发酵食品生产行业设备众多、场地分散、现场巡视困难等现状，结合封闭式制醋工艺控制系统的研究，提出了将远程监测技术应用于封闭式固态制醋设备，主要实现上位机对多套设备控制参数的实时远程监测和信息管理，同时为了便于对每个批次产品质量的控制因素进行回溯，设计实现了上位机完整信息的接收方案。本设计的实施，有效提高了检测管理效率，保证了发酵参数控制的稳定性和精度，提升了产品质量。

1 系统框架

本系统整体框架如图1所示。以安装于监控室的PC机为上位机，通过无线通信连接多台安装于生产现场的下位机。每台下位机控制一套设备的自动化生产，并将采集到的实时信息通过无线模块传输给上位机。上位机将接收到的各台下位机的信息分别进行存储和显示。

远程信息检测的实现。采用无线芯片STR-32进行上下位机的信息传输，使用其提供的RS232接口，选取0信道通信，配置独立开关电源为其供电。为了适应笔记本电脑无串口的特殊性，特将STR-32与PC机的连接由串口转换为USB接口。帧格式为1位起始位，1位停止位，8位数据位，并将波特率设置为9 600 b/s[5，6]。

对于封闭制醋工艺来说，下位机具有定时检测和自动控制功能。主要检测内容为发酵罐中的空气氧含量、发酵罐内空气温度、发酵罐内加水量及各阶段出醋量。根据检测值和工艺要求控制相应执行机构启停以下设备：发酵罐旋转电机、加氧风机、外层加水降温电磁阀、外层加汽升温电磁阀以及出醋电磁阀等。下位机自带LCD显示器，可以在现场查看工艺进度以及实时参数，同时根据上位机需求将相应信息由无线模块传输给上位机。

2 无线通信的设计

2.1 数据格式

封闭制醋工艺过程可分位五个阶段，每个阶段检测控制内容不同，因此每个阶段传输的数据大小不同，最少为2个字节，最多为6个字节，详见表1。

为此便于通信管理，规定在数据传输过程中统一设定传输10个字节，内容不够统一补0。同时为了便于上位机区分不同工艺阶段，把第一字节规定为阶段编码，1为加水、2为发酵、3为出醋阶段的淋醋环节、4为出醋阶段的浸泡环节、5为出醋阶段的出醋环节，其他每项显示信息占一个字节。发酵阶段通信内容及提取显示的信息包括：发酵阶段有效信息，阶段编码1个字节，天数、小时、分钟、温度、氧含量以及6个设备各1字节，共7个字节；无线收发的数据，0x02、0x0A、0x11、0x07、0x1E、0x13、0x00、0x00、0x00、0x00；上位机提取显示内容，处于发酵阶段，已发酵10 d 17 h 7 min，温度30 ℃，含氧量19%，设备全部关闭。

2.2 多机通信方案

实际生产中工厂有很多套设备需要控制和检测，为此系统采用主从式多机通信方式。

2.2.1 正常控制数据的传输 正常情况下采用单片机自带多机通信功能，通信的协调完全由上位机控制，主上位机对下位机采用带地址码的数据帧发送数据，全部都接收，并将接收到的数据帧格式与规定格式相比较，一致则予以显示。主机每隔10 min，依次呼叫轮询各下位机，被叫到的下位机上传信息。按照上位机同时管理10套设备（10个下位机）分析，每台下位机每次传输的内容为10个字节，加上呼叫的时间，每下位机占用20 ms，10个下位机共需0.2 s。

2.2.2 完整工艺数据的接收 根据实际调查酿制产品总控室工作人员不会24 h实时监测，工作人员为实现完整工艺数据的存储及对产品质量的溯源，需要接收完整的检测信息。设备实时信息经无线模块发送由上位机无线模块接收，之后由串口传输给上位机予以显示。若上位机关闭时，对于下位机传输的信息将无法予以接收，导致上位机无法接收到完整信息。为实现上位机接收到连续性完整信息，一般采取令PC机24 h处于开机状态。但此种方案的耗电量比较大，浪费资源，不能解决断电情况下完整信息的接收问题。

为实现PC机间歇性通电情况下工艺数据的完整性，没电情况下即将PC机关闭时下位机未发的信息予以存储，PC机开机后发送。根据实际需求设定下位机信息采集及传输为每10 min一次，每次传输内容为10个字节。根据现实中工人上下班、停断电及PC机出现故障的情况可知，PC机持续关闭时间最长可能为24 h，由此下位机未发送的数据存储量为1.5 KB左右。根据单片机的内存容量，采用SRAM进行单片机内存拓展。STR-32波特率为 9 600 b/s，可知其每秒传输1.2 KB，对积累信息最多2 s即可完成传输，不会产生信息积压现象。正常情况下，下位机接收到上位机邀约信息后，开始发送指针上次停留处信息，在信息传输中设定指针在传输完一条信息之后等待上位机应答，接收到应答后指针指向下一条信息并进行传输，无应答则指针不移动，单片机不进行下一条传输并将传感器采集到的实时信息予以存储，传输完毕后发送结束指示，上位机接收后依次呼叫轮询其他下位机。此方案可以减少工人工作时间，实现间歇性断电情况下信息的完整接收，节约生产成本。

2.2.3 下位机控制异常的报警信息传输 当控制参数异常、设备不受控等情况发生时，下位机本身具有声光报警功能，提示现场操作人员进行处理。为了使主控室获得报警信息，设计了分时处理方案解决一般单片机主、从式多机通信不能实现从机的主动询问的问题。

时分多址通信：上位机的信息显示频率10 min一次，把10 min分割成两段，前2 s为上位机主动发送呼叫查询指令时间，所有从站皆可收到，其余时间上位机处于接收信息和下位机询問应答状态，从站根据传过来的数据或命令进行响应，将响应的数据发送回去并保证在任何一个瞬间，通信网中只有一个电台处于发送状态，以免相互干扰。设计中从站数目为10台，每个从站分得2 s发送时间，发送时间不可超出，未发送完毕存储下次发送，正常情况从站发送信息量10字节10 ms就可传输完毕，即使是上位机初次通电情况下亦可以传输完毕。若出现警报情况，最迟18 s可以实现向上位机的报告，报警功能可以很好地实现。设计的可拓展性非常大，即使工厂有100台设备一样可以采用。上位机可以分别在各时间段中接收到各从站的信号而不混扰。针对上下位机时间基准可能存在不一致的问题，设计上位机在每次对下位机发送请求，发送当前信息的指令时设定时间为10 min定时开始，所有下位接收到指令之后自动计时按序发送。

3 通信检测及问题解决

为检测此无线通信设计的性能，特在噪音较小、场地空旷的操场与建筑物密集、噪音大的的实验室选取不同通信距离进行通信性能检测。

3.1 通信性能测试

试验结果表明，在室外空旷地域传输距离500 m之内，性能误码率完全可以满足工业需求。在满是电子设备的同一实验室内部传输10 m之内误码率非常低，电磁干扰影响不大，突然增加开启中的电子设备对传输无影响。但在测试中，此设计需跨墙体进行传输时会出现乱码，收发码数不一致，间隔频率随传输时间增大，每次持续约1 s，墙体的折射对其影响非常大。测试结果如表2所示。

3.2 数据传输中的问题分析

数据在传输过程中，由于外界噪声的干扰，接收方会突然收到乱码，影响正在传输的信息的接收，致使收发码数不一致，出现大量乱码突显现象。无线通信的距离有一定的限制，周围环境对于无线信号也有一定影响，距离主站比较远并且中间相隔众多墙体时子站对主站下发的报文有可能接受不到。周围机器噪声过大会造成电磁波干扰产生信息不准确。跨墙体传输时，由于墙体折射的影响会明显影响传输质量。

3.3 实际操作中的解决方案

根据协议，对接收到的数据比较起始和结束字符，如若一样则表明数据在传输过程中没有发生错误，并对数据保存、处理，否则丢弃这帧报文，不做处理[7]，并限制主站对接受信息的来源地址进行比较，非从站地址拒绝接收减少乱码。

在项目实际操作中，根据地理位置和周围环境的不同，在距离总站比较远的子站与主站之间的一定距离位置再增加一个无线数据传输电台、一个全向天线进行数据中继，实现比较稳定地通信。在需要跨越大量墙体进行传输时将无线天线置于室外减少跨越墙体数量。

4 小结

经过实际项目检验，基于STR-32的PC机和多单片机组成的测控系统完成了对固态酿醋设备的控制与实时信息的无线数据传输。传输过程中数据丢失和误码率非常小，针对完整信息接收、突发情况等，多机通信报警的设计方案可以很好地解决。酿醋设备得到很好的控制，产品质量问题的追溯得到解决。另外，对于检测中出现的乱码、跨墙体传输质量下降的等问题给与了解决方案，检测结果良好。设计具有很强实用性、通用性及可扩展性，可以实现对多种不同设备的同时管理。下一步可以完善的主要内容是上位机对下位机的控制。

参考文献：

[1] 王 征.工業自动化控制中远程控制与物联网技术应用[J].现代商贸工业，2015（6）：103-104.

[2] 王 刚.对工业自动化系统中远程集中控制管理的研究[J].科技创新与应用，2012（30）：111.

[3] 方原柏.工业无线通信是推动自动化发展的关键技术[J].冶金自动化，2014，38（5）：92-93.

[4] 蔡 型，张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术，2004（3）：65-67.

[5] 韩改宁，赵 娟，段 群.基于AT89C52单片机实现短距离无线通信[J].电子设计工程，2009，17（10）：23-24.

[6] 叶 佩.MCS-51单片机的多机通信方式研究[J].计算技术与信息发展，2009（12）：58.

[7] 余 臻，刘志雄，李 杰.无线数传通信协议设计与实现[J].厦门大学学报，2008，47（3）：353-354.