一种基于工业4.0的多参数粮情检测系统*

冯 浩 谢 鹏 赵小军 蒋雪梅 姜祖新

(中储粮成都储藏研究院有限公司 610091)

1 系统简介

粮情检测系统是利用现代电子技术对储粮生态参数进行检测、数据存储与分析的系统。目前的系统存在功能单一、兼容性差、扩展能力差、智能化水平低等主要问题，架构缺乏系统性的考虑。不同厂家、不同种类的粮情数据很难在一个系统中融合，不同传感器和机电设备接入系统的集成难度大、兼容差，无法实现一体化采集、控制与传输，已不适应新的需求。

本文实现的粮情检测系统是一个在工业4.0体系结构下的信息物理系统，依靠部署在现场的异构传感器通用接入硬件平台及一体机设备，实现对多种粮情数据的实时感知，协同控制现场设备，基于此基础平台构建的智能化粮情检测系统可实现系统的持续演化和升级，通过数据分析传感器数据间的关联关系，准确提取粮情特征，形成一个可在线扩展、在线维护的粮情检测应用系统，其核心是可在线兼容各种异构传感器和设备，具有高度在线可扩展性。

2 系统总体设计结构

系统在设计上采用自动演化思想，将系统划分为四大子系统：①前端粮仓通用接入硬件平台及一体机设备；②粮库监控中心软件系统；③后台数据和维护中心软件系统；④粮情大数据分析应用平台。系统设计如图1所示。

图1 系统设计

前端通用硬件平台及一体机设备1个仓房安装1套，负责根据用户需要接入不同的传感器和机电控制设备；其设计采用工业4.0思想，将各种现场传感器和机电设备映射为独立的IP地址，所有设备均可通过以太网通信，从而屏蔽了各种传感器及设备通信物理层的异构性，针对各种不同设备通信协议的异构性采用协议封装技术进行包装透明传输。此平台还可将数据同时推送到不同的数据终端，并且允许合法登陆客户端进行远程设备调试。

后台数据和维护中心软件负责接收并解析不同传感器和机电设备的数据，具有监控功能，并将数据保存到粮情大数据存储系统中，软件采用全插件化框架开发，系统可随着时间推移添加并更新最新研制的插件，并可将插件推送到购买此项应用的粮库监控中心软件系统中。

粮情大数据分析应用平台是整个大系统的“智慧产生地”，用于在粮情大数据存储系统中找出传感器数据间的关联关系、研制预测模型并优化报警配置，并可促进新的应用和插件的研制，向用户形成新的高附加值服务。

粮库监控中心软件系统是安装在粮库本地监控室的核心软件平台，其采用全插件框架开发，可通过自动插件升级适应不同的传感器和机电设备的接入，并可通过授权下载最新的粮库应用来进行服务升级。

3 系统实现

3.1 通用硬件平台及一体机的设计与实现

通用硬件平台及一体机包含一个通用硬件接口平台及一台一体机设备，如图2所示。

图2 通用硬件平台设计

通用硬件接口平台负责根据用户需要接入不同的传感器和机电控制设备，其设计采用物联网思想，将各种现场传感器和机电设备映射为独立的IP地址，所有设备均通过网络进行通信，屏蔽了各种粮仓传感器和现场设备通信物理层的异构性，并且采用通信协议二次封装技术对不同设备的数据进行包装透明传输，方便未来现场新型传感器或设备的快速部署；在兼顾粮情本地监控的同时还可将数据同时推送到不同的数据中心，形成可适应未来发展的粮情大数据信息源节点。

现场一体机设备采用一体化工控机，运行Windows操作系统，应用程序采用框架结构及插件模式，开发的应用程序具有很强的可靠性、灵活性及兼容性，实现粮情数据的现场可视化显示与系统配置及高速、灵活的网络数据传输，软件具有在线升级功能。

3.2 粮库监控中心软件系统

粮库监控中心软件系统是用户使用的软件平台，其采用全插件框架开发，通过自动插件升级适应不同的传感器和机电设备的接入，同时可远程向数据中心成功申请授权后下载最新的粮情应用来进行在线升级，如图3所示。

图3 监控中心软件系统

3.3 后台数据和维护中心软件系统

后台数据和维护中心软件系统为安装在数据中心的软件平台，负责接收并解析各个粮库不同粮仓发送过来的透明传输数据，系统采用全插件化框架开发，一个插件可对应不同的粮仓现场设备，在单位数据中心内就可远程监控粮库内的全部数据信息，并且可以对设备进行透明传输模式下的远程调试和维护工作，形成所内维护中心；同时单位内研发的各种新应用软件，以此平台进行应用发布；将粮库数据保存到粮情大数据存储系统中，形成单位内部的数据中心。如图4所示。

图4 后台数据和维护中心软件系统

3.4 粮情大数据分析应用平台

粮情大数据分析应用平台用于在粮情大数据存储系统中找出传感器数据间的关联关系、研制预测模型并优化报警配置，并可促进新的应用和插件的研制，向用户形成新的高附加值服务，并通过“数据和维护中心软件系统”向用户进行发布。

4 结论

系统采用通用的网络平台化设计，升级前端传感器和设备不会对系统造成影响，只需要开发固定接口插件动态链接，数据和维护中心都是插件体系结构开发的，系统功能扩展只需要更换或添加不同的动态连接块，具有很好的可扩展性。

采用通用化的前端系统，系统安装、升级不同传感器或设备的集成过程将标准化，后台中心在线设备调试功能，具有很好的可维护性。

系统提供基于历史数据的数据挖掘工具，找出未被发现的数据间关联关系、研制预测模型和优化配置信息。形成一个可持续化的智能化演化系统，可长时间为用户产生价值。