基于物聯網大型烘干機遠程監控系統關鍵技術研究

孟慶祥，朱世偉，王 巖，華秀萍，王麗麗

（佳木斯大學 機械工程學院，佳木斯154007）

目前糧食烘干機設備的自動化水平還很低，依然處于以手動操作、電氣控制為主的階段，系統能夠自動檢測、控制的參量數量少，控制過程缺乏穩定性和可靠性，控制效果難以滿足生產需要。隨著控制技術和自動化技術的飛速發展，糧食烘干設備的自動化水平得到了飛速的發展。我國在糧食干燥設備的控制和自動化水平明顯落后發達國家先進水平，目前，多個研究機構和企業都加大了種子加工設備的控制系統的研究力度，并取得了可喜的成果[1-3]，在烘干效果、系統穩定性等方面已處于成熟階段，雖可滿足本行業需求，但物聯網遠程控制技術應用較少。綜上所述，物聯網技術在糧食干燥行業應用還處于初級階段，產線遠程管理功能普遍缺失，本文研制的大型烘干機物聯網控制系統，可提升烘干速率，烘干的準確性，降低能源的浪費，更有利于大型烘干機的監控，而且技術可向其他大型機械復制應用，未來發展前景廣闊，有利于提高農民的收入， 有望為我國作物烘干提供新的經濟增長點，必將產生巨大的經濟效益、社會效益和生態效益，具有重要的研究價值和重要的現實意義。

1 系統總體設計方案

本項目在工藝構建方面， 擬采用實驗分析法、定量分析法、文獻研究法對烘干工藝進行綜合分析與構建， 獲得現代自動烘干精確調控工藝。由PC機、PLC（DVP-60ES200R）、溫度傳感器、工業觸摸屏，溫度傳感器，含水率傳感器、云端服務器、數據通訊終端模塊、烘干機等設備組成。設備總體結構示意如圖1所示。整個設計由上位機與下位機兩部分組成。上位機由PC 機和觸摸屏組成，采用組態軟件實現數據傳輸和數據處理、遠程控制。可設定和修改溫度及含水率的標準值及報警值，查詢歷史記錄以及分析各時間段的溫度的數據，檢查各監測點的溫度狀況，實現數據的自動記錄；利用手機、電腦實現溫度，含水率參數的監測、設定數據極限值，如果釆集到的數據超出預設的范圍， 系統會自動報警。PLC 是下位機的主控制器，上位機將命令傳輸到下位機PLC 中，PLC 控制各個元件進行相應動作。根據用戶需求設置了手動、自動、定時工作的多種控制功能，使系統運行的更加可靠。

2 系統硬件設計

2.1 PLC 選型設計

通過分析烘干工藝流程，控制系統核心控制器采用臺達DVP60ES200R 同時可搭配14-bitAIO 擴展模塊，配合內建PID Auto-Tuning 功能，整合的通訊功能， 內建1 組RS-232，2 組RS-485 通訊端口，均支持Modbus 主/從站模式； 程序容量：16 k steps數據寄存器。設計整體控制程序、中斷程序可以完成系統的數字量控制和報警中斷等功能。PLC 通過RS-232 與上位機建立通信，并通過RS485 通訊接口與無線數據傳輸終端建立通信。模擬量輸入信號多個溫濕度傳感器、含水率傳感器等信號；數字量輸出信號包括電機的開關信號、警鈴開關信號、運行指示燈[3]。控制系統結構圖如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖Fig.2 Control system structure diagram

2.2 網絡模塊選型

由于GPRS DTU 大多用于遙遠的監測現場，傳統物聯網控制系統大多采用GPRS DTU 模塊作為物聯網數據終端，GPRS 為2G 網絡，數據傳輸慢，因此GPRS DTU 的穩定性就變得非常重要。對此選擇廣州巨控GRM200 數據傳輸終端，全網通設計支持3 大運營商APN 或VPDN 專網，穩定可靠，組網簡單、靈活，數據傳輸延時一般小于1 s，通過RS485通訊接口與PLC 連接， 通過Modbus 程序可實現PLC 內部數據透明傳輸，用戶可遠程下載、調試PLC程序，通過手機、網頁端能監控每個倉內傳感器的數據，以及設備的運行情況。

3 軟件設計

3.1 PLC 程序設計

根據糧食烘干控制工藝編PLC 程序，糧食烘干系統控制流程如圖3所示，為實現糧食溫濕度、含水率等精準調控，設計以下控制方法實現智能調控。糧食烘干機控制系統開始工作時系統上電后，首先將主程序以及各個模塊程序初始化，比如子程序的初始化、定時器以及中斷的初始化等[4]。當烘干過程開始時，系統通過各個分布點的溫度傳感器采集烘干塔內不同烘干段的溫度，將采集的數據通過模擬量模塊轉換成數字信號傳送給PLC， 通過運算處理并與設定值相比較，進而控制熱風閥門的開度，倘若烘干塔內的溫度超過設定溫度的上下限范圍，系統便會發出報警停機[5]，當糧食含水率傳感器檢測到的水分值與設定值不相等時，系統便會發相關的控制命令對排糧電機頻率進行調節來控制其轉速。

圖3 控制系統流程圖Fig.3 Flow chart of control system

3.2 HMI 界面設計

糧食干燥系統主要包括主界面、 參數設置、歷史報警、歷史曲線、操作說明等以下幾個界面，可每時每刻監控工作數據，包括排糧速度、干糧含水率、各烘干段糧食溫、濕度情況、風溫、電機運行狀態等，以報表的形式一鍵打印，有助于管理。

主界面為整個系統的核心界面，顯示每個倉內溫度、濕度、以及工作情況，如圖4所示。

圖4 主界面圖Fig.4 Main interface diagram

參數設置對溫度上限、下限、濕度上限、下限預先設定；具有配方選擇功能，將不同烘干作物設定最佳參數存儲，選定作物即可一鍵導入該作物的最佳烘干參數設置，如圖5所示。

圖5 參數設置Fig.5 Parameter setting

歷史曲線通過曲線顯示每個倉內各溫濕度變量變化趨勢，如圖6所示。

圖6 歷史曲線Fig.6 Historical curve

歷史數據系統具有報表和統計功能，每隔1 min存儲1 次數據，生成報表。可根據時間查詢數據，以及通過U 盤將數據導出， 方便分析系統工作情況，如圖7所示。

圖7 歷史數據Fig.7 Historical data

歷史報警當倉內溫度超過設定值時系統便會發出報警，以及將報警信息存盤，可根據時間定期查詢報警信息，如圖8所示。

3.3 物聯網部分設計

圖8 歷史報警Fig.8 Historical alarm

物聯網部分采用一款具有PLC 和RTU 功能的GRM200 遠程測控終端[6]。它使用GSM（GRM200 需插入手機SIM 卡）作為通訊手段，同時具備工業級抗干擾性能，GRM200 自帶通訊口，直接支持多種PLC通訊協議與設備進行ModbusRTU 通訊， 與設備進行ModbusRTU 通訊，采用GPRS 和短信電話三重通訊相結合的方式， 徹底解決了傳統GPRS 模塊的不穩定性問題，即使GPRS 網絡中斷，還可以借助短信或電話的形式， 實現的糧倉內環境情況遠程監控，歷史信息報警，歷史數據查詢與導出，設計思路如圖9所示。

圖9 網絡系統框架圖Fig.9 Framework diagram of network system

采用巨控GrmOpcMgr 上位機組態軟件，可實現遠程設備狀態圖形化顯示和操作。將糧食烘干機內部各輸入輸出設備狀態通過組態軟件變量與臺達PLC 各輸入、輸出點及數據寄存器關聯，實現多臺遠程設備狀態在線實時監控。遠程監控界面如圖10所示。

圖10 遠程監控界面Fig.10 Remote monitoring interface

對應烘干機內溫濕度數據變化關聯PLC 各環境參數數據寄存器實現烘干機內參數遠程監控。實時曲線：設計相應溫度、濕度等參數變化曲線，歷史報警。手動模式，添加各設備手動按鈕，關聯對應PLC 的輸出變量，實現遠程手動控制。

4 調試與分析

為驗證上述方案，依托黑龍江融華科技有限公司，為其糧食烘干生產線安裝第一代烘干機遠程監控系統化，并進行穩定性試驗。試驗結果表明，所設計相關網絡監控功能完全實現，系統長時間穩定運行，可靠性較高。

在2018年2月25日～2018年3月25日期間，對其產線狀態信息、動作響應（手動模式下啟停風機、排糧電機動作響應時間）進行測試，測試方法：產線信息傳輸速率，現場端觸摸屏顯示數據變化到遠程客戶端顯示數據變，中間相隔時間長短代表其快慢；動作響應：遠程終端在手動模式下，從啟停各動作[7]，到現場產線動作反應，用時越短表示越快；一天中白天（8：00～18：00）每隔2 h 測試1 次，夜間（18：00～8：00）測試1 次，取均值，測試結果如圖11所示。

圖11 動作響應速率變化圖Fig.11 Action response rate change diagram

實驗期間烘干機內部的溫度濕度等狀態數據從現場端傳輸到本地PC 用時在0.6 s～1.8 s 之間，其中設備動作響應時間曲線整體高于數據參數傳輸曲線：原因設備動作為開關量，傳輸過程中占用數據少，傳輸相對較快；而環境參數為連續變化模擬量，需在PLC 中計算轉換成數字量，在經過遠程數據傳輸終端向本地PC 傳輸，所以用時較長。

5 結語

物聯網技術不斷發展，其應用領域越來越多，以大型烘干機控制系統為研究對象利用巨控GRM200 網絡模塊，基于阿里物聯網云平臺，構建大型烘干機物聯網遠程控制系統，實現烘干機環境信息遠程集中管理。PLC 作為核心控制器根據糧食烘干工藝調控倉內環境參數達到最佳狀態，HMI 為人機交互界面能直觀讓現場人員了解設備運行狀況，GRM200 為遠程數據傳輸終端， 負責現場端與遠程端信息交互，完成現場設備PC 端通信， 基于GrmOpcMgr 開發環境，設計大型烘干機遠程監控界面，實現大型烘干機遠程監控、信息報警、配方遠程下載、歷史報表、故障查詢等。通過試驗驗證，本系統數據實時高效傳輸，各項功能良好，系統穩定運行，以期為大型烘干機組調控智能化、網絡化、模塊化提供理論支撐與技術支持。本項目借助云平臺，提出基于安卓手機對大型烘干機的監控系統，目的在于將物聯網技術與大型烘干機結合，且技術可向其他大型機械復制應用，未來發展前景廣闊[8]。