基于數據挖掘的工業電熔鎂爐云監控系統研究

楊 萍

(西安外事學院，陜西 西安 710077)

隨著計算機與無線數據傳輸技術的不斷發展，工業生產領域的數字化、信息化水平越來越高，工業企業在日常生產過程中會采集到大量的生產數據，如何對這些工業生產數據進行合理化的利用是提高生產效率的關鍵所在[1]。電熔鎂砂的生產流程十分復雜，需要對各個生產環節所生成的數據進行充分的挖掘并以此來指導工業生產參數的調整，充分發揮計算機技術在工業生產領域中的應用價值。

1 系統總體結構設計

本次研究所設計的工業電熔鎂爐云監控系統由監控客戶端模塊、云端數據處理模塊、遠程數據傳輸模塊、底層數據采集模塊四個部分構成。其中底層數據采集模塊負責向遠程數據傳輸模塊上傳系統所采集到的數據，并實現二者之間的數據交互[2]。數據的初步處理則由遠程數據傳輸模塊進行操作，將經過處理的數據上傳至云端數據處理模塊，數據的主要處理工作交由云端數據處理模塊負責實施，再將經過處理的數據上傳至監控客戶端，并進入最終的人工操作階段。

2 系統功能模塊設計

2.1 底層數據采集模塊

對于整個監控系統來說，底層數據采集模塊是最具基礎性地位的功能模塊。電熔鎂爐是數據采集的主要對象，該模塊主要由無線傳輸裝置、PLC控制器和傳感器三個元件所構成。傳感器在采集到數據后，由PLC控制器對數據進行處理并向無線傳輸裝置上傳數據，同時接收并處理來自無線傳輸裝置所下達的指令數據。

在軟件方面，底層數據采集模塊主要由兩部分構成，分別為無線裝置之間的通信程序和無線裝置與PLC控制器之間的通信程序。工業企業所采購的無線傳輸裝置通常內置有專門的通信程序，無須企業自行設計，需要重點解決PLC控制器與無線裝置之間的通信[3]。一般情況下，無線傳輸裝置普遍支持modbus和自由口兩項通信協議，而自由口又很容易受到電磁干擾，因此采用modbus通信協議。出于成本方面的考慮，本次研究采用不帶modubs協議的CP340通信模塊，CP340通信則通過手動編程來實現，這種實現通信的方法雖然比較復雜，但并不會影響到通信效果。

2.2 遠程數據傳輸模塊

遠程數據傳輸模塊由云端數據接收模塊和企業端數據發送模塊兩部分構成。其中企業端數據發送模塊負責向云服務器上傳經由串口所讀取的數據，同時也能夠接收來自云端的數據并將其發送至企業端服務器[4]。由于大多數電熔鎂砂工廠都存在網絡不穩定的問題，因此本次研究所設計的監控系統中融入了事件驅動機制，使系統在網絡中斷后能夠自動重新連接。

為了降低通信延時、避免數據因高速操作而被覆蓋，本次研究通過分布式服務架構Zookeeper來提高企業端服務器與云服務器之間的通信效率。Zookeeper采用與文件系統目錄節點樹相類似的數據存儲方式，以集群化的方式來管理數據。在系統設計過程中，程序員可以將易出錯、處理流程復雜的重要服務通過Zookeeper封閉起來，進而為用戶提供穩定、高效、易用的接口，在此基礎上大幅降低用戶的開發難度。

2.3 云端數據處理模塊

1)移動端APP監控程序對應云端功能

本次研究通過HTTP協議實現移動APP端與云端服務器之間的交互，在移動終端需要顯示數據時可以通過云端讀取數據。在移動APP需要下載數據時則需要向云端發送用戶請求，并在云端進行復雜的優化計算。通過移動智能終端與云平臺技術相融合的方式能夠有效地解決移動終端處理能力不強、硬件資源有限等方面的問題，充分發揮移動終端的遠程監控功能，同時也充分利用了云計算機資源，有效提升了數據處理效率，體現出易擴展、速度快等方面的特點，為用戶提供了穩定、流暢的應用體驗[5]。圖1為移動監控軟件的總體結構。

圖1 移動端軟件結構

2)遠程端Web監控程序對應云端功能

本次研究基于ASP.NET MVC5框架對云端功能模塊進行開發，該框架由表示層、應用程序訪問層和數據訪問層所構成。其中數據訪問層負責提供持久化操作、數據查詢等功能，并將數據資源提供給應用程序服務層。通過Hibernate框架實現ORM映射，通過ORM映射能夠將數據庫字段轉換為對象屬性，通過針對對象的操作實現針對數據庫的操作，可大幅降低數據庫操作難度，使每一張數據庫表均有一個與之對應的對象[6]。用戶在查詢數據庫資料時，可以根據查詢語法進行操作，不需要借由SQL語言來調取數據。

3 監控客戶端功能

3.1 監控客戶端總體功能結構

監控客戶端通過APP功能模塊來實現用戶與云端之間的交互，進而實現針對電熔鎂爐的運程監控。監控客戶端的設計應當盡量全面且精致，幫助用戶通過APP來獲取與電熔鎂爐相關的重要數據，并且在此基礎上來優化電熔鎂爐的運行參數。圖2為監控客戶端的主要功能結構。

圖2 監控客戶端功能結構

3.2 登錄注冊模塊設計

該模塊主要具有車間爐次選擇和登陸注冊兩項功能，用戶在注冊時自行設置賬號和密碼，通過驗證后完成登錄并進入車間爐次選擇界面，界面中的每一個爐子圖標均對應一個車間中實際存在的電熔鎂爐，用戶在點擊爐子圖標后，界面會自動彈出與該爐運行狀態相關的各項數據。

3.3 過程狀態監視模塊設計

用戶通過該模塊可以進入實時趨勢顯示界面、過程參數監視界面以及過程變量監視界面。在過程變量監視界面中，用戶可以通過圖片資訊初步了解熔煉工藝，針對重要的工藝參數進行對比分析，進而判斷出合理的電壓值或三相電流值[7]。在此基礎上還可以實時監控三相變頻器的運行狀態，判斷三相變頻器是否存在故障；在過程參數監視界面中，用戶可以通過文本和圖標來了解工業現場各項參數的具體作用。了解當前狀態下的電熔鎂爐處于手動狀態還是自動狀態，或通過加料工況來判斷是否需要向爐中加料；用戶通過實時趨勢顯示界面能夠獲取三相電流的實時趨勢，該界面可以為用戶提供三相電流曲線圖，幫助用戶了解電熔鎂爐當前的電流控制效果。

3.4控制效果評價指標監視模塊設計

該模塊能夠幫助用戶對電熔鎂爐系統當前的電流控制效果進行判斷，為用戶提供絕對誤差最大值和絕對誤差累計和、超過區間絕對累積以及超過區間最大值等重要的監控指標數據，對比實時數據與標準數據之間的差異，若以上指標在標準值以下，代表電流控制效果良好。在監控軟件中，四個監控指標都有一個相應的信息欄來顯示各指標的實時狀態與指標參考值，通過指示燈的顏色來表示各項指標是否符合標準[8]。每一個信息欄均設置有一個查詢按鈕，在指標數值不符合標準的情況下，用戶在單擊該按鈕后，界面會自動彈出每一項數據的生成時間，用戶可以根據數據生成時間來判斷電熔鎂爐發生故障的時間，便于用戶對爐子出現故障的原因進行分析，并在此基礎上對控制算法進行改進。

4 結 語

新形勢下的工業企業需要進一步提升數據挖掘技術的應用能力，為了實現電熔鎂爐的實時監控，合理優惠數據指標體系，還需要在未來的研究中加強數據算法方面的設計，建立仿真模型，進一步提高數據資源的使用效率，為電熔鎂砂的批量化、高質量生產奠定更加堅實的基礎。