基于物聯(lián)網(wǎng)的氙燈老化試驗輔助系統(tǒng)

夏參參，靳 暢

（同濟大學 汽車學院，上海 201210）

0 引 言

長時間暴露在光照情況下，汽車零件容易出現(xiàn)變色、開裂、強度降低等質(zhì)量問題，從而直接影響整車廠的銷量，因此通過嚴格的老化耐久試驗來確保每個零件的質(zhì)量對于整車廠來說至關(guān)重要。現(xiàn)階段，整車廠普遍使用氙燈老化箱進行材料的老化試驗，即使用氙燈來模擬太陽光，并通過強化環(huán)境因素使得樣件在氙燈老化箱內(nèi)加速老化，縮短試驗周期[1]。

與其他耐久試驗一樣，氙燈老化試驗一般執(zhí)行1 000 h，試驗周期較長。一方面，試驗工程師迫切地想改變需要定期到試驗現(xiàn)場查看設(shè)備狀態(tài)的現(xiàn)狀，及時修復因故障導致的試驗暫停以及獲取光照能量判斷試驗是否完成；另一方面，維修工程師想改變手工記錄燈源使用壽命來指導維護保養(yǎng)的操作。解決這兩方面的痛點能夠提升試驗效率。

本文通過使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一套針對氙燈老化試驗的輔助系統(tǒng)[2]。該輔助系統(tǒng)在設(shè)備邊緣布置8通道數(shù)采模塊，采集溫度、濕度、光照、運行狀態(tài)，并通過ZigBee將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壎斯た貦C，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理打包后，通過HTTP協(xié)議傳輸?shù)皆贫耍詈笫褂们岸藨?yīng)用Grafana及手機APP實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時可視化展示[3]。同時，通過對采集數(shù)據(jù)的二次計算，并結(jié)合業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)設(shè)備故障及時通知，試驗進度實時掌握，燈源維保計劃合理開展。

1 數(shù)據(jù)采集原理

本文采用設(shè)備層、邊緣層及存儲層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[4]。在設(shè)備層使用DAM模塊采集設(shè)備的模擬量，經(jīng)過數(shù)采采集后，使用ZigBee模塊和RS 485接口將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)[5]，采集腳本通過協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集后形成消息隊列，存儲在緩存數(shù)據(jù)庫Redis[6]中，然后將消息隊列通過HTTP協(xié)議傳輸?shù)较⒅虚g件Kafka，按照訂閱對象分發(fā)數(shù)據(jù)到時序數(shù)據(jù)庫influxDB，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備端到數(shù)據(jù)庫端的傳輸。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化后可被各種應(yīng)用調(diào)用消費，數(shù)據(jù)采集框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集框架

1.1 設(shè)備層

在設(shè)備層，將氙燈老化箱的溫度、濕度以及光照功率作為參數(shù)。通過將氙燈老化箱PLC對應(yīng)的物理線引出輸入到DAM數(shù)采模塊進行數(shù)據(jù)采集，使用誠控電子7082系列數(shù)采模塊實現(xiàn)模擬量輸入，量程選擇4～20 mA電流信號。使用RS 485協(xié)議進行信號輸出，寄存器類型選擇保持寄存器，分配的地址分別是0x0003，0x0004和0x0005，兩臺設(shè)備分配2個站號，即unit1和unit2，波特率選擇38 400 b/s。DAM數(shù)采模塊與ZigBee通過串口RS 485連接，設(shè)備端的ZigBee與邊緣端的ZigBee自組網(wǎng)通過信道22建立局域網(wǎng)[7]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

1.2 邊緣層

邊緣層通過低功耗的ZigBee模塊進行程序采集，腳本使用Python的Pymodbus庫采集數(shù)據(jù)，通過RTU協(xié)議進行交互，地址列表見表1所列。使用ModbusSerialClient與數(shù)采模塊建立連接，獲取原始數(shù)據(jù)[10-11]。

表1 參數(shù)信息

因DAM-7082系列是16位有符號數(shù)，如果是正數(shù)，則第15位為0；如果是負數(shù)，則第15位為1。計算真實值時，需使用下式換算[7]：

式中：Val為實際采集值；Adata為Modbus采集值；Range為通道量程。數(shù)據(jù)處理好后，打包成JSON格式，邊緣端網(wǎng)關(guān)設(shè)置靜態(tài)IP，通過HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。

1.3 存儲層

在存儲層使用消息中間件Kafka和時序數(shù)據(jù)庫influxDB實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)、存儲及調(diào)用。因Kafka是一種高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，可供多個消費者同時消費每秒數(shù)百萬的數(shù)據(jù)信息[8]，常部署在服務(wù)器端接收來自邊緣端生產(chǎn)者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。influxDB數(shù)據(jù)庫可高性能查詢與存儲時序型數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于存儲系統(tǒng)及IoT行業(yè)[9]。將influxDB作為Kafka的訂閱者，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫中。前端應(yīng)用可根據(jù)設(shè)備標簽信息及存儲的字段使用SQL語句查閱展示氙燈老化箱的實時溫度、濕度、光照。

2 數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 試驗數(shù)據(jù)展示

對于實時數(shù)據(jù)的可視化展示可通過Grafana實現(xiàn)，它能很好地對接influxDB數(shù)據(jù)庫中的試驗數(shù)據(jù)[10]。使用時，在Grafana配置中添加數(shù)據(jù)源，選擇influxDB類型，并配置相應(yīng)的URL、賬號密碼，通過測試查看是否與數(shù)據(jù)庫建立連接[11]。

連接成功后，配置相應(yīng)看板。看板主要用到單值、離散圖、曲線圖及表格。配置界面如圖2所示。兩臺設(shè)備配置在一個看板里，設(shè)備采用編號區(qū)分，并在各看板下根據(jù)實際需求調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，最終將字段下的數(shù)據(jù)信息按照時間順序展示。

圖2 看板配置界面

在看板中配置設(shè)備的運行狀態(tài)，溫濕度和光照功率的可視化有助于試驗工程師及時獲取氙燈老化試驗的環(huán)境信息，并且對光照功率進行時間積分，獲得光照累計值，表征樣件的試驗進度。同時，通過繪制曲線可對歷史溫濕度變化進行回溯，驗證試驗過程邊界條件的準確性，最后通過表格工具展示查看設(shè)備的報警信息。

Grafana采用B/S架構(gòu)，用戶可遠程通過瀏覽器登錄訪問，掌握老化箱的實時參數(shù)，查看試驗進度。同時，配置的手機移動端也可實時查看設(shè)備參數(shù)，遠程掌握現(xiàn)場狀態(tài)。

2.2 信息推送

2.2.1 進度

氙燈老化試驗是考察樣件暴露在氙燈下一定時間的耐久試驗，根據(jù)不同的樣件選擇試驗周期時長。通過計算可以獲得實時光照累計值，因此只需知道放入樣件開始的光照值以及任一組樣件需要測試的光照值，即可算得樣件完成試驗時的光照值。當采集計算的光照累計值等于閾值時，將樣件完成試驗的信息推送給試驗工程師，試驗工程師可無間隔差地進行下一步工作，實現(xiàn)試驗的無縫銜接。同時，老化箱支持多批樣件測試，根據(jù)不同批次的樣件放入時間及試驗周期設(shè)置不同的閾值推送，大大提高了氙燈老化箱的試驗效率。

2.2.2 光照時長

輔助系統(tǒng)已經(jīng)采集到氙燈的光照功率，除了計算累計光照外，對氙燈開啟的時間進行累計計算，獲得光照累計時間，可用于氙燈的維護保養(yǎng)建議。按照設(shè)備保養(yǎng)手冊，光源累計使用時間達到400 h時，需要對光源進行計量校準；累計使用時間達到1 000 h時，需要更換燈管。根據(jù)此邏輯，對光照累計時間設(shè)置400 h及1 000 h閾值，計算值達到閾值后推送維護保養(yǎng)策略給維護工程師，進行燈光校準及更換光源，做到主動保養(yǎng)，提高試驗質(zhì)量。

2.2.3 參數(shù)報警

根據(jù)設(shè)備維修手冊以及試驗工程師的工作經(jīng)驗進行邏輯報警設(shè)置：氙燈老化箱艙內(nèi)溫度超過80 ℃報警，光照功率超過（0.55±0.05） W/m2時報警。同時設(shè)置報警接收對象，當輔助系統(tǒng)檢測到如上邏輯時，按照既定的報警策略以短信或郵件的形式推送給相關(guān)試驗人員，使相關(guān)人員及時掌握氙燈老化試驗的運行狀況，從而減少設(shè)備等待時間，提高設(shè)備利用率。

3 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計開發(fā)了一套用于氙燈老化耐久試驗的輔助系統(tǒng)。該輔助系統(tǒng)不僅提高了試驗的效率和質(zhì)量，更具有很強的擴展性。