CN103777609A - 粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，由现场监控单元以及粉末成型机制造方远程维护中心组成。车间现场监控平台通过与粉末成型机主控制器实时数据交互以及通过传感器、视频采集设备、音频采集设备等数据采集设备采集车间现场数据获得粉末成型机重要运行状态，在显示设备上显示粉末成型机的实时运行状态、报警提示等功能，同时单元可对粉末成型机的状态参数进行数据压缩和数据分类。单元通过以太网接口、GPRS接口、短信发送模块将数据发送给设备生产方远程维护中心以及粉末成型机某部分设备负责人，实现粉末成型机在线监控以及远程故障诊断和维护服务并通知相关人员。系统成本低、功能齐全、可配置性高、可裁剪性强，可根据粉末成型机现场运行情况扩展或减少功能模块，具有较强的通用性。

Description

粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统

技术领域

本发明属于嵌入式监控、诊断与维护技术，特别是一种针对粉末成型机的嵌入式智能监控与远程维护系统。

背景技术            

目前针对粉末成型机的远程检测、故障诊断和信息维护，主要是在工业现场将粉末成型机故障信息和维护信息用触摸屏予以显示，极少部分是将PLC的数据信号采集发送至工控机以实现监控功能，针对工业装备的智能监控与远程维护，主要是基于PLC作为底层数据信号采集与发送终端，工控机作为上位机实现监控功能，系统或功能单一或结构臃肿，不具备通用性。这种模式不能将粉末成型机运行过程中的视频音频信号采集，无法将制粉末成型机的不参与过程控制的传感器信号作为诊断依据，监控手段单一，监控参数单一，通用性差，监控系统故障诊断分析能力差。

如申请号为CN200980154725.3的发明专利公开了一种能够通过检查安装在远程地点的监控设备的断开和故障而有效监控远程地点的远程监控系统，远程监控系统包括：安装在远程地点并监控远程地点情况，并在发生紧急事件时生成报警信号的远程监控单元；接收来自远程监控单元的报警信号并将接收到的报警信号传输至用户终端的信息管理服务器；以及将远程监控单元连接至信息管理单元的网络。该方案通过无线网络对监控地点的设备进行简单监控，无法进行大批量数据存储，控制手段简单，不能实现复杂监控与诊断。

如申请号CN201020647931.8的发明专利公开了一种空压机远程监控系统，包括多台空压机，其特征在于：还包括远程监控终端，所述远程监控终端上设有两路数据接口，一路数据接口经数据线与所述空压机相连接，以读取空压机运行数据或向空压机发送控制命令，另一路数据接口经数据线与设于中控室的中控主机相连接，以上传空压机监控数据或接收中控主机发来的控制命令，所述远程监控终端上设有触摸屏，以显示空压机监控数据并接收手动操作指令。该方案人机交互模块单一，在应用场合上不够广泛，而且系统不能很好地进行实时数据处理。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式智能监控与远程维护系统，实现粉末成型机运行时工况监测与故障诊断维护功能。系统基于模块化设计，具有可扩展性强，通用性强，功能齐全，集成度高，可满足高速数据的实时性要求。

实现本发明的技术解决方案为: 

一种粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，包括粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元、粉末成型机生产方远程控制维护中心以及与粉末成型机部件负责人的联系网络。粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元与粉末成型机生产方远程控制维护中心以及与粉末成型机部件负责人的联系网络连接；粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元包括嵌入式微处理器、数据采集模块、人机交互模块、数据存储模块、数据采集模块，粉末成型机生产方远程控制维护中心实现粉末成型机系统状态监控、故障诊断、故障趋势预测等功能，粉末成型机部件负责人的联系网络通将粉末成型机各个部分负责人联成一短信网络；粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元通过数据采集模块采集粉末成型机工作现场的数据，包括粉末成型机的温度、位置、速度、加速度、压力等信息，并将信息进行前期处理，再将信息分布通过GPRS网络、以太网口、短信网络发送给粉末成型机生产方远程控制维护中心以及粉末成型机相关部件负责人。

粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元中，嵌入式监控与维护单元中的微控制器为ARM9微控制器，ARM9微控制器采用Cortex-M3内核的S3C2410芯片；ARM9微控制器分别通过RS485与PLC数据采集模块、视频信息采集模块、音频信息采集模块、ZigBee无线数据采集模块通讯；ARM9处理器运行裁剪后的Linux操作系统以完成系统外围接口的信息传输以及对粉末成型机现场运行数据进行信息压缩处理。

粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元的ZigBee无线采集系统，粉末成型机中的回转部件或是密封部件不易于传感器布线，采用无线ZigBee网络，在ZigBee节点需监控的区域内，各节点自主形成监控网络，每个传感终端节点搜集相应监控信息。ZigBee无线数据采集模块由ZigBee节点 、ZigBee无线汇聚节点，组成星型网络。ZigBee节点即ZigBee子节点以及与之相连的信号采集传感器。监控信息经嵌入式处理单元处理后经GPRS发送至相应的监控终端。

粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元把粉末成型机运行信息通过GPRS骨干网发送至Internet服务器，粉末成型机生产方远程控制维护中心通过访问Internet服务器将运行信息进行处理，提供粉末成型机故障诊断与故障预测数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)本系统在粉末成型机运行现场能够进行实时、稳定、全方位的监控；（2）在粉末成型机监控领域，将现场监控与远程监控相结合，监控更全面，获取监控信息的渠道更多；（3）在粉末成型机监控领域，将ZigBee与传感器相结合，避免了回转部件、密封部件上传感器布线困难的问题；（4）系统使用Cortex-M3内核的微处理器，搭载Linux操作系统，低功耗、低成本、易于使用，基本满足工业现场所有数据的实时处理需求；（5）在粉末成型机监控领域，构建了故障短信报警模块，将设备生产方、设备使用方、设备维修方的责任人通过GSM短信网络联系在一起，提高了粉末成型机故障恢复效率；（6）系统集成化程度高，采用模块化设计的方法，系统可配置性高，通用性强；（7）采用故障树与神经网络相结合的方法对粉末成型机进行故障诊断，诊断效率高，故障定位准确。

附图说明

图1为本发明的嵌入式智能监控与远程维护系统总体构成示意图。

图2为本发明的嵌入式智能监控与维护单元硬件结构设计示意图。

图3为本发明的短信报警模块示意图。

图4为本发明的ZigBee无线数据采集网络示意图。

图5为本发明的嵌入式系统软件设计总体框图。

图6为本发明的远程监控维护单元的设计方案图。

图7为本发明的系统故障诊断的程序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图l，说明嵌入式智能监控与远程维护系统总体构成：本发明基于B/S模式的网络结构模型，主要由三部分组成，嵌入式监控与维护单元1、粉末成型机生产方远程控制维护中心2以及与粉末成型机部件负责人的联系网络3。其中，嵌入式监控与维护单元1通过数据采集模块5采集PLC的状态参数及软元件信息、粉末成型机现场图片信息、运行现场声音信号，通过ZigBee收发模块15采集曲轴应力、油箱温度、主滑块压力、伺服模架压力等信息，通过无线传输的方式，克服了旋转部件、密封部件布置传感器不便的劣势。嵌入式监控与维护单元1将处理的数据通过GPRS无线传输发送给粉末成型机生产方远程控制维护中心2，远程控制维护中心2对粉末成型机故障进行分析，生成粉末成型机状态维护报告，回传给嵌入式监控与维护单元1，并将故障数据通过短信发送模块发送至相应部件负责人，在第一时间进行故障恢复。

结合图l，说明粉末成型机远程控制维护中心2：粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元1把粉末成型机运行信息通过GPRS骨干网发送至Internet服务器，粉末成型机生产方远程控制维护中心通过访问Internet服务器读取粉末成型机实时运行数据，并将数据存入粉末成型机运行历史数据库；远程控制维护中心2将运行信息与历史数据库中信息进行比对，采用故障树和BP神经网络相结合的方法对故障进行分类和诊断。

结合图2，说明嵌入式智能监控与维护单元1：嵌入式智能监控与维护单元1包括微处理器4、数据收发模块7、数据采集模块5、人机交互模块6和其他模块30。嵌入式智能监控与维护单元1采集粉末成型机工作现场图像、音频数据、PLC数据（系统参数、开关状态和内部数据），获得ZigBee收发模块15发送来的传感器检测信息（曲轴应力、油箱温度等）。嵌入式单元1对采集的数据进行数据分类和数据压缩，根据PLC开关数据简单判定机器运行状态对其进行评估，并在显示器上显示粉末成型机实时运行状态。

嵌入式智能监控与维护单元1需对粉末成型机现场信息进行采集处理，单元选用基于Cortex-M3内核的S3C2410芯片，S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，该芯片集成了大量功能单元，具有强大的系统管理功能，主频高达266MHz，满足粉末成型机现场的数据处理需求。通过对原始数据进行分析，对采集的数据采用紧凑编码方式，减少了数据存储空间，并对采集的状态监测数据进行压缩，加快数据传输速度，减少数据流量计费以及降低数据存储空间。

数据收发模块7包括GPRS无线传输模块8、以太网模块17、短信报警模块18，将嵌入式智能监控与维护单元采集处理的信息发送至远程控制维护中心2和相关负责人联系网络3。

数据采集模块5中USB摄像头、PLC通讯板、音频采集芯片、ZigBee数据采集模块分别采集粉末成型机现场图片、PLC参数、音频以及其他传感器信息。

嵌入式单元1通过PLC通讯板RS485接口与粉末成型机主控制器通讯，读取、更改主控制器状态及数据块信息，实现粉末成型机工业现场的监视与控制。嵌入式单元在布局上成为粉末成型机主控制器的冗余设备，在主控制器故障时可对粉末成型机进行紧急操作，提高了粉末成型机控制系统的可靠性。同时，嵌入式单元提供了丰富的扩展接口，大大提高了控制系统的可扩展性。

人机交互模块6包括矩阵键盘31、按钮开关32、液晶显示屏33和触控屏34，满足单元人机交互6的需求。S3C2410A中有内置的LCD控制器，它具有将显示缓存（位于SDRAM存储器）中的LCD图像传输到外部的LCD驱动电路上的逻辑功能。触控屏附着在显示屏表面，配合显示屏使用，嵌入式单元上采用电阻式触控屏，触控屏直接与S3C2410A外部晶体管控制器相连，由CPU中断逻辑和ADC逻辑控制。

其他模块30包括电源模块35、JTAG调试模块36、存储模块37等。

结合图3，说明短信报警模块18：嵌入式智能监控与维护单元1借助于GSM网络，使用短信报警模块将设定的粉末成型机报警信息发送给相应的责任人，实现报警信息第一时间通知到位。责任人包括生产方负责人（机械、电气、液压），使用方负责人、维修方负责人等。短信报警模块包含多个通道（通道可扩充），一个通道表示一种报警信息，一种报警信息对应与此报警信息相关的三方负责人。当此机械某部件报警，短信报警模块自动通过GSM网络将设置好的短信信息发送至相关责任人。

短信报警模块18由AT89S52单片机模块38、电源模块39、GSM模块40及高精度AD转换模块41组成。GSM模块用芯讯通（SIMCom）公司生产的SIM900A，是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构，性能强大，支持AT指令。GSM MODEM与单片机之间采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分别为发送、接收端，与单片机的PA6、PA7连接。高精度AD转换模块采用CS5532高精度AD转换芯片，其差动输入方式简化了与外围电路的连接。AD转换模块接收来自嵌入式智能监控与维护单元1的报警电平信号，一个通道表示一种故障类别，单片机识别相信的报警信息，电平在0-0.5V是正常状态，在0.5V-1.0V为可能故障，大于1.0V表示已故障，单片机通由GSM模块发送至相应责任人。

结合图4，说明ZigBee无线数据采集网络：粉末成型机中的回转部件或是密封部件不易于传感器布线，采用无线ZigBee网络，在ZigBee节点需监控的区域内，各节点自主形成监控网络，每个传感终端节点搜集相应监控信息。ZigBee无线数据采集模块由ZigBee无线汇聚节点、ZigBee节点，组成星型网络。

ZigBee终端设备即ZigBee子节点与信号采集传感器相连，采集需要监控的信息。ZigBee无线传感器节点采用STM32微控制芯片STM32VET6与Chipcon公司的射频收发芯片CC2420相组合的方案。无线射频模块以射频模式接收和发送 数据通过SPI接口与微控制器STM32交换数据，STM32工作在SPI主模式下，CC2420射频模块工作在从模式下，由处理器STM32进行有效地收发数据。ZigBee网无线汇聚节点即嵌入式智能监控与维护单元，嵌入式智能监控与维护单元通过CC2420接收来自ZigBee子节点的射频信号。

结合图5，说明系统软件设计：嵌入式智能监控与维护单元1软件包括引导加载程序、操作系统内核、设备驱动程序和应用程序。加载引导程序Bootloader是Linux系统的启动boot程序，文件系统采用cramfs不可写文件存储系统和jffs2可读写系统，从而既可使系统文件得到可靠保护，又方便采集数据的存储；操作系统通过驱动来驾驭外部设备，包括GPIO驱动、USB驱动、IIS驱动、LCD驱动、串口驱动和以太网口驱动；PPP拨号脚本文件用于建立点对点连接，进行IP数据包的传输；应用层程序用于实现特定的软件功能。本系统软件实现对引导加载程序和操作系统内核的定制、裁剪，驱动程序和应用程序用C语言编写，实现底层设备的通讯、人机交互、数据采集和粉末成型机简单的报警评估。

实时操作系统采用目前应用最广泛的免费操作系统Linux，基于Linux内核实现粉末成型机现场控制单元的任务的多线程处理，采用中断的方式实现进程间的切换。在线程任务的划分中，给任务线程排序，优先保证实时性要求高的任务优先执行。

结合图6，说明远程监控维护中心：远程监控维护中心由系统状态监控模块、系统故障诊断模块、工艺参数设定模块三部分组成。系统状态监控模块用于显示粉末成型机主控PLC状态信息以及安装在粉末成型机各个部位的温度、压力、位置以及加速度等传感器信息；工艺参数设定模块实现对不同粉末冶金品的不同工艺参数的录入和修改。

结合图7，说明系统故障诊断模块：粉末成型机的控制系统庞大、复杂，一旦出现事故则可能会造成人员和财产的巨大损失，故障诊断模块用于及时识别粉末成型机运行状态，根据状态监测得到的特征参数变化情况，判断设备是否正常，若发生故障，分析其故障状态。系统故障诊断模块将通过嵌入式智能监控单元采集到的粉末成型机实时运行数据与粉末成型机数据库历史运行信息进行比对，根据专家先验知识，对于已分类过的故障采用故障树法进行故障划分，确定相应故障，对于未分类过的故障，系统故障诊断模块基于神经网络法方法与专家知识相结合的方法，对故障知识进行学习，学习完成后将新故障录入故障库。

Claims (6)

1.一种粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：由粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元[1]、粉末成型机生产方远程控制维护中心[2]以及与粉末成型机部件负责人的短信联系网络[3]连接成星形网络；粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元[1]包括嵌入式微处理器[4]、数据采集模块[5]、人机交互模块[6]和数据收发模块[7]，各个模块通过相应的接口分别与微处理器[4]相连，粉末成型机生产方远程控制维护中心[2]实现粉末成型机系统状态监控、系统故障诊断和工艺参数设定功能，粉末成型机部件负责人的短信联系网络[3]将粉末成型机各个部分负责人连成一短信网络，发送短信及时自动告知相应人员设备运行情况；粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元[1]通过数据采集模块[5]采集粉末成型机工作现场的数据，包括粉末成型机的温度、位置、速度、加速度、压力信息，并将信息进行压缩分类，再将信息分布通过GPRS网络、短信发送给粉末成型机生产方远程控制维护中心[2]以及粉末成型机相关部件负责人。

2.根据权利1所述的粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元[1]中，微处理器[4]为ARM9微控制器，运行裁剪后的Linux操作系统以完成系统外围接口的信息传输以及对粉末成型机现场运行状态信息按照模拟量、开关量进行分类，并对开关量数据采用BS_PLOT算法进行压缩处理；数据采集模块[5]包括USB图像采集模块[13]、音频信号采集模块[14]、ZigBee收发模块[15]和PLC远程通讯模块[16]，分别采集粉末成型机工作现场图像、音频、曲轴应力、主控制器PLC状态信息；数据收发模块[7]包括GPRS无线传输模块[8]、以太网模块[17]和短信报警模块[18]，微处理器[4]通过数据收发模块完成与远程控制维护中心[2]、部件负责人短信联系网络[3]的通信；人机交互模块[6]包括矩阵键盘、按钮开关、液晶显示屏和触摸屏，实现人机交互功能。

3.根据权利1所述的粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：粉末成型机生产方远程控制维护中心[2]由服务器[19]、数据库[20]、远程客户端[21]、打印机[22]、防火墙[23]和路由[24]组成，防火墙[23]、路由[24]将远程控制维护中心[2]接入因特网，服务器[19]将远程控制维护中心[2]所有硬件设备连在一起，调用数据库[20]专家先验知识，完成系统故障诊断和工艺参数设定功能，打印机[22]用于打印故障数据或工艺参数，远程客户端[21]调用数据库[20]数据，实时显示粉末成型机状态信息，实现系统状态监控；其中系统故障诊断即用故障树法和神经网络法相结合的方式对粉末成型机进行故障诊断；工艺参数设定即设置粉末成型机工艺数据。

4.根据权利1或2所述的粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：所述数据采集模块[5]中，ZigBee收发模块[15]由ZigBee无线汇聚节点[28]、ZigBee节点[29]组成星型网络，ZigBee无线汇聚节点[28]接收ZigBee节点[29]采集的粉末成型机曲轴、密封部位的传感器状态，并通过ZigBee无线汇聚节点[28]将采集的状态数据发送给微处理器[4]处理。

5.根据权利1或2所述的粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：所述短信报警模块[18]，接收来自于粉末成型机现场嵌入式监控与维护单元[1]的报警信息，并将报警信息生成报警短信；短信报警模块[18]包含多个通道，一个通道表示一种报警信息，当此机械某部件报警，短信报警模块[18]自动生成故障报警短信。

6.根据权利1或3所述的粉末成型机嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：粉末成型机生产方远程维护中心[2]中系统故障诊断功能分为两个工作模式，为故障判断模式和故障学习模式；在故障判断模式下，对嵌入式监控与维护单元[1]采集并处理的粉末成型机实时运行状态采用故障树法进行故障识别和定位；在故障学习模式下，对嵌入式监控与维护单元[1]发送的故障状态进行神经网络学习，学习完成后增添相应故障数据。

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