CN101782755B

CN101782755B - 混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统

Info

Publication number: CN101782755B
Application number: CN 201010017904
Authority: CN
Inventors: 陆宝春; 张登峰; 王茂森; 张卫; 李刚; 盛国良; 姚佳烽
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN101782755A

Abstract

本发明公开了一种混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，本发明基于B/S模式的网络功能结构模型，它是由现场各种信号采集模块、嵌入式监控与维护单元、远程监控诊断与维护中心三部分组成，包括ARM9主处理器，DSP从处理器，以太网模块、USB摄像头模块、RS-232/RS-485电平转换模块、数据存储模块、程序存储模块、视频信息模块、音频信息模块、HPI总线、CPLD逻辑控制器模块、本地工控机、远程服务器。本发明具有成本低、可移植性强、可配置性高、功能齐全、系统小巧、模块化设计、能够满足高速数据的实时性要求。

Description

混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统

技术领域

本发明属于生产线的远程诊断、监控与维护技术，特别是一种混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统。

背景技术

目前针对混凝土砌块成型生产线的的远程监测、诊断和维护，主要是基于PLC作为底层数据信号采集与发送，这种模式无法采集现场视声信号和其它不通过PLC控制的信号，造成监控中心无法通过多角度直观的对异地现场进行监控，而且系统的专用性太强，可移植性差，功能单一，且对于监控系统的安装有一定要求。导致使用范围有一定局限性。另外，不能实现实现信号采集的多元化，更好的提高监控诊断系统的监控和分析能力。

如专利号为200720100195.2的实用新型专利公开了一种石化码头消防自动化监控系统。采用的是分布式集散控制系统，由调度中心和码头前沿的控制分站两级组成；其中设有控制主站(采用西门子S7 300PLC)，分站采用分布式远程I/O(西门子ET200M)，调度中心设有2台工控机作为监控主站；各站通过多模光纤首尾相连，同时各控制分站的数据采集模块连接设置在监控现场的监测仪表(如压力变送器、液位计等)与之配合的消防管路系统：调度中心的中心计算机控制消防泵、电动阀门、消防炮等设备。该专利主要有如下两个问题：1.无法采集现场视声信号和其它不通过PLC控制的信号；2.以太网传输过程拥堵，不能很好地进行实时数据采集与处理。

如专利号200710175390.6发明专利公开了一种工程机械远程监控系统，它包括：ARM控制器、数据存储器、GSM/GPRS无线通讯模块、GPS卫星定位模块、总线控制器、执行机构、信号采集装置和壳体；GPS卫星定位模块和ARM控制器相连；GSM/GPRS双模式无线通讯模块与ARM控制器相连；ARM控制器的A/D信号采集装置与工程机械的若干传感器相连接；ARM控制器通过接口电路和CAN总线接口电路与所述执行机构的受控端相连，执行机构的控制端与工程机械车辆上的相关被控设备相连。该专利在系统架构与可配置性上具有明显优势，但是该系统没有用于视频采集与音频采集处理的模块，在应用场合上不够宽泛，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混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，具有成本低、可移植性强、可配置性高、功能齐全、系统小巧、模块化设计、能够满足高速数据的实时性要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，该系统基于B/S模式的网络功能结构，现场信号采集模块与嵌入式监控与维护单元连接，嵌入式监控与维护单元和远程监控诊断与维护中心连接，现场信号采集模块包括视频信息模块、音频信息模块、可编程控制器PLC，视频信息模块中包括USB摄像头，嵌入式监控与维护单元包括ARM9主处理器、DSP从处理器、以太网模块、RS-232/RS-485电平转换模块、数据存储模块、程序存储模块、HPI总线、复杂可编程逻辑器件CPLD逻辑控制器，远程监控诊断与维护中心包括远程服务器，该系统还包括本地工控机、交换机、PLC远程通信模块；工业现场的数字、现场信号采集模块采集到的传感器信号直接传输到可编程控制器PLC，之后PLC远程通信模块与嵌入式监控与维护单元通过RS-232/RS-485电平转换模块连接交互数据，音频信息模块和视频信息模块分别与DSP从处理器连接，对采集的音频信号与视频信号进行处理，所得的信息通过HPI总线与ARM9主处理器之间进行传输，程序存储模块、数据存储模块分别与ARM9主处理器和DSP从处理器连接，进行程序运行、数据存储，CPLD逻辑控制器、程序存储模块和DSP从处理器连接，控制程序运行逻辑，ARM9主处理器与本地工控机通过以太网模块相连，对现场信号采集模块采集的信息进行评估预测并显示在本地工控机上，以太网模块与交换机相连，远程服务器通过其网络接口与交换机相连，进而嵌入式监控与维护单元与远程监控诊断与维护中心的信息实现交互。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本系统能实现在现场、远程进行全方位的集成监控、诊断与维护；(2)系统有高端的ARM9主处理器与高速的DSP从处理器基本满足工业现场所有信号的提取、处理，能够满足数据的实时行要求；(3)单元达到集成化、模块化要求，功能齐全，可配置性高；(4)系统的嵌入式监控单元采用可移植性强、效率高、可裁剪的嵌入式Linux操作系统；(5)系统成本低，应用面广，便于安装。

附图说明

图1为本发明的嵌入式集成监控与维护系统总体构成示意图。

图2为本发明的嵌入式监控与维护单元结构设计示意图。

图3为本发明软件设计结构图。

图4为本发明远程监控诊断与维护中心组态软件实现流程图。

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1，基于嵌入式集成监控与维护系统的总体构成设计如图1所示，本发明混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，该系统基于B/S模式的网络功能结构，现场信号采集模块与嵌入式监控与维护单元连接，嵌入式监控与维护单元和远程监控诊断与维护中心连接，嵌入式监控与维护单元，一方面能实现对其它多种信息的采集、压缩、传输，实现信息多元化；另一方面，它取代了由PLC构成的控制系统中的现场上位机，提供了包括工业生产中各种常用接口、现场分析、现场初步智能诊断等在内的多方面服务，为系统的整体集成化奠定了基础。现场信号采集模块包括视频信息模块、音频信息模块、可编程控制器PLC，视频信息模块中包括USB摄像头，嵌入式监控与维护单元包括ARM9主处理器、DSP从处理器、以太网模块、RS-232/RS-S485电平转换模块、数据存储模块、程序存储模块、HPI总线、复杂可编程逻辑器件CPLD逻辑控制器，远程监控诊断与维护中心包括远程服务器，该系统还包括本地工控机、交换机、PLC远程通信模块；工业现场的数字、现场信号采集模块采集到的传感器信号直接传输到可编程控制器PLC，现场各种信号采集模块中的现场信号有数字信号、模拟信号、音频信号、视频信号构成，之后PLC远程通信模块与嵌入式监控与维护单元通过RS-232/RS-485电平转换模块连接交互数据，音频信息模块和视频信息模块分别与DSP从处理器连接，对采集的音频信号与视频信号进行处理，所得的信息通过HPI(主机并行接口Host ParrallelInterface)总线与ARM9主处理器之间进行传输，程序存储模块、数据存储模块分别与ARM9主处理器和DSP从处理器连接，进行程序运行、数据存储，CPLD逻辑控制器、程序存储模块和DSP从处理器连接，控制程序运行逻辑，ARM9主处理器与本地工控机通过以太网模块相连，对现场信号采集模块采集的信息进行评估预测并显示在本地工控机上，以太网模块与交换机相连，远程服务器通过其网络接口与交换机相连，进而嵌入式监控与维护单元与远程监控诊断与维护中心的信息实现交互。

嵌入式监控与维护单元的ARM9主处理器通过嵌入式实时裁剪的Linux操作系统程序控制、管理系统资源对DSP从处理器传输过来的数据信息进行预评估和预测，显示在局域网中的本地工控机上，防止混凝土砌块成型生产线出现不可修复的故障。同时，还通过以太网接口向上把打好包的数据与远程监控、诊断与维护中心实现交互。

远程监控诊断与维护中心可以通过浏览现场设备的运行状况，同时对混凝土砌块成型生产线运用智能技术诊断，从而回传智能诊断报告。

系统自身带有丰富的存储接口，可以外扩大容量储存器来增强信息存储容量，方便音频、视频等大数据量信息处理。所有模块可以通过选择来实现系统的配置。

本发明混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，所述嵌入式监控与维护单元采用主从处理器架构，ARM9主处理器运行Linux操作系统完成系统外围接口管理及以太网和RS-232信息传输，DSP从处理器处理高速数据并与ARM9主处理器通过HPI总线进行实时数据的传输。

本发明混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，USB摄像头采集的视频信号和音频信息模块采集的音频信号输入到DSP从处理器并进行处理、信息融合，所得信息经过MPEG-4压缩算法压缩编码后存储并传输到ARM9主处理器。

本发明混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，ARM9主处理器采用的芯片型号为：LPC3180，DSP从处理器采用的芯片型号为：TMS320C6454。

结合图1，说明现场设备运行参数和状态信息采集：嵌入式监控与维护单元通过工业上普遍使用的Modbus网络协议与PLC远程通信模块相连，并通过读取PLC内部的专用寄存器来实现对设备运行参数和状态信息的读写。当嵌入式监控与维护单元对现场设备故障作出智能诊断后，进而操作控制PLC。

结合图1，说明视频、音频信号采集：视频信号采集由一组USB摄像头完成。音频信号由音频输入模块采集到嵌入式监控与维护单元中。由于混凝土砌块成型生产线系统较为庞大，需对整个生产现场各个关键部位都能进行拍摄，现场设备的噪声进行采集。其中主要是砌块成型主机的模箱位置、子母窑车在升降板机内所处的上下限位位置、子母窑车轨道有无破损状况、子母窑车进入窑位的运行状态、砌块成型主机的振动噪声、搅拌机的运行噪声。

结合图1，说明嵌入式集成监控与维护单元：该单元为本嵌入式集成监控与维护系统的关键，主要功能是对砌块成型生产线的性能状况进行预先评估和预测，防止意外不可修复故障出现，实现砌块成型生产线的终端检测维护，并可以在本地工控机上监控，报警，故障排除。同时还通过其以太网络及时与远程监控诊断与维护中心进行信息交互，实现砌块成型设备的“网络化”。而多家的砌块成型生产线都可以通过网络连接到交换机上，形成星形网络。从而链接到远程监控诊断与维护中心。嵌入式集成监控与维护单元内嵌入TCP/IP协议，并加入智能控制技术，能进行砌块成型生产线的初步诊断。该单元向下采集由PLC传输过来的各个现场传感器状态信号和视、音频信号；向上则将采集到的各类信号压缩打包传输至远程监控、诊断与维护中心。因此，该单元扮演着服务器和客户端。对于砌块成型生产线来说，它需要为多个现场设备提供在线维护服务，因此它就是服务器；而对远程监控、诊断与维护中心来说，本单元要将压缩编码好的数据通过IP包的形式传送给它远程服务器，所以又有客户端的角色。

结合图1，说明远程监控诊断与维护中心：远程监控诊断与维护中心有Web服务器、数据库服务器、备份服务器组成，它是处于系统的最高层，通过以太网与多个异地的嵌入式集成监控与维护单元交互数据。拥有状态监控、故障数据库和智能诊断报告功能。因为它采用B/S(Browser/Server)构架的组态软件，所以可以浏览任何一条砌块成型生产线的运行状态。运用故障数据库做匹配、推断，从而得出智能诊断报告，进而增加故障源来增强诊断的准确性与可靠性。最后回传诊断报告给现场，以便现场人员做出决策。

结合图2，说明嵌入式监控与维护单元的实现：本单元是一种ARM9主处理器+DSP从处理器的架构。主处理器采用飞利浦(Philips)公司的32位高性能和低功视频信息模块ARM9，芯片型号为LPC3180。从处理器采用高速高性能定点的DSP，芯片型号为TMS320C6454。ARM9作为主处理器，实现操作系统程序控制、完成系统管理及网络传输；ARM9主处理器完成初步智能诊断，本地工业控制机的通信和与远程监控诊断与维护中心的数据交换。DSP作为从处理器，主要实现砌块成型生产线现场设备视频、音频信号采集与压缩编码等预处理，ARM9主处理器与DSP从处理器传输控制和数据信息进行处理，采用这种结构后，能充分利用ARM和DSP各自的特点，，使系统的整体性能达到极致。

结合图2，说明嵌入式监控与维护单元的DSP从处理器：从处理器是基于DSP的系统具有卓越的信号处理功能和很好的实时性，能够快速地实现各种所需数值信号处理算法.。DSP从处理器由CPLD逻辑控制器实现它的逻辑控制去完成视频信号、音频信号处理与存储。从处理器完成视频、音频信号采集，并运用MPEG-4压缩算法进行处理后传输、保存。同时CPLD逻辑控制器控制着程序的运行。DSP从处理器与ARM9主处理器通过HPI总线进行实时数据的传输。

结合图2，说明嵌入式监控与维护单元的ARM9从处理器：ARM9通过RS-232/RS-485电平转换模块运用Modbus网络通信协议连接到PLC远程模块，实时读写PLC采集到现场设备的状态信息。ARM9主处理器对所有传输过来砌块成型生产线的信息在嵌入式实时操作系统Linux的管理下进行预评估和预测，显示在局域网中的本地工控机上。同时，还通过以太网接口发送打好包的数据到远程监控诊断与维护中心。

结合图2，说明RS-232/RS-485电平转换模块：嵌入式集成监控与维护单元在生产现场与PLC可能距离比较远，，利用嵌入式集成监控与维护单元自身RS-232接口与PLC相连。需要首先在硬件上进行电平转换成RS-485形式后传输。由于RS-485总线的抗干扰能力远远由于RS-232 总线，Modbus协议是主从式查询方式工作的，而PLC很多支持Modbus网络通信协议的，所以要在ARM9主处理器上通过Linux操作系统对该通信协议进行开发，使其具有Modbus通信API。保证其具有通信口打开和关闭、配置和查询Modus通信资源、监视通信特定事件以及读写操作等基本功能。要读取PLC传输到远程模块上数据，，程序只需调用相应的API便可以完成工作：。

结合图3，说明系统软件设计：软件系统是由底层硬件驱动、嵌入式操作系统和上层应用程序组成的。ARM9主处理器采用采用源码开放、效率高、可裁剪的嵌入式Linux操作系统。底层驱动连接硬件，负责硬件的初始化、功能配置、建立内存空间映射，从而为系统的软硬件环境创造一个良好的环境。Linux嵌入式操作系统的API(应用编程接口)函数将底层硬件与上层应用程序分开，将所有底层功能打包成相应的应用函数供上层应用程序调用。本系统要完成底层硬件驱动程序、设备驱动接口、网络通信协议、多任务系统内核的移植与编写。

结合图3，说明嵌入式监控与维护单元与远程监控诊断与维护中心之间的通信：嵌入式监控与维护单元通过以太网实现与远端PC的通信，通过给远程监控诊断与维护中心的计算机分配一个固定的IP地址，并向此IP地址发出连接请求。嵌入式监控与维护单元侦听到此连接请求后同意建立连接，便可与远端PC进行通信。

结合图3，说明HPI总线，该总线接口是一个16bit的Intel类型的外部接口。该HPI接口将DSP从处理器压缩好的MPEG-4视频信号通过HPI接口进传输进入ARM9主处理器。从而实现了主从处理器之间的实时高速通信。

结合图3，说明TCP/IP协议栈的移植，由于不同的协议栈应用的范围及实现条件有所不同，因此选择合适的开源协议栈，对网络功能的实现来说也很重要，而且有利于保证网络传输的通畅性。本系统选用LWIP做为系统的TCP/IP协议栈。LWIP议栈在设计时就考虑到了移植问题，已把所有与硬件、操作系统、编译器相关的部分独立出来，以方便进行移植。

结合图4，说明远程监控、诊断与维护中心上层应用程序采用B/S(Browser/Server)构架的组态形式的设计原理，方便用户使用提高系统可移植性和二次开发性。组态软件包括两大部分：软件的开发平台和运行平台。软件的开发平台主要作用是：开发混凝土砌块成型生产线工艺流程画面，参数配置，实时数据存取、历史参数查询、生成智能诊断报告等。软件的运行平台主要作用是：将开发的混凝土砌块成型生产线的组态画面和脚本借助于运行平台嵌入运行，实时传递数据，从而实现生产线的远程监控诊断与维护技术。

Claims

1.一种混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：该系统基于B/S模式的网络功能结构，现场信号采集模块与嵌入式监控与维护单元连接，嵌入式监控与维护单元和远程监控诊断与维护中心连接，现场信号采集模块包括视频信息模块、音频信息模块、可编程控制器PLC，视频信息模块中包括USB摄像头，嵌入式监控与维护单元包括ARM9主处理器、DSP从处理器、以太网模块、RS-232/RS-485电平转换模块、数据存储模块、程序存储模块、HPI总线、复杂可编程逻辑器件CPLD逻辑控制器，远程监控诊断与维护中心包括远程服务器，该系统还包括本地工控机、交换机、PLC远程通信模块；现场信号采集模块采集到的传感器信号直接传输到可编程控制器PLC，之后PLC远程通信模块与嵌入式监控与维护单元通过RS-232/RS-485电平转换模块连接交互数据，音频信息模块和视频信息模块分别与DSP从处理器连接，对采集的音频信号与视频信号进行处理，所得的信息通过HPI总线与ARM9主处理器之间进行传输，程序存储模块、数据存储模块分别与ARM9主处理器和DSP从处理器连接，进行程序运行、数据存储，CPLD逻辑控制器分别与程序存储模块、DSP从处理器连接，控制程序运行逻辑，ARM9主处理器与本地工控机通过以太网模块相连，对现场信号采集模块采集的信息进行评估预测并显示在本地工控机上，以太网模块与交换机相连，远程服务器通过其网络接口与交换机相连，进而嵌入式监控与维护单元与远程监控诊断与维护中心的信息实现交互。

2.根据权利要求1所述的混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：嵌入式监控与维护单元的操作系统采用裁剪后的嵌入式Linux操作系统。

3.根据权利要求1所述的混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：嵌入式监控与维护单元采用主从处理器架构，ARM9主处理器运行Linux操作系统完成系统外围接口管理及以太网和串行通讯端口RS-232信息传输，DSP从处理器处理高速数据并与ARM9主处理器通过HPI总线进行实时数据的传输。

4.根据权利要求1所述的混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：USB摄像头采集的视频信号和音频信息模块采集的音频信号输入到DSP从处理器并进行处理、信息融合，所得信息经过MPEG-4压缩算法压缩编码后存储并传输到ARM9主处理器。

5.根据权利要求1所述的混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：嵌入式监控与维护单元、远程监控诊断与维护中心通过以太网连接到交换机组成星形网络。

6.根据权利要求1所述的混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：ARM9主处理器采用的芯片型号为：LPC3180，DSP从处理器采用的芯片型号为：TMS320C6454。

7.根据权利要求1所述的混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：远程监控诊断与维护中心浏览设备运行状况，得出智能诊断报告并回传给现场。

8.根据权利要求1所述的混凝土砌块成型生产线的嵌入式集成监控与维护系统，其特征在于：远程服务器有Web服务器、数据库服务器、备份服务器，应用程序采用B/S构架的组态软件的形式。