CN102375437A - 基于ieee802.15.4协议和plc的无线生产过程数据采集和传输的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置和方法，该装置包括并列设置的由传感器、可编程控制器(PLC)、无线数据分布采集器构成的多个分布节点和与分布节点无线网络连接的由无线网关和上位计算机构成的主控节点。本发明提供了一种生产过程数据无线传输方法，选用合适的无线网络；设备端数据处理机处理数据，通过无线网络通讯；数据库服务器通接收无线指令，并发出回应指令；均使用重发和应答方法和错误检测方法。本发明可实现在工业生产中过程数据传输的高实时性，集中监控和远程控制，降低成本，高可靠性，易用性。

Description

基于IEEE802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置和方法

技术领域

本发明涉及工业控制和数据通讯领域，具体的说涉及一种基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置和方法。 

背景技术

在工业控制领域，可编程控制器(PLC)已经得到了普遍的应用，在各种生产设备中，已经作为核心的控制部件；另外各种传感器的应用使得在生产过程中的产品质量控制，有了进一步的保证。但是随着计算机软件技术的发展，特别在一些对质量要求严格的行业，例如汽车制造、军工制造、航空航天领域，生产企业希望通过过程数据能录入计算机中央数据库系统，并可对数据进行进一步分析、统计，以科学地方式优化产品质量，另一方面也希望通过数据库系统，可以分别对每一件产品的过程数据进行可追溯管理。另外对于生产过程中，企业的管理者也更希望，生产设备状态能进行集中式的监控，和对设备远程控制，以适应集中管理的需要。 

目前工业控制行业通过以下方式进行过程数据采集和数据库录入，以及集中监控和远程管理。 

1.数据的采集在同设备上完成，不使用网络，数据保存在本地，然后人工通过可移动存储介质，定期将数据上传至数据库中央服务器。缺点是实时性差，操作繁琐；这种方式无法进行集中监控和远程管理。 

2.以太网、RS485总线、CAN总线等有线组网方式，将数据实时上传至数据库中央服务器。其中以太网的传输带宽很高，但需要工业控制计算机的支持，故成本、占用空间、故障率会所有欠缺，目前以太网一般为树形拓扑结构，某段数据线路或某个数据设备的损坏，都可能会导致部分或全部的系统瘫痪。另外所有这几种有线组网的方法，均存在布线成本高的问题，由于生产场地中设备密集，对于数据线的铺设和维护有很大难度，即使确认是某段线路受损，定位其具体位置也相当困难，一般需要置换这一整段线路，通常数据线和电源线的采用的集中走线方式，交流电磁波干扰和高压突波，也会对数据本身和组网设备的安全存在很大隐患；工业网络的可靠性是最为重要的衡量标准。 

参见图1现有技术一过程数据处理以太网组网结构图，以太网作为普遍使用的局域网，在工业领域得到了广泛的应用，通常是由上位计算机、路由器、集线器、工业控制计算机组成，加上条码扫描仪和其他传感器即可完成过程数据的采集、传输和存储。由于无线以太网，只能在一个网络中容纳较少的节点，故很少被采用，目前工业使用的以太网通常采用有线方 式铺设，由于工业环境的复杂性，布线和维护成本较高；而且由于其只能实现有线方式的树状拓扑结构，某一个节点的故障，将导致其下分支的通信无法正常进行，参见图1，左侧线路的中断，将导致左侧分支下多个设备通信中断，而且对于检修，一般很难精准定位，需要置换左侧的整条分支线路；另外由于以太网协议的复杂性，一般需要工业控制计算机进行以太网协议的处理，需要在设备端添置计算机，由此带来设备成本提高，系统复杂性升高会导致可靠性降低；所以由于上面这些问题，以太网协议对于以上问题，没有更完备的解决方案。 

参见图2现有技术二过程数据处理RS-485组网结构图，其以有线方式布线，利用PLC的RS-485接口进行长距离通讯，显著缺点如上节所述，布线和维护成本较高；RS485网络提供总线型的拓扑结构，总线型拓扑结构在网络可靠性方面，也有所欠缺，总线的损坏，会导致网络中的通信中断，如图2所示，中部线路的损伤，将导致右侧所有设备通信故障，另外在总线型的结构中，有可能由于某一节点接口电平异常，导致总线上的所有设备受损；RS485网络提供主从访问方法，上位机以轮询或令牌形式对各设备进行访问，效率比较低下，而且控制比较繁琐，软件开发难度高。由于以上问题，RS485总线的应用受到很大的限制。 

参见图3现有技术三基于IEEE 802.15.4协议的无线传感器网络组网图，其采用了基于IEEE 802.15.4协议的Zigbee或WirelessHart技术，将现场传感器数据，直接通过无线传感器模块的模拟数字量转换、数据转换等处理，通过无线网络，上传至上位计算机。其显著缺点如下：无线传感器网络一般用于连续量的采集，例如石油传输管路的压力的集中监测，煤矿一氧化碳浓度的集中监测，而对于在产品加工中瞬间产生的数据难以捕捉，例如瞬间的压力值和螺母拧紧扭矩等等；另外由于无线传感器模块所包含的IO数量有限制，只能同时连接少量的传感器；每种传感器由于传感器的数量以及内部传感器算法的不同，硬件和嵌入式软件一般都不一致，每一种无线传感器模块都需要单独设计，所以无线传感器模块的设计生产成本较高；由于无线传感器自带的存储器容量较小，在数据量大或通讯受阻的情况下，数据会丢失，在对数据可靠性要求高的情况下，例如可追溯性系统，仅用无线传感器模块无法满足要求。 

发明内容

为了解决现有的生产设备数据传输中存在的可靠性差、实时性差、操作繁琐、布线困难、维护成本高、数据设备价格昂贵等问题，本发明提供了一种生产过程数据无线传输装置和方法，其方式是替代单一无线传感器模块作为数据的收集设备，利用PLC的优点，如较多传感器接口、数据处理、简单的串口通讯、电池支持的非易失性内部存储器等功能，而将PLC作为传感器信号的收集、数据指令合成、指令缓存、数据发送接收的核心设备，嵌入基于IEEE 802.15.4协议的无线网络中，无线传感器设备仅利用其RS-232C的串行接口作为数据通讯的唯一接口，而 不直接参与物理、化学传感器数据的采集，仅提供透明的无线数据传输通路，完成底层数据通讯和无线网桥的功能。 

本发明的目的是这样实现的，该装置包括并列设置的由传感器、可编程控制器(PLC)、无线数据分布采集器构成的多个分布节点和与分布节点无线网络连接的由无线网关和上位计算机构成的主控节点，其中： 

传感器(条码扫描仪、RFID读卡器、压力传感器、温度传感器等)，完成对每一个产品标识鉴别，或各种物理、化学等数据的采集。 

可编程控制器(PLC)，首先完成设备本身的自动化控制，另外还需完成来自传感器的产品标识、过程物理化学等数据采集、数据格式转换、数据缓冲控制、数据发送接收的功能。PLC在本发明中，有重要的意义，原因在于： 

1)通过PLC和基于IEEE802.15.4的无线网络的结合，使过程数据同设备的动作或状态直接关联起来，并做到与加工流程结合，能采集精确的过程数据，或能实时传输设备状态信息等功能，这是单独的无线传感器所无法做到的 

2)利用PLC的大量模拟和数字接口，可以很方便地连接多达40-50个传感器，这是单个无线传感器所无法提供的 

3)PLC包含大量内部存储器资源，通过组织，可以很方便地作为发起通讯的重要部分，而无需传感器由于资源限制，在不添加外部存储器的情况下，无法满足大量数据的存储，容易导致存储器的溢出或数据丢失，在工业设备出现通讯故障的情况下，必须停机检修，由于PLC存储器资源丰富，较无线传感器可以容纳几十倍甚至上几百倍的数据，而且无需增加硬件 

4)PLC除了自动化控制功能，还具有基本数据运算功能和简单通讯功能，可以进行数据传输的预处理操作，而且在目前工业应用中，PLC在自动化设备上，可以说是标准设备，都有安装，只需加装串行端口模块即可实现本发明的功能，所以在硬件成本上也是最低的。 

无线数据分布采集器，完成无线网络入网功能和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线数据信号和无线射频信号转换的功能；无线数据分布采集区别于一般的基于IEEE 802.15.4的无线传感器在于： 

1)无线数据分布采集器不直接提供传感器接口，而仅需提供串行接口，不提供数据命令生成功能，只需提供数据透传功能。在需要传输大量传感器数据时，由于传感器都是与PLC连接，所以无线数据分布采集器的硬件可以完全相同，无需特别 设计，这样在无线网络方面降低成本，且便于维护。 

2)一般的基于IEEE 802.15.4的无线传感器，提供传感器接口，不具备串口接口，数据命令通过无线传感器采集传感器信号，运算后，转换为无线信号进行传输。由于硬件的接口的原因，一般只能连接少数几个传感器，每种传感器可能都需要进行单独的硬件设计，安装和维护都较繁琐。 

无线网关，完成无线网络建立、无线网络地址分配和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线信号和无线信号转换的功能。 

上位计算机，完成数据读入和响应，数据库管理、设备监控、远程控制等功能。 

本发明还提供了一种生产流水线过程数据无线传输的方法，具体包括以下步骤： 

步骤A：确定无线网络，可选用基于IEEE 802.15.4协议的Zigbee、WirelessHart等适合工业环境的、并支持网状联网的无线网络，由于网状网络在受到干扰或屏蔽时，无线设备会自动寻找路由，以达到自愈的目的； 

步骤B：可编程控制器(PLC)，首先完成设备本身的自动化控制功能，包括产品的加工、运输、状态控制、告警等功能，同时在PLC的内部存储器中保存相应的过程数据、状态编码等等； 

步骤C：可编程控制器(PLC)组织相应的命令，包括添加起始标志、结束标志、设备地址、过程数据、校验码等等，并以先进先出方式的内部存储器(FIFO)中； 

步骤D：可编程控制器(PLC)检查内部先进先出的内部存储器(FIFO)中，是否存在命令，若有，则定时地、周期性地通过串行接口发送给无线数据分布采集器，若无，则等待，并定时查询FIFO是否有数据； 

步骤E：可编程控制器(PLC)给无线数据分布采集器将命令转换成无线电信号，发送至无线网关； 

步骤F：无线网关将无线电信号转换为有线串行数据，发送给上位计算机； 

步骤G：上位计算机处理来自设备上安装的可编程控制器(PLC)的命令，根据命令，做相应的处理存储数据或声光告警等动作；并发出回应指令，通过与步骤E、F相反的方向，发送给可编程控制器；可编程控制器核对是否是正确的回应，若正确，则删除可编程控制器(PLC)内部FIFO的顶端命令，若不正确，则继续等待下一个回应并核对；在完成步骤G后，进行步骤B； 

步骤H：管理者利用无线网络获得集中式设备过程数据采集、状态监控等管理功能 

本发明的有益效果主要表现在： 

1.高实时性，现场数据可以通过无线网络，直接上传至上位计算机，保证数据的实时性。 

2.集中监控和远程控制，工作人员通过对上位计算机，可以在一台计算机上监控所有设备的状态，以及对所有的设备进行远程控制，提高自动化程度，并降低工作强度。 

3.降低成本，表现在三个方面：第一，无线网络不需要在工业现场铺设数据线路，安装和维护成本降低；第二，充分利用PLC的传感器接口、通讯接口、运算能力和存储器资源，仅需可编程控制器即可完成简单上层协议，用以进行高可靠的无线数据通讯；第三，由于IEEE802.15.4无线网络技术已将底层的数据协议处理包含在其中，所以对于网络高层来说，是透明传输，所以PLC和上位计算机的开发难度降低，减少了开发成本。 

4.高可靠性，表现在四个方面：第一是设备可靠性，由于仅采用了PLC和无线数据分布采集器等结构简单的设备，所以降低设备复杂性，降低故障率；第二是网络可靠性，基于IEEE802.15.4的网状无线网络，相对于总线型网络，能提高强壮、并具有自愈功能的数据网络，在部分无线路径无法通讯时，会自动地寻找路由，实现自愈功能；第三是数据可靠性，数据指令都加入错误检测方法，保证的数据的可靠性，并且数据的重发和应答机制，保证数据不会意外丢失；第四是利用了PLC内部的非易失存储器，保证系统任何位置的意外断电，或除PLC外的任何设备故障，都不会丢失数据。 

附图说明

图1是现有技术一过程数据处理以太网组网结构图； 

图2是现有技术二过程数据处理RS485组网结构图； 

图3是现有技术三基于IEEE802.15.4协议的无线传感器网络组网图； 

图4是基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置的组网示意图； 

图5是基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置的主控节点构成图； 

图6是基于本发明的一种无线生产流水线过程数据可追溯系统分布节点构成图； 

图7是本发明中无线网关和无线数据分布采集器硬件系统框图； 

图8是基于本发明的一种无线生产流水线过程数据可追溯系统的过程数据命令格式； 

图9是基于本发明的一种无线生产流水线过程数据可追溯系统的过程数据回应格式； 

图10是基于本发明的一种无线生产流水线设备集中监控系统分布节点构成图； 

图11是基于本发明的一种无线生产流水线设备集中监控系统的状态改变命令格式； 

图12是基于本发明的一种无线生产流水线设备集中监控系统的状态改变回应格式； 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。 

本发明为完整的系统实施方案，包括了硬件和软件，以及设备和方法。 

实施例一 

本发明提供了一种无线生产流水线过程数据可追溯系统的应用方案，由于很多企业希望能够在数据库保存对应每个产品的过程数值，以便日后可以随时根据每个产品特定编码，在数据库中查询其在加工时的各项数据，以进行下一步的管理实务，例如产品召回、生产参数调整、工艺流程改进、产品质量控制等等，由于采用了本发明提供的无线方式，在错综复杂的生产区域中无需进行数据线的排布，从而节省了时间和成本，并且在加工设备侧不需要工业电脑，仅需要PLC作为数据的转换、存储、发送设备，成本十分低廉，而复杂的网络构建和数据传递等功能，则由无线网关和无线数据分布采集器来完成；图4表示了这个系统的组网示意图，在这系统中包含了两种节点： 

1、一种是分布节点，参见图6，分布节点由传感器，可编程控制器(PLC)和无线数据分布采集器组成，传感器分为两种，一是身份识别传感器，可以是条码扫描仪或是RFID读卡器，由于在追溯系统中，每个产品需要进行辨识，故必须具备身份识别传感器；二是通用传感器，可以是压力、位移、温度、湿度、气体浓度等物理、化学传感器，用于采集过程数据。 

1)、身份识别传感器(条码扫描仪、RFID读卡器)，用其将待加工产品上的条形码或身份识别芯片中的产品标识，通过RS-232C串口电缆，将产品标识传输给可编程控制器(PLC)。 

2)、通用传感器(压力传感器、温度传感器等)，另外的传感器能将各种物理、化学指标转换为电信号(包括数字量和模拟量信号)，根据所需采取的过程数据类型的不同，可以是压力、位移、温度、湿度、气体浓度等不同的传感器，根据需要，可以是一个或多个传感器，然后将一个或多个传感器转换后的电信号，通过电缆，传输给可编程控制器(PLC)进行处理。 

3)、可编程控制器(PLC)，是分布节点的核心设备，首先完成设备本身的自动化控制功能，包括产品的加工、运输等功能。其次，由于其可编程特性以及具备较大容量的存储器(大部分为电池供电、非易失性)，负责完成记录产品标识、收集过程数据、数据格式转换、数据缓冲控制的功能。PLC由于其成本低、编程便捷、体积小、结构简单、故障率低，故将其作为无线网络分布节点的核心设备，而且在大部分加工设备上，出于自动化控制的需要，为了自动完成加工、装配、运输等功能，已经配置有PLC，在原有程序的基础上只需加入少许数据处理和 通讯程序，即可完成记录产品标识、收集过程数据、数据格式转换、数据缓冲控制的功能；可编程控制器完成对身份标识的记录，对其他传感器进行数据采集，并将模拟量数据转化为数字量数据，并将其整合为可传输的过程数据命令，并通过串口，发送给无线数据分布采集器，并等待回应指令。同时其可以通过无线网络来发送故障信息和接收上位机的控制指令。 

PLC一般需要添加RS-232C串口模块，来提供与无线数据分布采集器通讯的数据接口。 

可编程控制器(PLC)的数据处理流程一般如下： 

A、在加工产品前，用条码扫描仪扫描产品序列号的条型码，序列号通过和RS-232C接口，传送给PLC； 

B、PLC存储产品序列号到PLC的内部存储器，并启动正常加工的控制程序 

C、在关键点采集来自传感器的数据，例如在某步骤的压力模拟量值，并将此值转换为合适的格式，例如整数位3位、小数位2位的ASCII码格式，并存储至PLC的内部存储器，若需处理多个传感器，则重复此步骤； 

D、产品的加工正常完成后，则将产品的序列号、传感器编号(用以指定多个传感器中的一个)、产品过程数据，按图8的格式进行过程数据命令的组织， 

可编程控制器(PLC)的RS-232C接口发送的过程数据命令采用图8的格式，其标明了： 

a)、起始标志和结束标志：指令的主要部分的起始和结束位置； 

b)、设备地址：过程数据的来源，从哪台生产设备而来的数据； 

c)、指令种类：标明此指令是数据指令还是配置指令，或是其他定义的指令类型； 

d)、传感器编号：由于一个设备中，可能有一个或多个传感器连接到可编程控制器(PLC)，故用编号来区别此数据是来自于哪个传感器； 

e)、产品序列标识：标明此数据指令是针对于此产品序列号的产品，传递的过程数据也针对于符合此产品序列号的产品； 

f)、过程数据：来自于所对应的产品序列号和传感器编号的过程数据； 

g)、校验码：使用CRC16循环冗余码校验方式，由于串口协议除了简单的、可靠性较低的奇偶校验外，不具备其他高可靠的校验方式，所以必须加入CRC等较高可靠性的校验方法，以尽可能降低串口传输中的误码率； 

在过程数据命令完成后，将过程数据命令以先进先出(FIFO)的方式存储入PLC的内部存储器，当存在多个传感器时，依次更改传感器编号和相应的过程数据，并顺序以先进先出(FIF0) 的方式存储入PLC的内部存储器；存储完毕后，重复步骤1)； 

E、PLC检查PLC的FIFO存储器，是否有过程数据命令，若有则通过RS-232C串口发送FIFO顶端的字符串命令，字符串命令将通过串口传送到无线数据分布采集器，无线数据采集器将此过程数据命令按Zigbee协议进行封装、加密等操作，以无线射频信号发送给无线网关，无线网关解密、解封装后，通过串口，发送给上位计算机； 

F、上位计算机在接收完过程数据命令、并正确地将过程数据录入数据库后，会按图9的格式发出过程数据回应，过程数据在于最后的部分是特定的回应标识，如ASCII码的“ACK“，而非过程数据命令的校验码； 

G、PLC检查RS-232C的接收端口，是否有数据接收到，若有，则核对当前FIFO顶端的过程数据命令，去掉校验码后加上特定的回应标识，同串口接收到的字符串相比较，若串口未收到数据或比较后不一致，则将FIFO顶端的字符串命令定时重发，直至收到来自上位计算机的正确回应；若比较结果是完全一致，则说明当前FIFO顶端的过程数据命令，已经被上位机处理，FIFO顶端的过程数据命令已经完成使命，可以被删除； 

H、当FIFO顶端的过程数据命令被删除后，PLC将继续发送下个过程数据命令，重复步骤4)。 

4)、无线数据分布采集器，完成无线网络入网功能和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线数据信号和无线射频信号转换的功能。本例中选择基于IEEE 802.15.4的Zigbee协议的无线网络，原因在于Zigbee网络是高可靠，低功耗，2.4GHz国际免费频段，并且可以进行树状和网状组网的工业无线网络；无线数据分布采集器，在本例中为Zigbee网络中的路由或终节点，以有线方式(RS-232C串行接口)同PLC连接，通过无线方式和无线网关的数据交互；在加入无线网关建立的无线网络后，接收来自可编程控制器的过程数据命令，并加密，转换成无线信号后发送。 

图7说明了无线数据分布采集器的硬件构架，无线网关和无线数据分布采集器在硬件结构上是相同的，但在两者的微处理器中的嵌入式软件有所不同，无线数据分布采集器包含以下部分和具体功能： 

A、射频天线：提供无线载波电磁波信号和有线载波电信号的转换功能； 

B、射频前端芯片：增强有线载波电信号，以增强无线电发射功率和接收灵敏度，来延长通讯距离，降低通讯误码率。 

C、无线射频芯片：提供数字信号和有线载波电信号的相互转换功能； 

D、微处理器：无线数据分布采集器的核心，需要提供无线协议的各种处理、数据交换、数 

据加解密等功能，并提供串行接口，与可编程控制器(PLC)进行数据交换。无线数据分布采集器区别于无线网关，在于此微处理器中的嵌入式软件，无线数据分布采集器的功能包含无线网络的寻找和加入网络，申请无线网络地址，另外还包括对无线路由轮询的回应、数据加解密、封装数据包、分解数据包等传输协议功能。 

E、串口电平转换芯片：微处理器的串行接口的电平与标准RS-232C标准有所不同，一般需要此芯片进行转换，并可在外部接口异常高电压或有静电时起到保护微处理器的功能。 

2、另一种是主控节点，参见图5，主控节点由无线网关和上位机组成： 

1)、无线网关，完成无线网络建立、无线网络地址分配和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线信号和无线信号转换的功能。无线网关的硬件结构可以与无线数据分布采集器相同，在本例中，其即为Zigbee网络中的协调器，负责无线网络的建立，响应其入网请求。在网络建立，分布节点入网后，接收无线射频信号，收到数据包，解密后，通过串口上传至上位计算机，同样也接收来自上位计算机的数据或指令，发送给无线数据分布采集器。 

图7说明了无线网关的硬件构架，无线网关和无线数据分布采集器在硬件结构上是相同的，但在两者的微处理器中的嵌入式软件有所不同，无线网关包含以下部分和具体功能： 

A、射频天线：提供无线载波电磁波信号和有线载波电信号的转换功能； 

B、射频前端芯片：增强有线载波电信号，以增强无线电发射功率和接收灵敏度，来延长通讯距离，降低通讯误码率。 

C、无线射频芯片：提供数字信号和有线载波电信号的相互转换功能； 

D、微处理器：无线网关的核心，需要提供无线协议的各种处理、数据交换、数据加解密等功能，并提供串行接口，与上位计算机进行数据交换。无线网关区别于无线数据分布采集器，在于此微处理器中的嵌入式软件，无线网关的功能包含无线网络的建立，包括无线波段和信道确定、响应无线数据分布采集器的入网请求和无线网络地址分配，另外还包括对无线数据分布采集器状态的轮询功能、数据加解密、封装数据包、分解数据包等传输协议功能。 

E、串口电平转换芯片：微处理器的串行接口的电平与标准RS-232C标准有所不同，一般需要此芯片进行转换，并可在外部接口异常高电压或有静电时起到保护微处理器的功能。 

2)、上位计算机，完成同无线网关的通过RS-232C串口数据读入和响应，数据库管理、设备监控、远程控制等功能。上位计算机提供了图形化软件界面，供人机交互，包括数据库显示、 检索、远程设备状态监控、远程设备控制；上位计算机通过RS-232C串行接口接收来自无线网关发送的数据，分析其过程数据命令合法性、校验值，并将数据存储入数据库中，在数据存储完毕后，发送回应指令给可编程控制器(PLC)。 

上位计算机的RS-232C接口接收的过程数据命令采用图8的格式，其标明了： 

A、起始标志和结束标志：指令的主要部分的起始和结束位置； 

B、设备地址：过程数据的来源，从哪台生产设备而来的数据； 

C、指令种类：标明此指令是数据指令(DAT)还是配置指令(CFG)，或是其他定义的指令类型； 

D、传感器编号：由于一个设备中，可能有一个或多个传感器连接到可编程控制器(PLC)，故用编号来区别此数据是来自于哪个传感器； 

E、产品序列标识：标明此数据指令是针对于此产品序列号的产品，传递的过程数据也针对于符合此产品序列号的产品 

F、过程数据：来自于所对应的产品序列号和传感器编号的过程数据。 

上位计算机在接收了图8所示格式的过程数据命令后，在数据库中以产品序列标识为索引，检索数据库中是否存在包含此产品序列标识的记录，若不包含，则增加新记录，并将过程数据填入相应传感器的数据字段内，若已包含，则更新相应传感器的过程数据的数据字段。在数据库操作完毕后，按图9所示的回应格式，发送数据给PLC，PLC在收到回应后，将删除已完成的数据过程数据命令，并发送新的过程数据命令。 

以上即是用于实现本发明的实施例一(一种无线生产流水线过程数据可追溯系统)的设备和方法，通过以上设备和方法，即可将在生产现场的设备进行无线联网，用产品序列号来对于每件产品，将对于产品的数据上传至上位计算机，上位机计算机以产品序列号为主索引对数据库进行录入，管理人员可以根据需要对数据库进行检索，来达成过程数据的可追溯性管理。 

实施例二 

本发明提供了一种无线生产流水线设备集中监控系统的应用方案，在产品生产线中，每台设备的正常工作与否，都直接关系整条生产线的生产效率，管理者都希望能够在第一时间，能够得知设备的工作状况，在发生设备故障时，能迅速得知设备故障的原因，以便安排维修任务，另一方面，管理者也希望利用现有的设备，低成本地实现这样的功能。那么在这样的背景下， 

本发明提供的无线生产流水线设备集中监控系统则是用以满足这样的需求。图5表示了这 个系统的组网示意图，在这系统中包含了两种节点： 

1、一种是分布节点，参见图10，分布节点由可编程控制器(PLC)和无线数据分布采集器组成。 

1)、可编程控制器(PLC)，是分布节点的核心设备，首先完成设备本身的自动化控制功能，包括产品的加工、运输等功能。其次，由于其可编程特性以及具备较大容量的存储器(大部分为电池供电、非易失性)，负责完成设备状态改变命令的发送、以及回应的接收。大部分加工设备上，出于自动化控制的需要，为了自动完成加工、装配、运输等功能，已经配置有PLC，而且PLC本身也处理本地的设备告警，只要在原有程序的基础上只需加入串口数据通讯程序，即可完成、字符串命令缓冲控制的功能；PLC根据状态改变的类型，并将其整合为可传输的状态改变命令，并通过串口，发送给无线数据分布采集器，并等待回应指令。同时其可以通过无线网络来发送故障信息和接收上位机的控制指令。 

PLC一般需要添加RS-232C串口模块，来提供与无线数据分布采集器通讯的数据接口。 

可编程控制器(PLC)的数据处理流程一般如下： 

A、PLC正常控制设备的运作，当发生状态改变时，例如设备发生机械故障、不能正常工作时，或故障消除时，PLC内部的程序根据错误类型，例如机件不能正确归位、或液压缸不工作等不同的错误类型的状态代码，如ERROR_102、WARNING_332； 

B、可编程控制器(PLC)将设备地址、指令种类、功能、状态代码整合为状态改变命令，采用图11的格式，通过RS-232C接口发送，其标明了： 

a、起始标志和结束标志：指令的主要部分的起始和结束位置； 

b、设备地址：设备状态数据的来源，从哪个生产设备而来的数据； 

c、指令种类：标明此指令是数据指令(DAT)还是配置指令(CFG)，还是状态指令(这里STATE，标明是状态指令)，或是其他定义的指令类型； 

d、功能：用于表示此状态指令，是表示进入某状态(SET)，或是某状态已退出(CLR)； 

e、状态代码：表示进入或退出某种状态，可以是告警状态或是错误状态等等，例如可以用ERROR_102表示冲压机的压头无法正常归位，WARNING_332表示空气压缩机压力低于10千帕等等，PLC和上位计算机能够识别状态代码； 

在组织状态改变命令完成后，将状态改变命令以先进先出(FIFO)的方式存储入PLC的内部存储器； 

C、PLC检查PLC的FIFO存储器，是否有状态改变命令，若有则通过RS-232C串口发送FIFO顶端的状态改变命令，状态改变命令将通过串口传送到无线数据分布采集器，无线数据采集器将此状态改变命令按Zigbee协议进行封装、加密等操作，以无线射频信号发送给无线网关，无线网关解密、解封装后，通过串口，发送给上位计算机； 

D、上位计算机在接收了状态指令后，根据其内容，用可以直接理解的语言，在屏幕上显示，设备进入或退出某种状态，例如“A号冲压机的压头无法正常归位”或“34号空气压缩机压力低于10千帕”等等，然后按图12的格式发出回应数据包，回应数据包在于最后的部分是特定的回应标识，如ASCII码的“ACK“，而非原始的校验码； 

E、PLC定时检查RS-232C的接收端口，是否有数据接收到，若有，则核对当前FIFO顶端的状态改变命令，去掉校验码后加上特定的回应标识，同串口接收到的字符串相比较，若串口未收到数据或比较后不一致，则将FIFO顶端的状态改变命令定时重发，直至收到来自上位计算机的正确回应；若比较结果是完全一致，则说明当前FIFO顶端的状态改变命令，已经被上位机处理，FIFO顶端的状态改变命令已经完成使命，可以被删除； 

F、当FIFO顶端的状态改变命令被删除后，PLC将根据状态继续发送下个状态改变命令或等待状态改变。 

2)、无线数据分布采集器，完成无线网络入网功能和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线数据信号和无线射频信号转换的功能。本例中选择基于IEEE802.15.4的Zigbee协议的无线网络，原因在于Zigbee网络是高可靠，低功耗，2.4GHz国际免费频段，并且可以进行树状和网状组网的工业无线网络；无线数据分布采集器，在本例中为Zigbee网络中的路由或终节点，以有线方式(RS-232C串行接口)同PLC连接，通过无线方式和无线网关的数据交互；在加入无线网关建立的无线网络后，接收来自可编程控制器的串口数据指令，并加密，转换成无线信号后发送。 

图8说明了无线数据分布采集器的硬件构架，无线网关和无线数据分布采集器在硬件结构上是相同的，但在两者的微处理器中的嵌入式软件有所不同，无线数据分布采集器包含以下部分和具体功能： 

A、射频天线：提供无线载波电磁波信号和有线载波电信号的转换功能； 

B、射频前端芯片：增强有线载波电信号，以增强无线电发射功率和接收灵敏度，来延长通讯距离，降低通讯误码率。 

C、无线射频芯片：提供数字信号和有线载波电信号的相互转换功能； 

D、微处理器：无线数据分布采集器的核心，需要提供无线协议的各种处理、数据交换、数据加解密等功能，并提供串行接口，与可编程控制器(PLC)进行数据交换。无线数据分布采集器区别于无线网关，在于此微处理器中的嵌入式软件，无线数据分布采集器的功能包含无线网络的寻找和加入网络，申请无线网络地址，另外还包括对无线路由轮询的回应、数据加解密、封装数据包、分解数据包等传输协议功能。 

E、串口电平转换芯片：微处理器的串行接口的电平与标准RS-232C标准有所不同，一般需要此芯片进行转换，并可在外部接口异常高电压或有静电时起到保护微处理器的功能。 

2、另一种是主控节点，参见图5，主控节点由无线网关和上位机组成： 

1)、无线网关，完成无线网络建立、无线网络地址分配和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线信号和无线信号转换的功能。无线网关的硬件结构可以与无线数据分布采集器相同，在本例中，其即为Zigbee网络中的协调器，负责无线网络的建立，响应其入网请求。在网络建立，分布节点入网后，接收无线射频信号，收到数据包，解密后，通过串口上传至上位计算机，同样也接收来自上位计算机的数据或指令，发送给无线数据分布采集器。 

图7说明了无线网关的硬件构架，无线网关和无线数据分布采集器在硬件结构上是相同的，但在两者的微处理器中的嵌入式软件有所不同，无线网关包含以下部分和具体功能： 

A、射频天线：提供无线载波电磁波信号和有线载波电信号的转换功能； 

B、射频前端芯片：增强有线载波电信号，以增强无线电发射功率和接收灵敏度，来延长通讯距离，降低通讯误码率。 

C、无线射频芯片：提供数字信号和有线载波电信号的相互转换功能； 

D、微处理器：无线网关的核心，需要提供无线协议的各种处理、数据交换、数据加解密等功能，并提供串行接口，与上位计算机进行数据交换。无线网关区别于无线数据分布采集器，在于此微处理器中的嵌入式软件，无线网关的功能包含无线网络的建立，包括无线波段和信道确定、响应无线数据分布采集器的入网请求和无线网络地址分配，另外还包括对无线数据分布采集器状态的轮询功能、数据加解密、封装数据包、分解数据包等传输协议功能。 

E、串口电平转换芯片：微处理器的串行接口的电平与标准RS-232C标准有所不同，一般需要此芯片进行转换，并可在外部接口异常高电压或有静电时起到保护微处理器的功能。 

2)、上位计算机，完成同无线网关的通过RS-232C串口数据读入和响应，设备监控、远程 控制等功能。上位计算机提供了图形化软件界面，供人机交互，包括远程设备状态监控、远程设备控制；上位计算机通过RS-232C串行接口接收来自无线网关发送的数据，分析其指令合法性、校验值，并根据所得到的状态码，翻译成可阅读的文字说明，在状态改变指令接收完毕后，发送回应指令通知可编程控制器(PLC)。 

上位计算机的RS-232C接口接收的状态改变命令采用图11的格式，其标明了： 

A、起始标志和结束标志：指令的主要部分的起始和结束位置； 

B、设备地址：设备状态数据的来源，从哪个生产设备而来的数据； 

C、指令种类：标明此指令是数据指令(DAT)还是配置指令(CFG)，还是状态指令(这里STATE，标明是状态指令)，或是其他定义的指令类型； 

D、功能：用于表示此状态指令，是表示进入某状态(SET)，或是某状态已退出(CLR)； 

E、状态代码：表示进入或退出某种状态，可以是告警状态或是错误状态等等，例如可以用ERROR_102表示冲压机的压头无法正常归位，WARNING_332表示空气压缩机压力低于10千帕，等等，PLC和上位计算机能够识别状态代码； 

上位计算机在接收了图11所示格式的状态改变命令后，根据其功能、状态代码、设备地址等信息，可以翻译成可阅读的文字，并在计算机软件中用声音或颜色变化来提示管理者，设备的状态已发生变化。然后，按图12所示的回应格式，发送数据给PLC，PLC在收到回应后，将删除已完成的数据，可以发送新的状态改变命令。 

以上即是用于实现本发明的实施例二(一种无线生产流水线设备集中监控系统)的设备和方法，通过以上设备和方法，即可将在生产现场的设备进行无线联网，现场生产设备上的PLC可以在出现状态改变时，用状态改变命令，经过无线网络，将设备的状态代码上传至上位计算机，上位机计算机通过软件界面实时通知管理人员，以达成无线生产流水线设备集中监控的目的。 

以上所述的实施例，只是此发明较优选的具体实施方式的几种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和交替都应包含在本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置，其特征在于，该装置是由一个主控节点和与该主控节点无线网络连接的并列设置的多个分布节点构成的，其中所述的分布节点包括：

传感器，完成对每一个产品标识鉴别，或各种物理、化学等数据的采集；

可编程控制器，首先完成设备本身的自动化控制，另外还需完成来自传感器的产品标识、过程物理化学等数据采集、数据格式转换、数据缓冲控制、数据发送接收的功能；

无线数据分布采集器，完成无线网络入网功能和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线数据信号和无线射频信号转换的功能；

所述的主控节点包括：

无线网关，完成无线网络建立、无线网络地址分配和数据传输底层协议、无线数据成帧解帧、无线数据加解密、有线信号和无线信号转换的功能；

上位计算机，完成数据读入和响应，数据库管理、设备监控、远程控制功能。

所述的传感器与可编程控制器有线连接，可编程控制器连接无线数据分布采集器有线串口连接，无线数据分布采集器与无线网关之间采用无线网络连接，无线网关与上位计算机采用有线串口连接。

2.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置，其特征在于：所述的传感器包括，条码扫描仪或RFID读卡器，用于鉴别不同的产品个体。

3.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置，其特征在于：所述的传感器还包括压力传感器、位移传感器、湿度传感器、温度传感器、光电传感器或和气体浓度传感器中的一种或多种，用于获得相应物理、化学的过程数据。

4.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置，其特性在于，所述的可编程控制器是带有串行接口的可编程控制器。

5.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置，其特性在于，所述的无线数据分布采集器和无线网关包括射频天线、射频前端芯片、无线射频芯片、微处理器、串口电平转换芯片、电源模块和串行接口；其中射频天线、射频前端芯片、无线射频芯片、微处理器、串口电平转换芯片和串行接口依次电连接在一起，电源模块分别与射频前端芯片、无线射频芯片、微处理器和串口电平转换芯片连接。

6.根据权利要求5所述的基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置，其特性在于，所述的射频天线、射频前端芯片、无线射频芯片满足IEEE 802.15.4协议，包含载波频率、无线信道、发射功率、数据帧收发的相应特征。

7.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的装置，其特性在于，所述上位计算机上带有用于和无线网关通讯的串行端口，它包括提供人机界面、数据库管理、集中监控功能的软件。

8.一种基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤A：确定无线网络，选用基于IEEE 802.15.4协议的，适合工业环境的、并支持网状联网的无线网络，由于网状网络在受到干扰或屏蔽时，无线设备会自动寻找路由，以达到自愈的目的；

步骤B：利用可编程控制器，首先完成设备本身的自动化控制功能，包括产品的加工、运输、状态控制、告警功能，同时在可编程控制器的内部存储器中保存相应的过程数据、状态编码；

步骤C：利用可编程控制器组织相应的命令，包括添加起始标志、结束标志、设备地址、过程数据、校验码，并以先进先出方式的内部存储器中；

步骤D：利用可编程控制器，检查可编程内部先进先出方式的存储器中是否存在命令，若有，则定时地、周期性地通过串行接口发送给无线数据分布采集器，若无，则等待，并定时查询内部存储器中是否有数据；

步骤E：利用可编程控制器给无线数据分布采集器将命令转换成无线电信号，发送至无线网关；

步骤F：根据无线网关提供无线电信号和有线串行数据之间的转换，将命令通过串行端口发送给上位计算机；

步骤G：利用上位计算机处理来自设备上安装的可编程控制器的命令，根据命令，做相应的处理存储数据或声光告警等动作；并发出回应指令，通过与步骤E、F相反的方向，发送给可编程控制器；利用可编程控制器核对是否是正确的回应，若正确，则删除可编程控制器内部FIFO的顶端命令，若不正确，则继续等待下一个回应并核对；在完成步骤G后，进行步骤B；

步骤H：管理者利用无线网络获得设备过程数据集中采集、状态监控等管理功能。

9.根据权利要求8所述的基于IEEE 802.15.4协议和PLC的无线生产过程数据采集和传输的方法，其特征在于，所述无线网络包括：满足IEEE 802.15.4协议的底层网络协议，满足Zigbee协议、WirelessHart协议的高层网络协议。

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