CN103149901A - 制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，由远程维护中心和分布在异地的嵌入式智能监控与维护单元组成星形网络；嵌入式智能监控与维护单元包括微控制器、数据采集模块、数据交互模块、人机交互模块以及数据存储模块，远程维护中心包括系统状态监控、装备故障诊断模块和装备管理模块；本发明系统具有人机交互功能，应用场合广泛，而且能很好地进行实时数据处理。

Description

制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统

 

技术领域

本发明属于制造过程中工况监测及故障诊断领域，特别是一种针对制造装备的嵌入式智能监控与远程维护系统。

背景技术            

随着科技的进步，制造系统向着自动化、智能化、集成化的方向发展，因此实现制造装备的工况监测、远程监控以及维护功能是制造系统发展的需求，同时也是提高制造企业生产效率和管理水平的重要手段。目前针对制造装备的远程监测、诊断和维护，主要是基于PLC作为底层数据信号采集与发送终端，工控机作为上位机实现监控功能。这种模式无法充分体现PLC的过程控制性能，同时也无法采集现场视音数据和其他不通过PLC控制的信号，系统整体臃肿，可移植性差，具有较大的局限性。

如专利号为CN201120168564.8的实用新型专利公开了一种工程机械远程监控系统，系统包括：服务器，接收监控终端发送的监控信息及GPS定位信息，解析、处理、存储并显示所述监控信息及GPS定位信息，以及向所述监控终端发送被监控的工程机械设备的设置信息；监控终端，置于被监控的工程机械设备上，通过CAN总线与所述被监控的工程机械设备的各仪表相连，采集所述被监控的工程机械设备的监控信息及GPS定位信息，并通过短信或GPRS将所述监控信息及GPS定位信息发送至所述服务器。该专利使用CAN总线收集现场状态信息，无法进行现场数据处理及存储，且接口较少，在应用场合上不够宽泛。

如专利号200810241690.4的发明专利公开了一种监控装置、使用该装置的污水处理系统和监控方法，装置包括中央处理器CPU、与中央处理器通信连接的数据信号输入接口、模数转换模块、射频单元、存储器，还包括电源、与射频单元连接的天线，射频单元经天线连接GPRS或CDMA通信网络；系统包括分散式污水处理设备、连接分散式污水处理设备的监控装置和管理人员手机，使用该装置实现对分散式污水处理设备遥控及获取故障信息并发送至管理人员手机。该专利没有用于视频采集以及人机交互模块，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制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，实现制造装备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，易于扩展和维护，通用性强，集成度高。

实现本发明目的技术解决方案为: 由远程维护中心和分布在异地的嵌入式智能监控与维护单元组成星形网络；嵌入式智能监控与维护单元包括微控制器、数据采集模块、数据交互模块、人机交互模块以及数据存储模块，远程维护中心包括系统状态监控、装备故障诊断模块和装备管理模块；嵌入式智能监控与维护单元采集制造装备现场运行数据，通过GPRS无线网络发送给远程维护中心，远程维护中心接收数据进行工况显示，故障发生后，远程维护中心应用智能故障诊断方法得到诊断结果并将维护报告回传给嵌入式智能监控与维护单元；同时针对制造装备现场的工控机，嵌入式智能监控与维护单元通过数据交互模块的以太网接口将制造装备现场运行数据发送给工控机，实现制造装备运行状态的本地监控功能。

嵌入式智能监控与维护单元中，各模块与微控制器外设接口相连，微控制器通过接口与制造装备主控制器PLC进行实时数据交互获得制造装备系统参数和开关状态数据，通过传感器采集制造装备的压力、速度、加速度运行参数，同时通过摄像头采集装备整体运行状态；微控制器对采集到的数据进行去除、滤波前期处理，评估制造装备的运行状态，根据数据类型保存在不同的存储器中，再通过FSMC接口将数据传输给人机交互模块，在人机交互模块中显示装备实时运行状态。

嵌入式智能监控与维护单元的中微控制器为ARM微控制器，ARM微控制器采用Cortex-M4内核的STM32F4系列芯片；ARM微控制器与制造装备主控制器PLC进行实时数据交互通过的接口为RS-485，RS-485接口采用RSM485嵌入式隔离收发器；ARM微控制器还预置RS-232、CAN通信接口。

人机交互模块包括液晶显示器以及矩阵键盘，矩阵键盘与ARM微控制器相连，液晶显示器通过FSMC接口与ARM微控制器相连，并且采用CPLD结合SRAM驱动方式，实现了图形分层显示。

数据交互模块包括以太网接口和GPRS无线传输模块，GPRS无线传输模块包括LPC2132微控制器、GTM900C GSM/GPRS芯片、MAX3232电平转换芯片、AT24C02数据存储芯片以及电源模块，其中各模块分别与LPC2132微控制器相连，LPC2132微控制器与ARM微控制器通过RS-232接口通信。

远程维护中心各功能模块通过数据库实现数据交互，远程服务器接收嵌入式智能监控与维护单元通过GPRS网络发送过来的制造装备现场运行数据并保存在数据库中，系统状态监控模块读取以上数据显示制造装备的现场运行状态，装备故障诊断模块应用神经网络智能故障诊断方法对制造装备进行在线和离线故障诊断与维护，同时装备管理模块对监控的装备进行添加、删除操作。

嵌入式智能监控与维护单元为本嵌入式智能监控与远程维护系统目标实现的关键，微控制器为ARM微控制器，采用Cortex-M4内核的STM32F4系列芯片，各模块与ARM微控制器外设接口相连，ARM微控制器通过RS-485接口与制造装备主控制器PLC进行实时数据交互获得制造装备系统参数和开关状态数据，通过传感器采集制造装备的压力、速度、加速度运行参数，同时通过摄像头采集装备整体运行状态；ARM微控制器对采集到的数据进行去除、滤波前期处理，评估制造装备的运行状态，根据数据类型保存在不同的存储器中，再通过FSMC接口将数据传输给人机交互模块，在人机交互模块中显示装备实时运行状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)系统在不介入原有制造装备控制系统的前提下，通过嵌入式智能监控与维护单元中间件实现制造装备的工况监测及故障诊断功能；（2）系统使用以太网和GPRS两种通信方式，实现制造装备的局域网监控及远程维护功能，在保证设备数据安全性的同时减少了设备维修时间和停产损失；（3）系统使用Cortex-M4内核的微控制器，在具有ARM芯片低功耗、低成本和易于使用优点的同时还具有高效的数字信号处理功能，满足工业现场运行数据的实时处理需求；（4）系统集成化程度高，主要模块单独设计通过接口与微控制器相连，系统功能齐全，可配置性高；（5）嵌入式智能监控与维护单元采用单一处理器模式，避免了使用主从处理器时的高成本以及主从处理器间通信的不可靠；同时单元具有多种通信接口，能够和原有控制系统实现数据交互，具有很强的通用性。

 

附图说明

图1为本发明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为本发明嵌入式系统软件设计总体框图。

图4为本发明嵌入式系统软件任务具体划分以及实现示意图。

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：嵌入式智能监控与远程维护系统包括嵌入式智能监控与维护单元以及远程维护中心。嵌入式智能监控与维护单元通过与制造装备主控制器PLC进行实时数据交互获得制造装备系统参数、开关状态等内部状态数据，通过传感器采集制造装备压力、速度、加速度等重要运行参数，同时通过摄像头采集装备整体运行状态，并在液晶显示器上显示装备实时运行状态，同时对采集到的数据进行处理得到制造装备的性能状态评估和预测，防止意外不可修复故障的发生。嵌入式智能监控单元通过GPRS无线数据传输模块将现场运行数据发送给远程维护中心，远程维护中心接收数据进行工况显示，应用智能故障诊断方法得到诊断结果生成维护报告，并将维护结果通过GPRS无线网络回传给嵌入式智能监控与维护单元，辅助现场操作人员做出决策。同时针对工业现场普遍具有的工控机，嵌入式智能监控单元通过以太网接口完成与其数据交互，实现制造装备运行状态的本地监控功能。

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由WEB服务器，数据库服务器、备份服务器等组成，它处于系统的最高层，通过GPRS无线网络与多个异地的嵌入式监控与维护单元实现数据交互。远程监控与维护中心包括系统状态监控、装备故障诊断以及装备管理等功能模块。远程维护中心接收嵌入式智能监控与维护单元通过GPRS无线网络发送过来的制造装备现场运行数据，同时根据运行数据使用智能故障诊断算法进行故障诊断得到诊断结果并生成维护报告，再通过GPRS无线网络回传给运行现场，辅导现场操作人员作出决策。远程维护中心还具有装备管理等辅助功能，可对监控装备进行添加、删除等。

结合图1，说明本地监控中心：工业现场一般使用工控机作为上位机监控设备运行状态，工控机具有设备运动控制、系统数据采集、系统状态监控、工艺参数管理等功能。系统可根据现场实际情况进行灵活配置，工控机通过以太网接口与嵌入式智能监控与维护单元完成数据交互实现制造装备运行状态的本地监控功能。通信协议选择LWIP开源协议栈 ，LWIP协议栈在保持TCP协议主要功能的基础上减少了对RAM的占用，使得它使用了资源有限的嵌入式应用中。

结合图2，说明嵌入式智能监控与维护单元：嵌入式智能监控与维护单元为本嵌入式智能监控与远程维护系统目标实现的关键，单元包含微控制器、数据采集模块、数据交互模块、人机交互模块以及数据存储模块。嵌入式智能监控与维护单元通过与制造装备主控制器PLC进行实时数据交互获得制造装备系统参数、开关状态等内部状态数据，通过传感器采集压力、速度、加速度等重要运行参数，同时通过摄像头采集装备整体运行状态。单元根据具体数据类型保存在不同的存储器中，并在液晶显示器上显示装备实时运行状态，同时对采集到的数据进行处理得到制造装备的性能状态评估和预测。

嵌入式智能监控与维护单元能够满足制造装备现场运行数据的基本处理功能。单元选用基于Cortex-M4内核的STM32F4系列芯片，具有多种高速信号处理功能，通过一系列出色的软件工具和Cortex微控制器软件接口标准使得信号处理算法开发变得简单。通过对原始数据进行分析，提取出能够表示制造装备各系统状态或性能的特征量，使用的数据处理方法主要包括：时域分析方法（如平均值、峰值、方差、协方差、最小二乘法等）和频域分析方法（如快速傅里叶变换）。同一种数据可使用不同的方法进行处理，数据经过滤波和特征提取后可用于后续的故障诊断以及故障预测。

人机交互模块包括液晶显示器以及矩阵键盘，满足嵌入式智能监控与维护单元输入输出功能需求。液晶显示器使用CPLD结合SRAM驱动方式，实现了图形分层显示。图形显示较为消耗CPU，高端市场目前已经使用GPU作为图形显示单独的处理器。针对嵌入式智能监控与维护单元状态监测显示功能需求，使用单独的图形驱动模块，通过接口和单元实现对接，减少单元资源消耗，可以获得更好的图形显示效果。主控制器通过FSMC接口和CPLD进行通信，CPLD如同外部RAM，主控制器对CPLD数据读写负担较小。同时使用SRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器）作为数据缓存，可以实现图形的分层显示功能，避免在图形来回切换时数据的重复发送，减小了系统开销。

GUI（Graphical User Interface）是嵌入式系统开发设计中的一个重要的组成部分，嵌入式智能监控与维护单元需要显示制造装备的运行状态、参数实时曲线绘制、能够对故障进行报警，并且能够提供操作界面用以接受用户的信息输入，因此具有一个友好的图形用户界面，使得单元能够和现场操作人员进行友好的信息交互。系统选择emWin GUI作为嵌入式智能监控与维护单元图形用户界面开发工具，采用emWin后，UI设计与固件开发分开，提高了开发效率。

嵌入式智能监控与维护单元通过RS-485接口与制造装备主控制器实现数据交联，单元实时读写PLC采集到的现场装备重要参数以及状态信息，同时可控制PLC的动作流程。当PLC发生故障后，控制系统进行切换，单元控制制造装备紧急停车，和PLC构成冗余系统。RS-485总线传输距离以及抗干扰能力都远远优于RS-232总线，由于制造现场环境较为恶劣，选用RSM485嵌入式隔离收发器模块，该模块集成了电源隔离、电气隔离以及总线保护器件以保证现场通信的可靠性。同时为提高嵌入式智能监控与维护单元的通用性还预置了RS-232、CAN总线接口。

制造装备原有控制系统一般选用PLC作为主控制器，控制功能简单时可以使用不带总线接口的低端PLC，功能较为复杂时选择集成总线接口的中高端PLC与输入输出模块、传感器模块、计数器模块等组成现场总线网络。无论制造装备控制器采用何种网络拓扑结构，嵌入式智能监控与维护单元均是使用RS-485或RS-232与PLC通信，通信协议使用PLC中广泛使用的Modbus协议。系统选择针对嵌入式领域开源的FreeModbus协议栈，该协议栈提供了最新的Modbus协议实现并且支持RTU、ASCII传输模式。 

嵌入式智能监控与维护单元还具有EEPROM、FLASH、SD卡等多种存储器，可存储装备运行数据、视频数据以及音频数据。其中SD卡移植FATFS文件系统， FATFS是开源的面向小型嵌入式系统通用文件系统，完全是由AISIC语言编写并且完全独立于底层的I/O介质。移植FATFS后可以对单元的存储模块SD卡很方便的进行文件建立、文件删除、数据读写等操作。

结合图3，说明GPRS无线传输模块：嵌入式智能监控与维护单元使用借助于移动通信网络，使用GPRS无线数据传输方式实现远程数据传输。GPRS无线传输模块封装了AT指令，根据GPRS透明传输终端协议，远程服务器必须具有公网IP。运行监控程序的主站与GPRS数据终端处于同一级别，都必须具有统一分配的虚拟IP。该协议在TCP/IP 协议上运行，使用UDP 协议传输，数据报由包头和数据两部组成。GPRS无线传输模块主要实现与主控制器通信、转换状态信息包数据格式以及启动数据发送等功能。同时可通过GPRS无线网络对嵌入式系统软件的进行在应用编程实现软件版本的更新。

GPRS无线传输模块包括LPC2132微控制器、GTM900C GSM/GPRS模块、MAX3232电平转换芯片、AT24C02数据存储芯片以及电源模块，其中LPC2132与嵌入式智能监控与维护单元ARM控制器STM32F4芯片通过RS-232通信，LPC2132将STM32F4发送过来的数据通过GTM900C发送给远程维护中心服务器，同时接收远程维护中心发送的控制以及维护信息再发送给STM32F4 ARM微控制器，数据可暂时保存在AT24C02芯片中。

结合图4，说明系统软件设计：嵌入式系统软件结构分为驱动层、中间层以及应用层。驱动层是最底层的软件系统，为上层软件提供了设备的操作接口，包含了硬件抽象层HAL、板级支持包BSP和设备驱动程序；中间层包含了实时操作系统以及应用程序接口API，中间层封装了下层硬件驱动层并提供API给上层应用层调用；应用层是最上层的软件系统，主要是实现一定功能的软件模块。本系统要完成底层硬件驱动程序、设备驱动接口、多种通讯协议以及多任务系统内核的移植与编写。

实时操作系统选择工业领域中广泛使用的uC/OS-II，基于uC/OS-II实时操作系统建立其他应用程序任务。划分任务时按照以外设为对象、任务分割以及划分强实时性任务等原则，分配较低的优先级保证其他任务的运行。对于强实时性的任务，分析任务功能和代码，将最重要的核心部分放在中断服务子程序中执行，而其余部分形成一个单独的任务，通过信号量、消息邮箱或消息队列等任务同步机制实现信息的传递。

Claims (6)

1.一种制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：由远程维护中心和分布在异地的嵌入式智能监控与维护单元组成星形网络；嵌入式智能监控与维护单元包括微控制器、数据采集模块、数据交互模块、人机交互模块以及数据存储模块，远程维护中心包括系统状态监控、装备故障诊断模块和装备管理模块；嵌入式智能监控与维护单元采集制造装备现场运行数据，通过GPRS无线网络发送给远程维护中心，远程维护中心接收数据进行工况显示，故障发生后，远程维护中心应用智能故障诊断方法得到诊断结果并将维护报告回传给嵌入式智能监控与维护单元；同时针对制造装备现场的工控机，嵌入式智能监控与维护单元通过数据交互模块的以太网接口将制造装备现场运行数据发送给工控机，实现制造装备运行状态的本地监控功能。

2.根据权利要求1所述的制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：嵌入式智能监控与维护单元中，各模块与微控制器外设接口相连，微控制器通过接口与制造装备主控制器PLC进行实时数据交互获得制造装备系统参数和开关状态数据，通过传感器采集制造装备的压力、速度、加速度运行参数，同时通过摄像头采集装备整体运行状态；微控制器对采集到的数据进行去除、滤波前期处理，评估制造装备的运行状态，根据数据类型保存在不同的存储器中，再通过FSMC接口将数据传输给人机交互模块，在人机交互模块中显示装备实时运行状态。

3.根据权利要求1或2所述的制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：嵌入式智能监控与维护单元的中微控制器为ARM微控制器，ARM微控制器采用Cortex-M4内核的STM32F4系列芯片；ARM微控制器与制造装备主控制器PLC进行实时数据交互通过的接口为RS-485，RS-485接口采用RSM485嵌入式隔离收发器；ARM微控制器还预置RS-232、CAN通信接口。

4.根据权利1或2所述的制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于： 人机交互模块包括液晶显示器以及矩阵键盘，矩阵键盘与ARM微控制器相连，液晶显示器通过FSMC接口与ARM微控制器相连，并且采用CPLD结合SRAM驱动方式，实现了图形分层显示。

5.根据权利1或2所述的制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：数据交互模块包括以太网接口和GPRS无线传输模块，GPRS无线传输模块包括LPC2132微控制器、GTM900C GSM/GPRS芯片、MAX3232电平转换芯片、AT24C02数据存储芯片以及电源模块，其中各模块分别与LPC2132微控制器相连，LPC2132微控制器与ARM微控制器通过RS-232接口通信。

6.根据权利要求1所述的制造装备嵌入式智能监控与远程维护系统，其特征在于：远程维护中心各功能模块通过数据库实现数据交互，远程服务器接收嵌入式智能监控与维护单元通过GPRS网络发送过来的制造装备现场运行数据并保存在数据库中，系统状态监控模块读取以上数据显示制造装备的现场运行状态，装备故障诊断模块应用神经网络智能故障诊断方法对制造装备进行在线和离线故障诊断与维护，同时装备管理模块对监控的装备进行添加、删除操作。

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