CN103332600B - 基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统，系统主要包括设备感知层、控制接入层、网络通信层和管理应用层。塔机终端设备感知层与机载控制接入层通过CAN总线通信网络互联通信，建立了CAN总线通信网。塔机机载主控制器及其外围设备模块构成的主控制平台系统即为机载控制接入层，塔机现场控制中心与远程监控平台构成系统管理应用层。机载控制接入层与管理应用层的信息间交互有多种实现方式，工作人员通过系统管理应用层能及时掌握现场塔机的运作状况、故障情况和报警状态。该系统可实现对单塔机作业工况的在线监测与控制，为管理人员提供可靠、准确的实时信息，也便于管理人员作出最佳的控制决策，提高工作效率。

Description

基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统

技术领域

本发明涉及一种塔机智能监控及管理技术领域，尤其涉及一种基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统。

背景技术

塔机是一类蕴藏危险因素较多的特种设备。在塔机的作业过程中，由于超载、违规操作、风灾等诱因，塔机安全事故时有发生，给人民生命财产带来重大的灾难性后果。塔机事故率的居高不下，除人为因素外，不能对塔机工作的在线状态、位置、工作质量和施工进度等参数进行有效监控也是一个重要原因。虽然国家标准强制要求塔机上应装设起重量限制器、变幅幅度限位器、起重力矩限制器与报警及显示记录装等安全保护装置，但塔机事故依然屡屡发生。一方面由于传统塔机安全保护装置功能单一，当前应用于塔机的安全技术多侧重事后诊断，不能满足在线监控塔机工况的需求；另一方面，安全生产动态监管机制缺失，难以预防重大事故的发生。

目前，全球化的市场竞争促使中国的塔机智能化面临着机遇与挑战并存的态势。就目前的全球塔机市场份额而言，国内的一些塔机主导企业与国外的塔机企业相比，仍存在一定差距。究其原因，主要是国内产品质量参差不齐，技术水平落后于国外品牌。激烈的市场竞争越来越依赖于技术的竞争，这也促使对塔机的智能化水平提出了更高要求，因此提高塔机智能化水平也是当前塔机企业提升产品市场竞争力的关键点。

随着微电子技术、物联网通信技术、嵌入式技术等高新技术产业的快速发展，塔机安全监控系统也越来越普遍，如何提高系统的可靠性与智能化监控水平，成为当前塔机安全监控领域研究的热点之一。现有的塔机安全监控系统的设计方案层出不穷，但都忽视了对塔机基本工作参数的可靠采集、传输与人性化的显示，或者单一采集某一种工况参数，无法满足能反映塔机安全运行的多参数值的数据采集及传输。为解决这一矛盾，也有很多人提出了自己的设计方案，但纵观其实现方案，大多采用复杂的布线或复杂的控制技术，例如PLC的软件和硬件体系结构是封闭的而不是开放的，不同公司的PLC产品在寻址、语法结构等方面不一致，使得各种PLC互不兼容。此外，绝大多数的PLC是专用总线、专用通讯网络及协议，且各厂家的PLC编程语言都只能适合本厂的产品。

针对现有塔机安全监控仪缺乏通用性、可扩展性和人机交互的智能化，本发明的实施提供了一种基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统通过对塔机工况参数的实时在线监控，给塔机操作人员提供一个全面的参考；也通过记录存储塔机整个运行期间的工况参数，为预防塔机事故提供可靠的数据分析依据。

发明内容

针对现有塔机安全监控仪缺乏通用性、可扩展性和人机交互的智能性，本发明的实施提供了一种基于现场总线的塔机智能监控系统，实现对塔机运行状态的监控管理，完成塔机工况信息共享的物联网下塔机集群化作业的智能监控管理，解决了塔机集群化作业的单机智能化需求，重点解决了塔机机载安全监控系统的操作系统不稳定性问题。

本发明涉及一种基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统，该系统包括设备感知层、控制接入层、网络通信层和管理应用层。终端设备感知层与机载控制接入层通过CAN总线通信网络互联通信，应用CAN总线组网通信技术建立了CAN通信网。塔机主控制器及其外围设备构成的主控制平台系统构成机载控制接入层，塔机现场控制中心与远程监控平台构成系统管理应用层。机载控制接入层与管理应用层的信息间交互有多种实现方式，系统通过ZigBee无线通信网络实现与现场主控中心的近距离通信。

设备感知层由终端智能节点组成，主要完成单塔机工况的参数采集、单塔机的定位等功能。由塔机监测系统中的传感器（起重量传感器、起升高度传感器、回转角度传感器、变幅幅度传感器等）和嵌入式微控制器（本发明选择C8051F040)完成工作参数（起重量、起升高度、回转角度、变幅幅度等）的采集和转换处理，并将处理后的数据发送给CAN通信模块，然后传输到CAN总线通信网。同时，设备感知层也可以接受主控系统发送的控制信号，进行设备监控。

控制接入层包括单塔机的主控制平台、智能网关、网络协调器等，其可通过ZigBee模块实现与现场控制中心的近距离无线通信。在系统需要时，其可通过外设的无线远程模块GPRS或者以太网网口将数据传送至远程监控平台。

网络通信层包括系统核心承载网络，如CAN总线通信网、ZigBee无线通信网络、GPRS网络、2G/3G网络等。其通过CAN总线通信网实现设备感知层与控制接入层之间的通信，通过ZigBee无线通信网络实现控制接入层与现场控制中心之间的通信，通过GPRS或者以太网网口实现控制接入层与管理应用层之间的通信。

管理应用层主要针对用户终端及安全监管部门，用户和安监部门可以通过网络层来实时调用塔机工况参数的历史数据库，通过浏览器等工具实现塔机运行状态的在线监控。其通过与机载主控制平台的信息交互，及时掌握现场塔机的运作状况、故障情况和报警状态，为管理人员提供可靠、准确的实时信息，也便于管理人员作出最佳的控制决策，提高工作效率。

本发明采用模块化设计，主要包括：嵌入式主板模块、CAN通信模块、ZigBee模块、声光报警模块、继电器输出控制模块和LCD显示模块等，所有模块接口与外围设备间采用插拔式连接。

嵌入式主板模块是塔式起重机智能监控系统的主控核心，该模块采用嵌入式微处理器ARM11为核心，板载DDR和NAND FLASH存储器，其中NAND Flash接口是一个I/O接口。系统对NAND Flash设备的数据访问时，需要先向NAND Flash 设备发出相关命令和参数，然后再读出需要的数据。NAND Flash 设备内部有地址寄存器，用来锁存数据总线上传来的地址；而数据寄存器则用来存储读出或者写入的数据。塔机主控制平台的实时数据存储以NAND Flash为存储器，S3C6410处理器拥有针对NAND Flash设备的接口，而且设计中考虑支持对存储卡的热插拔，方便数据下载，满足塔机智能监控系统的功能需求。另外，该系统可扩展一定内存的CF卡，用于备份塔机运行过程中的数据。同时，该系统设有JTAG、USB、I/O、音频、触摸屏接口，所有接口与外围设备之间采用插拔式连接，实现了系统的灵活配置，并增强了系统的抗震性。

现场总线模块是底层设备与主控制平台的数据通信媒介。根据塔机安全监控系统的需求分析，需要对塔机底层复杂、分散的控制对象进行监控。由于这些控制对象往往同时并且独立地工作，传统点对点式布线麻烦；若在底层采用无线采集方式，系统抗干扰性差。鉴于现场总线控制系统较之DCS系统在适应范围、可扩展性、可维护性和抗故障能力等方面具有明显的优越性，因此利用现场总线作为底层设备与主控制平台的数据通信媒介，实现塔机上分散的终端智能节点的互联通信，完成对塔机工况参数、位置等信息的实时采集与传输。

Zigbee模块用于实现主控制平台与现场控制中心之间的无线传输。ZigBee技术的主要特征是低速率无线网络，其功耗和成本都很低。此外，ZigBee技术的抗干扰性强。ZigBee技术的抗干扰特性主要指同一区域空间通信中抗同频干扰的能力，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。

声光报警模块用于声光报警，在危险状态下通过声音和各种光来发出示警信号，以此避免事故的发生。

本发明采用继电器输出控制模块，接点容量大，允许电压高，一般没有公共端，可以直接驱动中小功率的负载。

LCD模块用于为主控制平台提供可视化界面。

本发明将传统集散控制系统中机载主控制层的部分控制功能下放到终端监控单元中，终端智能单元完成塔机实时状态参数采集、处理、控制运算、输出等工作。

塔机终端设备感知层由多个终端智能节点构成，典型的终端智能节点由以C8051F040为核心的智能数据采集板、CAN通信模块和目标参数采集传感器组成，它可以完成塔机终端数据采集、转换与传输通信功能。

各个智能终端节点与塔机主控主控制平台的CAN总线通信模块通过CAN总线通讯电缆线相连接，组成CAN通信网络，完成塔机终端数据的在线传输的功能。

本发明通过CAN总线组网通信技术将分布于塔机上的各终端智能单元连成现场总线通信网络，与主控制平台的信息交互通过CAN总线通信网实现。塔机终端智能单元系统是塔机智能监控系统的重要子系统，主要包括CAN通信模块、目标参数传感器和智能数据采集板等。

本发明的CAN总线式网络拓扑结构在总线的终端接入总线终结器，以防止通信信号回波的反射干扰。在此，用一个与总线介质的特性阻抗相匹配的终端电阻R来实现，以此可提高系统的稳定性、增强系统的抗干扰能力，R值取120Ω 。

为满足塔机智能监控系统对实时性和可靠性的要求，本发明中以S3C6410为核心的主控制平台选择使用嵌入式Linux系统管理应用程序多进程任务的调度。为了进一步提高软件运行的性能，在编程过程中采用了多线程技术，使应用软件的主要线程分时并行运行。

本发明软件系统主要由底层嵌入式操作系统与应用系统软件共同组成，应用系统软件主要分为主控制平台与终端智能监控单元应用软件，其中主控制平台应用软件模块包括管理模块、人机交互模块和通信模块，终端智能单元应用软件模块主要包括数据采集转换模块、CAN通信模块等。

本发明嵌入式应用软件开发采用基于优先级的轮转法调度策略，以便能够分时并行地调用多个任务。由于各任务的实时性要求不同，通过划分优先级，可使实时性要求高的任务优先得到调度，以此保证系统的实时性的要求。

为达到所述目的，本发明根据塔机智能监控系统的控制要求，多个不同优先级的控制任务分时并行的运行于嵌入式Linux系统。

本技术把接收现场控制中心的调度任务分配到最高的优先级，其他任务也根据相对的重要性和执行顺序分配相应的优先级。这些任务按照优先级由高到低分别为：接收现场控制中心调度，接收用户的控制指令，采集终端智能单元的参数信息，控制输出设备，显示塔机的状态参数，发送数据到现场控制中心，存储塔机工况信息。

为达到所述目的，本发明塔机机载平台系统与现场监控中心之间的无线通信传输策略采用实时数据传输与缓存数据传输相结合的数据传输策略，其无线传输方式采用近距离无线传输技术—ZigBee。

缓存数据传输策略可保证采集的数据信息不丢失，同时数据采集频率不受ZigBee无线通讯网络影响。当无线数据通讯状况良好，且对数据采集频率要求不高时，使用实时数据传输策略，保证数据传输的实时性；当无线数据通讯状况较差，或对数据采集频率要求较高时，使用缓存数据传输策略，保证采集数据不丢失。本发明系统应用软件设计中设置了实时及历史数据库模块，以备操作者实时查询历史数据。

缓存数据传输策略可分为数据采集存储和数据传输两个步骤，但两个步骤是相对独立的，数据采集存储与数据传输可分别同时进行。数据采集存储根据采集的每帧数据信息的时间标签按一定规则存储至数据存储器中；数据传输则根据目标时间段的起止时间标签（该时间段由现场控制中心指定）查询存储器上相应的数据信息，读取目标时间段内的每帧数据信息并传输至现场控制中心。

由于缓存数据传输策略中两个步骤的独立性，可灵活处理实时数据传输策略与缓存数据传输策略的配合使用问题。缓存数据传输的数据采集存储步骤可与实时数据传输同时进行，而缓存数据传输的数据传输步骤，则根据需要由现场监控中心控制完成。两种策略的工作状态及其参数，均可由现场监控中心远程配置，在系统应用软件设计中可通过系统设置与权限管理模块实现。

本发明中，当ZigBee无线数据通讯方式失效时，缓存数据传输的数据采集存储步骤将自动开启，以此保证采集的数据信息不丢失。

本发明的有益效果或优点：1）完成了塔机工况信息共享的物联网下塔机集群化作业的智能监控管理，解决了塔机集群化作业的单机智能化需求，重点解决了塔机机载安全监控系统的操作系统不稳定性问题。2）塔机运行状态的在线监控功能，使用户和安监部门及时掌握现场塔机的运作状况、故障情况和报警状态，为管理人员提供可靠、准确的实时信息，也便于管理人员作出最佳的控制决策，提高工作效率。3）利用现场总线作为底层设备与主控制平台的数据通信媒介，实现了塔机上分散的终端智能节点的互联通信，完成了对塔机工况参数、位置等信息的实时采集与传输。4）采用基于优先级的轮转法调度策略，能够分时并行地调用多个任务。通过划分优先级，使实时性要求高的任务优先得到调度，以此保证了系统的实时性的要求。5）实时数据传输与缓存数据传输相结合的数据传输策略，在保证数据传输的实时性的前提下，可保证采集的数据信息不丢失，同时数据采集频率不受ZigBee无线通讯网络影响。

附图说明

下面参考附图，详细说明本发明专利的具体实施方式。

图1为终端智能单元的CAN通信电路原理图。

图2为塔机终端智能单元系统结构图。

图3为嵌入式主控制平台功能模块示意图。

图4为CAN总线通信中断进程流程图。

图5为塔机终端智能单元的CAN总线通信流程图。

图6为塔机主控制器的CAN总线通信流程图。

具体实施方式

基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统，包括：设备感知层、控制接入层、网络通信层和管理应用层，其特征在于：设备感知层完成塔机单机工况参数采集、单塔机定位功能，如智能传感器、RFID技术应用；控制接入层与设备感知层通过CAN总线通信网络互联通信，建立了CAN总线通信网，控制接入层包括单塔机的主控制平台、智能网关、网络协调器；网络通信层是设备感知层与控制接入层、控制接入层与管理应用层信息交互的桥梁，前者的信息交互传输通过CAN总线通信网来实现，后者的信息交互传输通过Zigbee和以太网来实现；管理应用层主要针对用户终端，现场用户端通过近距离通信网络来实时调用塔机工况参数的历史数据库，远程客户端通过远程网络浏览器在线监控塔机的安全运行。

塔机终端设备感知层与机载控制接入层通过CAN总线通信网络互联通信，CAN总线通信网将塔机终端状态信息及时反馈到塔机机载控制器中；塔机机载主控制器通过外设接口与其外围设备模块构成主控制平台系统即机载控制接入层，塔机现场控制中心与远程监控平台构成系统管理应用层；机载控制接入层与管理应用层的信息间交互有多种实现方式，系统通过ZigBee无线通信网络实现与现场主控中心的近距离通信，也可通过外设的以太网网口将数据通过Internet传送至远程监控平台，远程客户端通过系统管理应用层能及时掌握现场塔机的运作状况、故障情况和报警状态。

主控制平台由以嵌入式微处理器ARM11为核心的S3C6410主控制器与外围模块组成，主控制器上设置了DDR和NAND FLASH存储器，用于存储通过CAN总线通信网络反馈得到的塔机状态信息；同时设有JTAG、USB、I/O、音频、触摸屏接口，通过外设接口，外围设备模块与主控制器相连接，外设模块包括CAN通信模块、ZigBee模块、声光报警模块、继电器输出控制模块和LCD显示模块。

塔机终端设备感知层由多个终端智能节点构成，典型的终端智能节点由目标参数采集传感器、CAN通信模块和以C8051F040为核心的智能数据采集板组成，它完成塔机终端数据采集、转换与传输通信功能。

各个节点与塔机主控制平台的CAN总线通信模块通过CAN总线通讯电缆线相连接，组成CAN通信网络，完成塔机终端数据的在线传输的功能。

软件系统主要由底层嵌入式操作系统与应用系统软件共同组成，应用系统软件分为主控制平台与终端智能监控单元应用软件，其中主控制平台应用软件模块包括管理模块、人机交互模块和通信模块，终端智能单元应用软件模块包括数据采集转换模块、CAN通信模块。

塔机机载平台系统与现场监控中心之间的无线通信传输策略采用实时数据传输与缓存数据传输相结合的数据传输策略，其无线传输方式采用近距离无线传输技术—ZigBee。

塔机机载主控制平台的操作控制界面为可视化的人机交互触摸式界面。

如图1所示，为终端智能单元的CAN通信电路原理图。为增强CAN通讯网抗干扰能力，在C8051F040和 SN65HV230之间增加两个高速光耦合器6N137。CANH与CANL之间并联两个30pF的小电容有助于滤除总线的高频干扰，在CANH与CANL引脚各串联一个5Ω小电阻与总线相连以起到限流作用。通过调节引脚P3.6和跳线片JP2改变加在RS引脚上的电压，可以改变总线收发器SN65HVD230的工作模式。在CANH和CANL输出引脚间并联一个电阻，作为CAN总线的终端电阻，在本单元作CAN总线最远端的终端单元时，闭合跳线片JP2使120Ω终端电阻工作，即此时该CAN通信模块是终结模块。

图2为塔机终端智能单元系统结构图。系统通过CAN总线组网通信技术将分布于塔机上的各终端智能单元连成现场总线通信网络，与主控制平台的信息交互通过CAN总线通信网实现。塔机终端智能单元系统是塔机智能监控系统的重要子系统，主要包括CAN通信模块、目标参数传感器和智能数据采集板等。CAN总线式网络拓扑结构需要在总线的终端接入总线终结器，以防止通信信号回波的反射干扰。在此，用一个与总线介质的特性阻抗相匹配的终端电阻R来实现，以此可提高系统的稳定性、增强系统的抗干扰能力，R值取120Ω 。

本发明以16/32位RISC微处理器S3C6410为核心的主控制平台实现对塔机运行过程状态的实时显示、记录、存储和报警，并将从终端设备层采集的数据及时传送给管理应用层，以便管理层做出优化配置的决策。

S3C6410处理器是基于ARM11架构的低功耗、高性能的嵌入式SoC处理器，旨在提供一个具有成本效益、功耗低，性能高的应用处理器解决方案，如图3所示。其64/32位内部总线结构由AXI、AHB和APB总线组成。S3C6410 有一个优化的接口连线到外部存储器。存储器系统具有双重外部存储器端口、DRAM 和 FLASH/ROM/ DRAM 端口。DRAM 的端口可以配置为支持移动DDR，DDR，移动 SDRAM和SDRAM。FLASH/ROM/DRAM端口支持NOR-FLASH、NAND FLASH、ONENAND、CF、ROM类型外部存储器和移动DDR、DDR、移动SDRAM和SDRAM。为减少系统总成本和提高整体功能，主控制平台上设置了许多硬件外设，包括Flash、JTAG、扩展I/O口、USB口、触摸屏接口等，主控制平台上设置有插槽，所有接口和外围设备的连接都采用插拔式。

如图4，CAN总线通信在塔机终端设备层与主监控平台间起到桥梁式的“沟通”作用，CAN总线通信模块在底层数据传输中起到至关重要的作用，因此CAN总线通信模块的程序设计关系到整个通信网络的稳定性。CAN总线通信程序由系统初始化程序、CAN总线发送程序和接收程序组成。在终端数据采集系统中核心控制器C8051F040先对自身系统及CAN总线初始化，再采用CAN查询方式发送数据，而主控制平台对从CAN总线通信网上读取来的信息则采用中断方式，这种中断设计可以提高系统通信的实时性要求。在读取CAN总线信息时，首先判断中断标志位是否发生错误，在中断请求正常的前提下，系统根据需求是否接收中断，若接收中断请求，则先清除接收中断标志位，再从接收缓冲区中读取数据。

如图5、6所示，在系统应用软件总体设计中，主控制平台与塔机终端数据采集系统中都设有CAN总线通信模块，二者在完成数据发送传输与数据接收的过程中，遵循CAN总线通信协议，通过判断数据发送缓冲区与接收缓冲区的释放状态，决定是否将数据写入发送缓冲区或者从接收缓冲区读取数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及此发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于现场总线的塔机嵌入式智能监控系统，包括：设备感知层、控制接入层、网络通信层和管理应用层，控制接入层与设备感知层通过CAN总线通信网络互联通信，建立了CAN总线通信网，控制接入层包括单塔机的主控制平台、智能网关、网络协调器；网络通信层是设备感知层与控制接入层、控制接入层与管理应用层信息交互的桥梁，前者的信息交互传输通过CAN总线通信网来实现，后者的信息交互传输通过Zigbee和以太网来实现；管理应用层主要针对用户终端，现场用户端通过近距离通信网络来实时调用塔机工况参数的历史数据库，远程客户端通过远程网络浏览器在线监控塔机的安全运行,塔机终端设备感知层与机载控制接入层通过CAN总线通信网络互联通信，CAN总线通信网将塔机终端状态信息及时反馈到塔机机载控制器中；塔机机载主控制器通过外设接口与其外围设备模块构成主控制平台系统即机载控制接入层，塔机现场控制中心与远程监控平台构成系统管理应用层；机载控制接入层与管理应用层的信息间交互有多种实现方式，系统通过ZigBee无线通信网络实现与现场主控中心的近距离通信，也可通过外设的以太网网口将数据通过Internet传送至远程监控平台，远程客户端通过系统管理应用层能及时掌握现场塔机的运作状况、故障情况和报警状态，设备感知层采用RFID完成塔机单机工况参数采集、单塔机定位功能，其特征在于：主控制平台由以嵌入式微处理器ARM11为核心的S3C6410主控制器与外围模块组成，主控制器上设置了DDR和NAND FLASH存储器，用于存储通过CAN总线通信网络反馈得到的塔机状态信息；同时设有JTAG、USB、I/O、音频、触摸屏接口，通过外设接口，外围设备模块与主控制器相连接，外设模块包括CAN通信模块、ZigBee模块、声光报警模块、继电器输出控制模块和LCD显示模块，塔机终端设备感知层由多个终端智能节点构成，典型的终端智能节点由目标参数采集传感器、CAN通信模块和以C8051F040为核心的智能数据采集板组成，它完成塔机终端数据采集、转换与传输通信功能，各个节点与塔机主控制平台的CAN总线通信模块通过CAN总线通讯电缆线相连接，组成CAN通信网络，完成塔机终端数据的在线传输的功能。

2.根据权利要求1所述的塔机嵌入式智能监控系统，其特征在于：软件系统主要由底层嵌入式操作系统与应用系统软件共同组成，应用系统软件分为主控制平台与终端智能监控单元应用软件，其中主控制平台应用软件模块包括管理模块、人机交互模块和通信模块，终端智能单元应用软件模块包括数据采集转换模块、CAN通信模块。

3.根据权利要求1所述的塔机嵌入式智能监控系统，其特征在于：塔机机载平台系统与现场监控中心之间的无线通信传输策略采用实时数据传输与缓存数据传输相结合的数据传输策略，其无线传输方式采用近距离无线传输技术—ZigBee。