CN103984323A - 一种集成化可配置工业信息监测分析控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于网络化大数据监测分析技术领域，具体为一种集成化可配置工业信息监测分析控制系统。本发明使用AM3359工业级ARM架构处理器，开发设计了高度集成化的数据采集分析系统，提供16路标准模拟输入通道、16路标准数字控制输出接口以及外带14路通用串行总线接口；信息监测分析系统使用QT开发，具有高度自由化可配置型功能，能够适合不同类型的大数据监测目标以及多样的的现场环境，实现多现场复用监测控制；数据通信系统采用工业级以太网以及GPRS无线数据传输两种模式，最大程度保证数据传输可靠性。本发明集成化程度高，将数据采集、处理、分析、存储、传输、控制、报表打印等多种功能集成在统一系统中，降低的系统功能冗余度，提高系统效率。
Description
技术领域
本发明属于网络化大数据监测分析技术领域，具体涉及一种工业信息监测分析智能化控制系统。
背景技术
随着工业现场环境复杂度不断加强，关于现场大数据信息监测与分析的要求也在逐渐提高。同时为了配合现场多种大型流水线设备控制以及大型机组过程控制，现代工业现场对于控制方法的要求也在不断提高。但从目前的情况来看，当前的工业现场仍然在使用传统的具有高结构复杂度的分散型数据采集分析控制系统，这类系统从分布式结构的复杂程度上来说存在极大的隐患，同时也给安装和维修带来极大的困难。另外这类系统从数据分析能力以及控制方法技术方面来看较为死板缺乏灵活性，无法达不到现代大型工业现场的需求，降低了工业环境的效率，也影响了工业现场资源的有效利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够满足大型工业现场对于大数据信息采集分析控制的集成化和灵活性的需求的工业信息监测分析控制系统。
本发明使用AM3359工业级ARM架构处理器，开发设计了高度集成化的数据采集分析系统，提供16路标准模拟输入通道、16路标准数字控制输出接口以及外带14路通用串行总线接口；信息监测分析系统使用QT开发，具有高度自由化可配置型功能，能够适合不同类型的大数据监测目标以及多样的的现场环境，实现多现场复用监测控制；数据通信系统采用工业级以太网以及GPRS无线数据传输两种模式，最大程度保证数据传输可靠性。
本发明提供的工业信息监测分析控制系统，其硬件结构框图如图1所示。系统硬件结构由五大部分组成：中央处理器模块；信号输入输出模块；UART扩展接口模块；智能人机交互显示模块；通信模块（包括无线通信模块和有线通信模块）。
1、中央处理核心模块
中央处理核心模块采用集成化中央处理结构，模块结构图见图2所示。核心模块部分搭载系统CPU，型号为德州仪器公司（TI）Cortex-A8系列ARM架构工业级嵌入式处理器AM3359，整个数据采集控制分析系统集成在同一块主板上， Cortex-A8处理器强大的集成化处理能力能够使得系统不依靠传统工控机系统即可实现对大数据采集及处理的要求，最大程度减少系统集成的难度。
中央处理器模块具备连接外部设备的各路接口，包括：LCD接口、通用串行总线接口（即串口2~串口13）、网络接口、USB接口、SD卡接口、信号交换接口。其中，LCD接口连接外部显示输出以及触摸屏输入功能模块，用以完成对系统的操作配置以及显示系统工作状态等功能；通用串行总线接口（串口2~串口13）连接外部UART总线扩展模块，用以支持系统与其它外部设备的交互功能；网络接口用以连接外部有线网络传输模块以及无线网络传输模块，负责数据格式转换以及网络变压器等功能；USB接口与SD卡接口连接外部存储设备，支持系统的大数据处理功能；信号交换接口用以支持外部模拟信号数字信号输入输出模块，将外部采集的信号统一转化为相同格式与核心模块处理器进行信号交换传输。
2、信号输入输出模块
信号输入输出模块由数据采集部分将外部数据进行采集处理，同时输出控制信号。其中，数据采集部分采用研华ADAM-4117以及ADAM-4055数据采集卡，可以将外部标准模拟电压信号（0-5V，0-150mV，0-1V，0-10V）、标准模拟电流信号（0-20mA，4-20mA）、标准逻辑数字信号（干接点逻辑信号，湿接点逻辑信号）进行处理，转换打包为通用串行数据格式，通过RS-485电气协议传输给中央处理核心模块。
3、UART扩展接口模块
由于中央处理器AM3359的UART接口资源的限制，只能支持6路通用串行总线接口，因此需要通过接口扩展技术进行接口扩展。AM3359具备两路SPI总线接口，这里使用VK3224通过协议转换技术来扩展通用串行总线接口。VK3224是SPI接口的4通道UART器件，可以实现SPI桥接/扩展4个UART接口的功能。通过特有指令集控制VK3224的每个子通道的波特率、字长、校验格式、通信速率可以将每个子通道设置为不同的工作模式。子通道具备收发独立的16 BYTE FIFO，FIFO的中断为4级可编程条件触发点。使用两片VK3224将AM3359的两路SPI总线利用起来增加8路通用串行总线，此处的8路通用串行总线均为全双工，可以通过软件开启/关闭、设置为是否接受数据广播等模式，支持XON/XOFF的软件自动流量控制、XON/XOFF可编程字符自动发送/识别，支持网络地址自动识别功能。具体的硬件电路设计如图3所示。
4、智能人机交互显示模块
采用京东方BOE 10.4寸显示触摸屏BA104S01-100作为交互显示部分。
5、通信模块
通信模块包括有线通信模块和无线通信模块；有线通信模块采用双路工业以太网接口（RJ-45接口）模式，接口基于IEEE 802.3 (Ethernet)强大的区域和单元网络，能够自适应10M/100M/1000M波特率传输，接口芯片为AR8035，接口硬件电路设计如图4所示；无线通信模块采用通用无线分组服务技术（GPRS），引入分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。
本发明的优势：
1、外部复用接口丰富，可以应付不同环境下信息采集的要求，同时方便大型工业控制网络的组网需要。
2、大数据分析功能强大，可以从多个角度反映大数据信息的实质内容。
3、集成化程度高，将数据采集、处理、分析、存储、传输、控制、报表打印等多种功能集成在统一系统中，降低的系统功能冗余度，提高系统效率。
4、功能自由度高，可以根据需要配置与采集目标相关的数据显示格式、报表格式、过程控制功能等。
附图说明
图1为主系统硬件结构图。
图2为中央核心处理模块结构图。
图3为扩展UART电路原理图。
图4为有线通信模块接口硬件电路图。
具体实施方式
一、硬件结构
主系统硬件结构框图如图1所示。系统硬件结构由六大部分组成：中央处理器模块；信号输入输出模块；UART扩展接口模块；智能人机交互显示模块；通信模块（无线通信模块、有线通信模块）。
1. 中央处理核心模块
系统中央核心处理模块采用集成化中央处理结构，模块结构图见图2所示。核心模块部分搭载系统CPU，型号为德州仪器公司（TI）Cortex-A8系列ARM架构工业级嵌入式处理器AM3359，整个数据采集控制分析系统集成在同一块主板上， Cortex-A8处理器强大的集成化处理能力能够使得系统不依靠传统工控机系统即可实现对大数据采集及处理的要求，最大程度减少系统集成的难度。
中央处理器模块具备连接外部设备的各路接口。LCD接口连接外部显示输出以及触摸屏输入功能模块，用以完成对系统的操作配置以及显示系统工作状态等功能；通用串行总线接口（串口2~串口13）连接外部UART总线扩展模块，用以支持系统与其它外部设备的交互功能；网络用以连接外部有线网络传输模块以及无线网络传输模块，负责数据格式转换以及网络变压器等功能；USB接口与SD卡接口连接外部存储设备，支持系统的大数据处理功能；信号交换接口用以支持外部模拟信号数字信号输入输出模块，将外部采集的信号统一转化为相同格式与核心模块处理器进行信号交换传输。
2. 信号输入输出模块
信号输入输出模块将外部数据进行采集处理，同时输出控制信号。数据采集部分采用研华ADAM-4117以及ADAM-4055数据采集卡，可以将外部标准模拟电压信号（0-5V，0-150mV，0-1V，0-10V）、标准模拟电流信号（0-20mA，4-20mA）、标准逻辑数字信号（干接点逻辑信号，湿接点逻辑信号）进行处理，转换打包为通用串行数据格式，通过RS-485电气协议传输给中央处理核心模块。
3. UART扩展接口模块
由于中央处理器AM3359的UART接口资源的限制，只能支持6路通用串行总线接口，因此需要通过接口扩展技术进行接口扩展。AM3359具备两路SPI总线接口，这里使用VK3224通过协议转换技术来扩展通用串行总线接口。VK3224是SPI接口的4通道UART器件，可以实现SPI桥接/扩展4个UART接口的功能。通过特有指令集控制VK3224的每个子通道的波特率、字长、校验格式、通信速率可以将每个子通道设置为不同的工作模式。子通道具备收发独立的16 BYTE FIFO，FIFO的中断为4级可编程条件触发点。使用两片VK3224将AM3359的两路SPI总线利用起来增加8路通用串行总线，此处的8路通用串行总线均为全双工，可以通过软件开启/关闭、设置为是否接受数据广播等模式，支持XON/XOFF的软件自动流量控制、XON/XOFF可编程字符自动发送/识别，支持网络地址自动识别功能。具体的硬件电路设计如图3所示，其中U11与U12为两片VK3224，工作晶振为14.745MHZ，扩展出8路UART逻辑接口。然后经由ZT3232LEEN芯片进行电平转换，转换为标准RS-232协议信号电平。
4. 智能人机交互显示模块
采用京东方BOE 10.4寸显示触摸屏BA104S01-100作为交互显示部分。
5. 通信模块
有线通信模块采用双路工业以太网接口（RJ-45接口）模式，接口基于IEEE 802.3 (Ethernet)强大的区域和单元网络，能够自适应10M/100M/1000M波特率传输，接口芯片为AR8035，接口硬件电路设计如图4所示。其中接收CPU信号管脚为RXD0~RXD3，向CPU发送数据信号管脚为TXD0~TXD3。同时通过TRXP0~TRXP3以及TRXN0~TRXN3与网络变压器进行通信，与RJ45接口进行数据交换；无线通信模块采用通用无线分组服务技术（GPRS），引入分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自占有无线信道。在会话期间，许多应用往往有不少的空闲时段。对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。
二、整个系统还包括软件系统
软件开发平台版本为：qt-everywhere-opensource-src-4.8.5.tar
系统平台版本为：linux-3.2.0-04.06.00.08-IAC335X-4G08-20130723.tar
软件系统包括如下功能模块：
1、数据显示功能模块：
（1）软件系统能将现场采集到的数据实时显示在主界面上，采集的数据有：计前压力、计前温度、烟道动压、烟道静压、烟气温度、室内温度和室内湿度；
（2）软件系统的主界面具有三个指示灯用于监测现场的液位情况，当液位超过指定位置时，指示灯会从绿色变成红色。
2、 计算功能模块：
软件系统能使用相应的算法将现场收集到的数据进行分析和计算，从而得到标态盐酸雾排放浓度。
3、 数据库功能模块：
软件系统能将求到的标态目标物浓度及时间存放到数据库中并根据时间信息生成小时均值浓度表以及天均值浓度表。此外，用户可以根据自己的需求设置查询的起始时间和截止时间，从而搜索在该时间段内的采集数值。
4 、控制功能模块：
软件系统能发出一系列的控制指令来控制一系列的机械设备，从而实现反吹、排容、补液、定容、采样、分析的功能。此外，控制系统还拥有时间设定功能，可以设定每个控制步骤的执行时间，现场人员可以根据实际需要调节每个控制环节的执行时间。
5、 曲线查询模块：
软件系统可以将采集数据绘制成曲线，用于可以通过曲线察看近期的目标值以及监测目标的变化趋势。
6、 监测与报警功能模块：
软件系统能实时监测控制平台的状态和目标值，当目标值超标时，系统会发出相应的警告。当目标值严重超标时，系统会停止运行。
7、 远程通讯功能模块：
在线监控系统具有以太网通信以及GPRS通信功能，能定期将现场的氯化氢浓度信息发送给上位机，从而实现了远程通讯以及远程通讯的功能。
本发明具有如下优点：
1、本系统通过网络化控制可以实现大型工业现场网络化大数据监测分析技术以及智能化控制。
2、本系统具有实时监测功能，能够及时通过有线网络及GSM向上位机反馈现场状态和工作情况。
3、本系统具有高度灵活性，所有监测以及控制的模式均可以根据需求自由配置，可以适应不同环境的工业现场，为工业现场的监测控制提供一体化服务。
4、系统稳定可靠，信息传输速度快，网络覆盖面广，控制方式多样化。
Claims (2)
1. 一种集成化可配置工业信息监测分析控制系统，其特征在于，系统硬件结构由中央处理器模块、信号输入输出模块、UART扩展接口模块、智能人机交互显示模块和通信模块组成；其中：
所述中央处理核心模块采用集成化中央处理结构，其核心模块部分搭载系统CPU，型号为德州仪器公司Cortex-A8系列ARM架构工业级嵌入式处理器AM3359，整个数据采集控制分析系统集成在同一块主板上；
中央处理器模块具备连接外部设备的各路接口，包括：LCD接口、通用串行总线接口即串口2~串口13、网络接口、USB接口、SD卡接口、信号交换接口；其中，LCD接口连接外部显示输出以及触摸屏输入功能模块，用以完成对系统的操作配置以及显示系统工作状态功能；通用串行总线接口即串口2~串口13连接外部UART总线扩展模块，用以支持系统与其它外部设备的交互功能；网络接口用以连接外部有线网络传输模块以及无线网络传输模块，负责数据格式转换以及网络变压器等功能；USB接口与SD卡接口连接外部存储设备，支持系统的大数据处理功能；信号交换接口用以支持外部模拟信号数字信号输入输出模块，将外部采集的信号统一转化为相同格式与核心模块处理器进行信号交换传输；
所述信号输入输出模块由数据采集部分将外部数据进行采集处理，同时输出控制信号；其中，数据采集部分采用研华ADAM-4117以及ADAM-4055数据采集卡，将外部标准模拟电压信号、标准模拟电流信号、标准逻辑数字信号进行处理，转换打包为通用串行数据格式，通过RS-485电气协议传输给中央处理核心模块；
中央处理器AM3359具备两路SPI总线接口，这里使用VK3224通过协议转换技术来扩展通用串行总线接口；VK3224是SPI接口的4通道UART器件，可以实现SPI桥接/扩展4个UART接口的功能；通过特有指令集控制VK3224的每个子通道的波特率、字长、校验格式、通信速率可以将每个子通道设置为不同的工作模式；子通道具备收发独立的16 BYTE FIFO，FIFO的中断为4级可编程条件触发点；所述UART扩展接口模块是使用两片VK3224将AM3359的两路SPI总线利用起来增加8路通用串行总线，此处的8路通用串行总线均为全双工，通过软件开启/关闭、设置为是否接受数据广播等模式，支持XON/XOFF的软件自动流量控制、XON/XOFF可编程字符自动发送/识别，支持网络地址自动识别功能；
所述智能人机交互显示模块采用京东方BOE 10.4寸显示触摸屏BA104S01-100作为交互显示部分；
所述通信模块包括有线通信模块和无线通信模块；有线通信模块采用双路工业以太网接口即RJ-45接口模式，接口基于IEEE 802.3强大的区域和单元网络，能够自适应10M/100M/1000M波特率传输，接口芯片为AR8035；无线通信模块采用通用无线分组服务技术，引入分组交换的传输模式。
2. 根据权利要求1所述的集成化可配置工业信息监测分析控制系统，其特征在于，还包括软件系统；软件系统包括如下功能模块：
（1）数据显示功能模块，包括：
将现场采集到的数据实时显示在主界面上，采集的数据有：计前压力、计前温度、烟道动压、烟道静压、烟气温度、室内温度和室内湿度；
软件系统的主界面具有三个指示灯用于监测现场的液位情况，当液位超过指定位置时，指示灯会从绿色变成红色；
（2）计算功能模块：计算功能模块使用相应的算法将现场收集到的数据进行分析和计算，得到标态盐酸雾排放浓度；
（3）数据库功能模块：数据库功能模块将求到的标态目标物浓度及时间存放到数据库中，并根据时间信息生成小时均值浓度表以及天均值浓度表；此外，用户可以根据自己的需求设置查询的起始时间和截止时间，从而搜索在该时间段内的采集数值；
（4）控制功能模块：控制功能模块通过发出控制指令来控制一系列的机械设备，实现反吹、排容、补液、定容、采样、分析的功能；此外，控制功能模块还拥有时间设定功能，可以设定每个控制步骤的执行时间，现场人员可以根据实际需要调节每个控制环节的执行时间；
（5）曲线查询模块：曲线查询模块将采集数据绘制成曲线，通过曲线察看近期的目标值以及监测目标的变化趋势；
（6）监测与报警功能模块：监测与报警功能模块用于实时监测控制平台的状态和目标值，当目标值超标时，系统会发出相应的警告，当目标值严重超标时，系统会停止运行；
（7）远程通讯功能模块：采用以太网通信以及GPRS通信，能定期将现场的氯化氢浓度信息发送给上位机，实现远程通讯功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160824 Termination date: 20170527 |