CN109947070B - 生产设备数据采集方法及其数据传输处理器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造业设备信号采集与处理技术领域，尤其涉及生产设备数据采集方法及数据传输处理器，采集器采集模块、控制模块、无线通讯模块和供电模块，采集方法包括采集机械动作对应产生的电信号；将电信号转换为对应的布尔运算数值，记录每个布尔运算数值的发生时刻；将每个布尔运算数值进行逻辑与和逻辑或运算，若两次运算结果相等，判断该布尔运算数值为有效数值，将该布尔运算数值放入寄存器内，否则，判断该布尔运算数值为无效数值；通过无线网络将有效数值发送至服务器。本发明对采集数据进行边缘运算后再发送至服务器，有效提高服务器的处理效率，同时以无线通讯取代现有采集卡的有线通讯，降低现场布线难度和成本，减少现场维护时间。

Description

生产设备数据采集方法及其数据传输处理器

技术领域

本发明涉及制造业设备信号采集与处理技术领域，尤其涉及一种生产设备数据采集方法及其数据传输处理器。

背景技术

生产设备的信息管理对制造业企业十分重要，例如注塑、冲压、五金、纺织等行业，生产现场往往采用有线传输的采集板卡(如各类PLC等)对生产设备的相关信息进行采集，并通过有限网络传输至服务器或管理器处理，若生产设备有现成的通讯协议，则可直接使用其通讯协议，将所需采集的信号直接传输，并采用modbus协议、rs485或TCP(传输控制协议)等传输协议进行有线传输，若待采集生产设备没有现成的通讯协议，则需要对生产设备的输入输出端口分别进行采集，并且布线复杂，施工难度大，对生产现场重新布线不但产生高昂开支，还会耽误生产，是中小型企业不能接受的。采集的数据将由服务器进行处理计算，这增大了服务器的运算时间，从而降低了服务器的处理效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有有线采集板卡对生产现场的布线要求严格，采集成本高，以及采集数据量大，服务器运算负荷大的缺陷。

为了实现上述目的，本发明公开一种生产设备数据采集方法，适用于数据传输处理器，生产设备数据采集方法包括以下步骤：

S1：将可编译数据处理程序下载在数据传输处理器上，分解生产设备完成一个生产周期涉及的机械动作，数据传输处理器采集所述机械动作对应产生的电信号；

S2：将所述电信号转换为对应的布尔运算数值，并记录每个布尔运算数值的发生时刻，同时定义某一个电信号为起始信号；

S3：依次将每个布尔运算数值与第一布尔运算常数进行逻辑与运算，得到第一运算数值；同理，依次将每个布尔运算数值与第二布尔运算常数进行逻辑或运算，得到第二运算数值；

若第一运算数值和第二运算数值的值相等，则判断该布尔运算数值为有效数值，将该布尔运算数值放入寄存器内；

若第一运算数值和第二运算数值的值不相等，则判断该布尔运算数值为无效数值，该布尔运算数值不放入寄存器内；

S4：通过指针查询寄存器内的有效数值，将有效数值转至发送区，数据传输处理器通过无线网络将发送区内的有效数值发送至服务器。

作为优选，上述步骤S2还包括以下步骤：根据相邻起始信号间的发生时刻之差计算生产周期，定义一个生产周期内的周期产量，计算生产周期数量并推算该时间段内的总产量。

作为优选，数据传输处理器通过无线网络从服务器下载可编译数据处理程序。

本发明还公开一种数据传输处理器，包括：

供电模块，包括第一换压芯片，用于将输入电压转换为合适的输出电压；

采集模块，包括采集单元和光耦器件，采集单元用于采集生产设备某个机械动作所产生的电信号，光耦器件用于将所述电信号转换为弱电信号；

控制模块，包括处理单元和寄存器，处理单元用于将所述弱电信号转为对应的布尔运算数值并依次对每个布尔运算数值进行逻辑与和逻辑或运算，从而得出有效信号；寄存器用于暂存光耦器件输出的弱电信号，以及存放处理单元进行布尔运算得出的有效信号；

无线通讯模块，用于实现数据传输处理器与服务器之间的数据互通，数据互通包括将有效信号发送至服务器以及下载可编译数据处理程序至控制模块；

数据传输处理器中，采集单元连接在生产设备上，采集单元的输出端与光耦器件的受光体连接，光耦器件将变换后的弱电信号发送至控制模块，控制模块的输出端与无线通讯模块连接。

作为优选，数据传输处理器还设有扩展模块，扩展模块与控制模块通讯连接，扩展模块用于根据采集需要采集生产设备运作时的扩展信息，同时将该扩展信息转换为对应的电信号发送至控制模块。

进一步的，扩展信息包括湿度、温度、关键部件震动情况或电机运转转速中的一种或多种参数。

作为优选，控制模块为STM32F103ZGT6型单片机。

进一步的，数据传输处理器还包括二次降压模块，包括第二换压芯片，用于将电源模块的输出电压转换为与控制模块相适配的工作电压。

作为优选，数据传输处理器设有至少一个用于根据设备通讯协议完成生产数据采集的协议端口，所述协议端口与控制模块通讯连接。

进一步的，设备通讯协议包括modbus协议、rs485或TCP中的一种或多种。

本发明的有益效果：对采集数据进行边缘运算后再发送至服务器，有效提高服务器的处理效率，同时以无线通讯取代现有采集卡的有线通讯，降低现场布线难度和成本，减少现场维护时间，提高生产效率。

附图说明

图1：生产设备数据采集方法的流程示意图。

图2：数据传输处理器的结构框图。

图3：采集模块的原理示意图。

图4：供电模块以及二次降压模块的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种生产设备数据采集方法，适用于数据传输处理器，请参照图1所示，数据传输处理器对生产设备进行信息采集，需要数据传输处理器中的采集模块10、控制模块20和无线通讯模块30的参与。

第一步，将可编译数据处理程序烧录下载在数据传输处理器的控制模块20上，完成对控制模块20的嵌入式软件开发；在开始采集前，分解待采集设备的生产周期，拆解在一个生产周期所涉及的所有机械动作，选择所需要进行采集的机械动作，将采集模块10连接在产生机械动作的相关部件上，采集该机械动作对应产生的电信号。

第二步，采集模块10将采集到的电信号发送至控制模块20，控制模块20将该电信号转换为对应的布尔运算数值，同时记录每个布尔运算数值的发生时刻，使每个布尔运算数值与一个时刻绑定在一起，同时为了计算一个生产周期的具体市场，定义某一个电信号为起始信号。

第三步，将采集信号发送到服务器前，根据可编译数据处理程序设定，对采集数据进行化简，从而减少传输数据以及服务器的数据处理量。具体地，可编译数据处理程序设定有第一布尔运算常数0x0000和第二布尔运算常数0x00FF，每个布尔运算数值依次与第一布尔运算常数进行逻辑与运算，得到第一运算数值；同理，每个布尔运算数值依次与第二布尔运算常数进行逻辑或运算，得到第二运算数值；此时，控制模块20判断第一运算数值和第二运算数值是否相等，若第一运算数值和第二运算数值的值相等，则判断该布尔运算数值为有效数值，将该布尔运算数值放入寄存器22内；若第一运算数值和第二运算数值的值不相等，则判断该布尔运算数值为无效数值，该布尔运算数值不放入寄存器22内。

第四步，所得有效数值与第三布尔运算常数0x0100进行逻辑或运算，使该待发送有效数值的地址标识为1，从而该有效数值可被查询，存放在寄存器22的有效数值通过指针查询寄存器22内的有效数值，并将有效数值转至发送区，无线通讯模块30通过无线网络将发送区内的有效数值发送至服务器(或上位机)，其中，无线通讯模块30通过MQTT协议或者AMQP协议与服务器通讯，将有效数值发送给服务器或接收服务器的相关信号。

在实际使用中，上述第二步还包括以下步骤：控制模块20根据接收到相邻起始信号间的发生时刻之差计算生产周期，定义一个生产周期内的周期产量，计算生产周期数量并推算该时间段内的总产量。具体地，起始信号是人为根据实际采集生产设备而定义的，同时定义一个生产周期内的周期产量，当一个生产周期结束后，生产设备会再次产生一个起始信号，此时，控制模块20将这个起始信号的发生时刻和上一个起始信号的发生时刻作差，得出一个生产周期的具体时长，往后的采集过程，只需记录起始信号的出现次数，从而推断采集过程中的总产量。

在实际使用中，本实施方案通过远程传输来维护现场采集，数据传输处理器通过无线网络从服务器下载可编译数据处理程序，当需要更新可编译数据处理程序的版本或需要采集不同的生产设备，也可通过无线网络从服务器下载新的可编译数据处理程序。

图2为本发明的实施例中一种数据传输处理器的结构框图。

该数据传输处理器用于采集、演算并发送生产信号，包括采集模块10、控制模块20、无线通讯模块30和供电模块40；采集模块10用于采集生产设备某个机械动作所产生的电信号并发送至控制模块20，控制模块20用于将电信号转换并通过逻辑运算化简得出有效信号，无线通讯模块30用于实现数据传输处理器与服务器之间的数据互通，供电模块40用于将输入电压转换为合适的输出电压。

具体地，如图3-4所示，供电模块40包括第一换压芯片及其外围电路，在实际应用中，第一换压芯片为LM2596-5型稳压芯片，第一换压芯片的输入端外接24V直流电压，并输出低于24V的直流电压；采集模块10包括采集单元11和光耦器件12，采集单元11与光耦器件12的发光体连接，光耦器件12的受光体与控制模块20电连接，光耦器件12为内置有4个光耦结构的PS2805C型光耦芯片，采集单元11将生产设备上的电信号传至光耦器件12，触发光耦结构的发光体，经光耦器件12转换为对应的弱电信号后传至控制模块20，完成电信号的采集。

控制模块20用于发送信号以及实现发送前的运算处理，控制模块20为STM32F103ZGT6型单片机，包括处理单元21和寄存器22，在实际应用中，处理单元21用于执行可编译数据处理程序，将所述弱电信号转为对应的布尔运算数值并依次对每个布尔运算数值进行逻辑与和逻辑或运算，从而得出有效信号；寄存器22用于暂存光耦器件12输出的弱电信号，以及存放处理单元21进行布尔运算得出的有效信号；处理单元21还用于连接无线通讯模块30，控制有效信号的发送。无线通讯模块30的主要功能在于将有效信号发送至服务器以及下载和更新可编译数据处理程序至控制模块20，避免繁杂且高成本的布线，支持远程维护，减少停机维护的时间，提高生产效率。

在实际应用中，为了满足用户的实际需要，往往要对生产设备采集多种不同的参数，包括湿度、温度、关键部件震动情况或电机运转转速等等，数据传输处理器还设有与控制模块20通讯连接的扩展模块50，扩展模块50用于根据采集需要采集生产设备运作时的扩展信息，同时将该扩展信息转换为对应的电信号发送至控制模块20。

本实施例中，数据传输处理器还包括二次降压模块60，用于将供电模块40的输出电压转换为与控制模块20相适配的工作电压，二次降压模块60包括第二换压芯片及其外围电路，第二换压芯片为AMS1117型稳压芯片，用于将供电模块40的输出电压转换为适合控制模块20的3.3V工作电压。

需要说明的是，对于带有现成通讯协议的生产设备来说，可直接使用该通讯协议实现采集，数据传输处理器设有至少一个用于根据设备通讯协议完成生产数据采集的协议端口，包括modbus协议、rs485或TCP的协议端口等等，协议端口与控制模块20通讯连接。

综上所述，本发明提供的数据传输处理器对采集数据进行边缘运算后再发送至服务器，有效提高服务器的处理效率，同时以无线通讯取代现有采集卡的有线通讯，降低现场布线难度和成本，减少现场维护时间，提高生产效率，具有显著进步。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生产设备数据采集方法，适用于数据传输处理器，其特征在于，所述生产设备数据采集方法包括以下步骤：

S1：将可编译数据处理程序下载在数据传输处理器上，分解生产设备完成一个生产周期涉及的机械动作，数据传输处理器采集所述机械动作对应产生的电信号；

S2：将所述电信号转换为对应的布尔运算数值，并记录每个布尔运算数值的发生时刻，同时定义某一个电信号为起始信号；

S3：依次将每个布尔运算数值与第一布尔运算常数进行逻辑与运算，得到第一运算数值；同理，依次将每个布尔运算数值与第二布尔运算常数进行逻辑或运算，得到第二运算数值；判断第一运算数值和第二运算数值是否相等；

若第一运算数值和第二运算数值的值相等，则判断该布尔运算数值为有效数值，将该布尔运算数值放入寄存器内；

若第一运算数值和第二运算数值的值不相等，则判断该布尔运算数值为无效数值，该布尔运算数值不放入寄存器内；

S4：通过指针查询寄存器内的有效数值，并将有效数值转至发送区，数据传输处理器通过无线网络将发送区内的有效数值发送至服务器。

2.根据权利要求1所述的生产设备数据采集方法，其特征在于，上述步骤S2还包括以下步骤：根据相邻起始信号间的发生时刻之差计算生产周期，定义一个生产周期内的周期产量，计算生产周期数量并推算该时间段内的总产量。

3.根据权利要求1所述的生产设备数据采集方法，其特征在于：所述数据传输处理器通过无线网络从服务器下载可编译数据处理程序。

4.一种数据传输处理器，其特征在于，包括：

供电模块，包括第一换压芯片，用于将输入电压转换为合适的输出电压；

采集模块，包括采集单元和光耦器件，采集单元用于采集生产设备某个机械动作所产生的电信号，光耦器件用于将所述电信号转换为弱电信号；

控制模块，包括处理单元和寄存器，处理单元用于将所述弱电信号转为对应的布尔运算数值并依次对每个布尔运算数值进行逻辑与和逻辑或运算，从而得出有效信号；寄存器用于暂存光耦器件输出的弱电信号，以及存放处理单元进行布尔运算得出的有效信号；处理单元的运算步骤为：处理单元的运算步骤为：依次将每个布尔运算数值分别与第一布尔运算常数进行逻辑与运算，将每个布尔运算数值分别与第二布尔运算常数进行逻辑或运算，从而得到第一运算数值和第二运算数值，将可获得数值相等第一运算数值和第二运算数值的布尔运算数值记为有效数值，并将该布尔运算数值放入寄存器；

无线通讯模块，用于实现数据传输处理器与服务器之间的数据互通，所述数据互通包括将有效信号发送至服务器以及下载可编译数据处理程序至控制模块；

所述采集单元连接在生产设备上，采集单元的输出端与光耦器件的受光体连接，光耦器件将变换后的弱电信号发送至控制模块，控制模块的输出端与无线通讯模块连接。

5.根据权利要求4所述的数据传输处理器，其特征在于：所述数据传输处理器还包括扩展模块，扩展模块与控制模块通讯连接，扩展模块用于根据采集需要采集生产设备运作时的扩展信息，同时将该扩展信息转换为对应的电信号发送至控制模块。

6.根据权利要求5所述的数据传输处理器，其特征在于：所述扩展信息包括湿度、温度、关键部件震动情况或电机运转转速中的一种或多种参数。

7.根据权利要求4所述的数据传输处理器，其特征在于：所述控制模块为STM32F103ZGT6型单片机。

8.根据权利要求7所述的数据传输处理器，其特征在于：所述数据传输处理器还包括二次降压模块，包括第二换压芯片，用于将电源模块的输出电压转换为与控制模块相适配的工作电压。

9.根据权利要求4所述的数据传输处理器，其特征在于：所述数据传输处理器设有至少一个用于根据设备通讯协议完成生产数据采集的协议端口，所述协议端口与控制模块通讯连接。

10.根据权利要求9所述的数据传输处理器，其特征在于：所述设备通讯协议包括modbus协议、rs485或TCP中的一种或多种。

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