CN110083122A - 一种工业互联网控制采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业互联网控制采集系统，包括云平台、若干个采集器和EtherCAT主站，云平台通过NB‑IOT无线连接若干个采集器，实现低功耗高覆盖率的将数据上传或者下发，每个采集器对应连接一个或多个外部设备，EtherCAT主站用于实现外部设备数据的采集传输与远程控制的双向通信，采集器和外部设备均以EtherCAT为数据接口进行极速通信，外部设备包括EtherCAT从站设备以及与I/O输入/输出接口相匹配的设备，采集器包括EtherCAT单元、MCU控制单元、NB‑IOT传输单元、串口通讯单元、外部接口单元和数据存储单元。本发明的主要用途是提供一种无任何通讯协议转换产生的延时，尤其针对在信号较差的封闭室内环境的设备数据采集，速率快、成本低、实用价值大、应用范围广的控制采集系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种采集系统，特别是涉及一种工业互联网控制采集系统。
背景技术
传统机械制造行业，生产产品批量小，生产重复，效率低下，人力物力资源浪费严重，更严重的是产品不能合理分工，生产不能合理布局，不能形成专业化生产，造成机械制造行业生产集中度和专业化水平低。导致很多适合大批量生产的产品长期达不到经济规模标准，机械制造业的规模效益优势没有得到充分发挥。因此现在很多工厂为了提高工厂的综合生产率，都希望对工厂中生产设备的运行数据、与产品生产相关的各种过程数据信息通过某种快速方便的方式，传输到网络数据服务器，供各种智能监控、监测以及大数据分析等应用系统使用。
目前，在一个网络数据监控监测或云数据服务应用系统中，数据服务器对局域内的数据采集的方法是在传感器的基础上加上一个网络通信模块，再配上网络串口服务器等网络通信设备，或者借用设备上自身控制系统的通信端口，或者利用基于计算机的PCI数据采集卡，或者利用一个PLC充当数据通信设备的功能等方法来实现。但是，这些方法采集的数据信息范围有局限性，在封闭的室内环境中效果并不理想，且网络通信模块、设备之间往往会有通讯协议转换产生的延时，影响整个采集系统的效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种无任何通讯协议转换产生的延时，尤其针对在信号较差的封闭室内环境的设备数据采集，速率快、成本低、实用价值大、应用范围广的控制采集系统。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种工业互联网控制采集系统，包括云平台、若干个采集器和EtherCAT主站，所述云平台通过NB-IOT无线连接若干个采集器，实现低功耗高覆盖率的将数据上传或者下发，每个采集器对应连接一个或多个外部设备，所述EtherCAT主站用于实现外部设备数据的采集传输与远程控制的双向通信，所述采集器和外部设备均以EtherCAT为数据接口进行极速通信，所述外部设备包括EtherCAT从站设备以及与I/O输入/输出接口相匹配的设备，所述采集器包括EtherCAT单元、MCU控制单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元、外部接口单元和数据存储单元，所述MCU控制单元为主核心控制单元，由MCU芯片处理接口通过扩展和保护电路分别与EtherCAT单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元、外部接口单元和数据存储单元电连接。
进一步地，所述EtherCAT单元包括EtherCAT入口和EtherCAT出口，用于与EtherCAT主站电连接，使上述采集器与使用EtherCAT协议技术的设备或者支持EtherCAT从站采用快速插拔与接线的接线端子快速组装，实现数据的采集传输与远程控制的双向通信。
进一步地，所述串口通讯单元包括用于与外部设备数据通讯连接的RS232接口与RS485接口。
进一步地，所述外部接口单元包括I/O输入接口、I/O输出接口、ADC模拟量输入接口、DAC模拟量输出接口和PWM高速脉冲输出接口，I/O输入接口额定输入电压为15～32VDC，输入电流为3mA，I/O输出接口额定电压信号为0～24VDC，输出电流最大值为500mA，ADC模拟量输入接口电压输入范围为-10～10V，分辨率为16bit，DAC模拟量输出接口电压输出范围为-10～10V，分辨率为16bit，PWM高速脉冲输出接口输出频率为1～200KHZ，分辨率为16bit。
进一步地，所述数据存储单元容量扩展512K，用于保存工作状态采集到的数据信息。
进一步地，所述采集器具体工作步骤为：
步骤1、上电启动；
步骤2、EtherCAT单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元和外部接口单元分别同步执行初始化操作；
步骤3、EtherCAT单元初始化成功时，EtherCAT主站即可通过EtherCAT单元与串口通讯单元和外部接口单元的接口实现数据交互，EtherCAT单元初始化失败时则重复执行初始化命令，当EtherCAT单元初始化失败累计达到10次时判定EtherCAT单元出现故障，将故障报警信息通过NB-IOT传输单元发送到云平台；
步骤4、串口通讯单元和外部接口单元初始化成功时，串口通讯单元和外部接口单元同步与EtherCAT单元和NB-IOT传输单元数据交互，将接口数据处理并发送至NB-IOT传输单元，当串口通讯单元和外部接口单元初始化失败时则重复执行初始化命令；
步骤5、NB-IOT传输单元初始化成功时，NB-IOT传输单元进行NB-IOT通讯测试，测试结果通过即执行NB-IOT数据受控，并将数据信息发送到云平台供大数据分析使用，测试结果未通过即初始化失败则重复执行初始化命令，同时，将数据信息保存在数据存储单元，直到初始化成功，数据存储单元会将存储的数据信息发送到云平台，确保数据信息不被遗失。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明中使用EtherCAT协议技术实现设备数据的采集传输与远程控制的双向通信；同时采用NB-IOT技术，低成本低功耗高覆盖率的将数据上传或者下发，且无任何通讯协议转换产生的延时，尤其针对在信号较差的封闭室内环境的设备数据采集，具有连接点多、覆盖率广、架构优的特点，因此实用价值更大、应用范围更广。
附图说明
图1为本发明控制采集系统的结构框图；
图2为本发明采集器的结构框图；
图3为本发明采集器的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1和图2所示，本实施例的一种工业互联网控制采集系统，包括云平台、若干个采集器和EtherCAT主站，云平台通过NB-IOT无线网络(电信、移动、联通)连接若干个采集器，实现低功耗高覆盖率的将数据上传或者下发，每个采集器对应连接一个或多个外部设备，EtherCAT主站用于实现外部设备数据的采集传输与远程控制的双向通信，采集器和外部设备均以EtherCAT为数据接口进行极速通信，外部设备包括EtherCAT从站设备以及与I/O输入/输出接口相匹配的设备，采集器包括EtherCAT单元、MCU控制单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元、外部接口单元和数据存储单元，MCU控制单元为主核心控制单元，由MCU芯片处理接口通过扩展和保护电路分别与EtherCAT单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元、外部接口单元和数据存储单元电连接。本实施例中由于EtherCAT一个网段最多可容纳65535个设备的血统，因此可以容纳的外部设备数量非常庞大，没有局限性。NB-IOT传输单元的网络通讯标准或者协议时采用UDP传输，通讯格式是采用专用定义的通讯协议，数据传输速率在4800--230400bps范围。由于NB-IOT通讯的数据、EtherCAT通讯的数据、串口通讯单元和外部接口单元通讯各部分的数据、格式和协议都有各自的特性，具有不统一性和独立性，所以需求MCU控制单元将各自的数据处理和转换，根据特定情况保存并优化处理。
采集器中的数据存储单元容量扩展512K，用于保存工作状态采集到的数据信息。EtherCAT单元包括EtherCAT入口和EtherCAT出口，用于与EtherCAT主站电连接，使上述采集器与使用EtherCAT协议技术的设备或者支持EtherCAT从站采用快速插拔与接线的接线端子快速组装，实现数据的采集传输与远程控制的双向通信。串口通讯单元包括用于与外部设备数据通讯连接的RS232接口与RS485接口。外部接口单元包括I/O输入接口、I/O输出接口、ADC模拟量输入接口、DAC模拟量输出接口和PWM高速脉冲输出接口，I/O输入接口额定输入电压为15～32VDC，输入电流为3mA，I/O输出接口额定电压信号为0～24VDC，输出电流最大值为500mA，ADC模拟量输入接口电压输入范围为-10～10V，分辨率为16bit，DAC模拟量输出接口电压输出范围为-10～10V，分辨率为16bit，PWM高速脉冲输出接口输出频率为1～200KHZ，分辨率为16bit。
MCU控制单元通过芯片处理接口直接控制串口通讯单元、外部接口单元的所有外部接口，RS232接口与RS485接口的数据信号交互，云平台通过NB-IOT传输单元与MCU控制单元数据交互，EtherCAT主站通过EtherCAT单元与MCU控制单元数据交互，NB-IOT传输单元和EtherCAT单元通过MCU控制单元与RS232接口、RS485接口、I/O输入接口、I/O输出接口、ADC模拟量输入接口、DAC模拟量输出接口和PWM高速脉冲输出接口数据间接交互，其中NB-IOT传输单元一般运行时作为数据采集功能工作，而EtherCAT单元则用于控制和采集功能同时工作，采集数据由MCU控制单元实时处理后同步在NB-IOT传输单元和EtherCAT单元中交互。在特殊情况需要远程修改内部参数时，NB-IOT传输单元也可作为控制功能运作，在此类状况发生时，由于串口通讯单元、外部接口单元的所有外部接口通过MCU控制单元同时同步与NB-IOT传输单元和EtherCAT单元交互数据，会产生数据的冲突和不稳定性，此时则由MCU控制单元根据通讯协议格式自动判断处理，NB-IOT传输单元处理在此时具有优先性。
采集器具体工作步骤为：
步骤1、上电启动；
步骤2、EtherCAT单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元和外部接口单元分别同步执行初始化操作；
步骤3、EtherCAT单元初始化成功时，EtherCAT主站即可通过EtherCAT单元与串口通讯单元和外部接口单元的接口实现数据交互，EtherCAT单元初始化失败时则重复执行初始化命令，当EtherCAT单元初始化失败累计达到10次时判定EtherCAT单元出现故障，将故障报警信息通过NB-IOT传输单元发送到云平台；
步骤4、串口通讯单元和外部接口单元初始化成功时，串口通讯单元和外部接口单元同步与EtherCAT单元和NB-IOT传输单元数据交互，将接口数据处理并发送至NB-IOT传输单元，当串口通讯单元和外部接口单元初始化失败时则重复执行初始化命令；
步骤5、NB-IOT传输单元初始化成功时，NB-IOT传输单元进行NB-IOT通讯测试，测试结果通过即执行NB-IOT数据受控，并将数据信息发送到云平台供大数据分析使用，测试结果未通过即初始化失败则重复执行初始化命令，同时，将数据信息保存在数据存储单元，直到初始化成功，数据存储单元会将存储的数据信息发送到云平台，确保数据信息不被遗失。
本发明的一种工业互联网控制采集系统，通过生产过程智能化的数据采集，实现生产自动化和全过程在线检测，实时监控，工艺和质量信息均可追溯。运用大数据分析技术进行关联性分析与预测分析，显著提高生产管理精细化、智能决策科学化水平。实现真正的生产与管理同步、管理与分析实时，提高生产效率，降低生产成本。各个功能单元和设备都是以EtherCAT为数据接口进行极速通信，无任何通信协议转换产生的延时。通过简单的AT指令进行设置，即可轻松快捷的使用本系统实现设备到云平台的双向数据透明传输。应用范围更广，尤其适用于对信号较差的封闭室内环境的设备进行数据采集，具有连接点多、覆盖率广、架构优、寿命长的特点，实用价值更大。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种工业互联网控制采集系统，其特征在于：包括云平台、若干个采集器和EtherCAT主站，所述云平台通过NB-IOT无线连接若干个采集器，实现低功耗高覆盖率的将数据上传或者下发，每个采集器对应连接一个或多个外部设备，所述EtherCAT主站用于实现外部设备数据的采集传输与远程控制的双向通信，所述采集器和外部设备均以EtherCAT为数据接口进行极速通信，所述外部设备包括EtherCAT从站设备以及与I/O输入/输出接口相匹配的设备，所述采集器包括EtherCAT单元、MCU控制单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元、外部接口单元和数据存储单元，所述MCU控制单元为主核心控制单元，由MCU芯片处理接口通过扩展和保护电路分别与EtherCAT单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元、外部接口单元和数据存储单元电连接。
2.根据权利要求1所述的一种工业互联网控制采集系统，其特征在于：所述EtherCAT单元包括EtherCAT入口和EtherCAT出口，用于与EtherCAT主站电连接，使上述采集器与使用EtherCAT协议技术的设备或者支持EtherCAT从站采用快速插拔与接线的接线端子快速组装，实现数据的采集传输与远程控制的双向通信。
3.根据权利要求2所述的一种工业互联网控制采集系统，其特征在于：所述串口通讯单元包括用于与外部设备数据通讯连接的RS232接口与RS485接口。
4.根据权利要求3所述的一种工业互联网控制采集系统，其特征在于：所述外部接口单元包括I/O输入接口、I/O输出接口、ADC模拟量输入接口、DAC模拟量输出接口和PWM高速脉冲输出接口，I/O输入接口额定输入电压为15～32VDC，输入电流为3mA，I/O输出接口额定电压信号为0～24VDC，输出电流最大值为500mA，ADC模拟量输入接口电压输入范围为-10～10V，分辨率为16bit，DAC模拟量输出接口电压输出范围为-10～10V，分辨率为16bit，PWM高速脉冲输出接口输出频率为1～200KHZ，分辨率为16bit。
5.根据权利要求4所述的一种工业互联网控制采集系统，其特征在于：所述数据存储单元容量扩展512K，用于保存工作状态采集到的数据信息。
6.根据权利要求1所述的一种工业互联网控制采集系统，其特征在于：所述采集器具体工作步骤为：
步骤1、上电启动；
步骤2、EtherCAT单元、NB-IOT传输单元、串口通讯单元和外部接口单元分别同步执行初始化操作；
步骤3、EtherCAT单元初始化成功时，EtherCAT主站即可通过EtherCAT单元与串口通讯单元和外部接口单元的接口实现数据交互，EtherCAT单元初始化失败时则重复执行初始化命令，当EtherCAT单元初始化失败累计达到10次时判定EtherCAT单元出现故障，将故障报警信息通过NB-IOT传输单元发送到云平台；
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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