CN112596469A - 一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，包括微处理器、设备信息采集模块、人员信息采集模块、设备控制模块、通信模块、人机交互模块、服务器和监控终端；设备信息采集模块与微处理器输入端电性连接；人员信息采集模块与微处理器输入端电性连接；微处理器输出端与设备控制模块输入端电性连接；人机交互模块与微处理器电性连接；微处理器通过通信模块与服务器通信连接；服务器与监控终端电性连接；通过设备信息采集模块实时采集设备运转时的状态信息，在处理器中建立设备运转模型用于判断设备运行状态，建立设备事件库，通过事件上传机制将设备的生产信息实时上传至服务器并对上传的不同事件进行相应处理，完成对生产设备的监测。
Description
技术领域
本发明涉及工业智能制造业物联网技术领域，更具体的，涉及一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统。
背景技术
工业物联网技术的应用大幅度提升了工业数控生产车间的工业生产效率，降低设备对人的依赖程度。现有的物联网设备监测控制系统通过使用各种类型传感器采集生产过程中的信息并实时上传至服务器，通过服务器对上传的数据进行分析，期望实现对生产过程的实时监管。如专利号CN106200563A的中国专利于2016年12月7日公开的一种数控设备状态采集和设备控制系统及方法，但这种设备监测管理系统在实际应用中效果并不理想，传感器数据实时上传机制以及所有决策判断都依赖于服务器使得系统网络与服务器不堪重负，为了确保实时性，系统可监控的设备数量受到极大的制约且需要支付昂贵的费用来提升网络传输速度和服务器运转速度。
发明内容
本发明为克服现有设备监测管理系统由于决策判断均依赖于服务器，服务器存在负担重、实时性低的技术缺陷，提供一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，包括微处理器、设备信息采集模块、人员信息采集模块、设备控制模块、通信模块、人机交互模块、服务器和监控终端；其中：
所述设备信息采集模块设置在需要监测的设备上，输出端与所述微处理器输入端电性连接；
所述人员信息采集模块与所述微处理器输入端电性连接；
所述微处理器输出端与所述设备控制模块输入端电性连接，设备控制模块用于控制设备运行；
所述人机交互模块与所述微处理器电性连接，实现信息交互；
所述微处理器通过所述通信模块与所述服务器通信连接，实现信息交互；
所述服务器与所述监控终端电性连接，实现信息交互；
通过所述设备信息采集模块实时采集设运转时的状态信息，在处理器中建立设备运转模型用于判断设备运行状态，建立设备事件库，通过事件上传机制将设备的生产信息实时上传至所述服务器，服务器对上传的事件进行相应的处理完成对生产设备的监测。
上述方案中，该系统主要用于解决传统中小型数控生产设备因无法联网而难以集中管理的问题，通过设备信息采集模块采集设备运转时的状态信息，采用边缘计算的方式，在微处理器中使用CART算法建立设备运转模型用于判断设备运行状态；建立设备事件库，以事件上传机制替代现有设备监测控制系统的生产信息实时上传机制，极大减轻数据传输网络和服务器的压力，避免无效数据上传，提升系统容量。
上述方案中，所述微处理器用于建立设备事件库，设备运转模型和设备异常事件库。根据设备运转模型判断生产设备，即压延机，处于何种运行状态并触发相应的事件，提交至服务器。
其中，所述微处理器为单片机模块；在系统初次运行中，所述单片机模块通过读取并分析由所述设备信息采集模块采集的设备正常运行数据和设备空转运行数据组成训练集和测试集，使用CART算法建立设备运转模型。
其中，所述设备信息采集模块由多种类型的传感器组成，设置于设备的各个采集点，与所述微处理器输入端电性连接，用于实时采集设备的状态信息。所述设备信息采集模块采集的信息包括密炼机位搅拌速度、温度、电压、电流；开炼机位点电流、电压、压轮温度，运转速度；过滤机位点温度；压延机位点电流、电压，各引取轮温度、速度，压花辊温度、运转速度；冷却点电压电流、冷却轮温度、运转速度；成品采集点产品厚度。
其中，所述人员信息采集模块用于采集并记录操作人员信息，具体包括图像采集、指纹采集、IC卡和账号密码登录四种采集方式。
其中，所述设备控制模块采用晶体管开关电路，串联接入监测设备供电线路，由所述微处理器直接监测控制设备的开启、关闭及运转速度。
其中，所述人机交互模块为液晶触摸屏，嵌于设备操作台上，用于操作人员通过屏幕设置的案件进行开机、结束空转、触发设备异常事件、关机操作及展示生产任务信息。
其中，所述监控终端可以为管理者手机、便携式移动设备，也可以为车间看板等装置。
其中，所述设备事件库包括设备开机事件、设备正常运转事件、设备空转运转事件、设备异常事件、设备关机事件；当事件被触发时，所述微处理器主动与所述服务器进行连接，提交事件；
所述的设备开机事件包括设备开机事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息以及事件触发时间，优选0x01为设备开机事件标识码；
所述的设备正常运转事件包括设备异常事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息以及事件触发时间，优选0x02为设备正常运转事件标识码；
设备空转运转事件包括设备空转运转事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息、事件触发时间，优选0x03为设备空转运转事件标识码；
设备异常事件包括设备异常事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息、事件触发时间，优选0x04为设备异常事件标识码；
设备关机事件包括设备关机事件标识码、事件触发时的设备信息、生产数量、事件触发时间，优选0x05为设备关机事件标识码；
上述方案中，所述的设备运转模型，由单片机模块通过读取并分析由设备信息采集模块采集的设备正常运行数据和设备空转运行数据，使用CART算法建立。具体建立步骤为：抽取采集到的关键数据{PVC压延机的电流、电压、温度、产品厚度、引取轮运转速度}组成训练集和测试集，对训练集中的异常数据进行修正并进行归一化处理。使用训练集训练CART模型，并用测试集测试训练好的模型，对其中参数进行调整。通过CART模型来判断设备生产时的状态。
其中，所述设备事件库各种事件触发方式具体为：
所述设备开机事件通过点击所述人机交互模块的开机按钮触发；所述设备开机事件上传至所述服务器后，服务器返回生产任务信息，显示在所述人机交互模块上；
当所述设备信息采集模块持续一段时间反馈的数据通过设备运转模型判定设备正常时，微处理器每间隔一段时间触发一次设备正常运转事件；
当所述设备信息采集模块持续一段时间反馈的数据通过设备运转模型判定设备空转时，微处理器将会触发设备空转运转事件；
当所述设备信息采集模块持续一段时间反馈的数据既不符合设备正常运转时的特征也不符合设备空转运转时的特征，微处理器将触发设备异常事件；同时，通过操作所述人机交互模块也可以触发设备异常事件；
所述设备关机事件通过点击所述人机交互模块的关机按钮触发或者微处理器自动触发，设备关机。
其中，当所述微处理器向所述服务器提交设备空转运转事件同时所述人机交互模块进入锁屏状态；所述微处理器通过所述设备控制模块控制设备进入怠速运转转台，服务器向所述监控终端发出设备空转通知，直至操作人员解锁所述人机交互模块，设备自动恢复正常运转速度同时触发设备正常运转事件；若长时间未取消怠速运转状态，微处理器将自动触发设备关机事件；
当微处理器触发设备异常事件后同时触发关机事件，所述服务器接收到设备异常事件后向所述监控终端发出设备异常通知；此时监管人员进行现场排查，确认是否为设备故障；若为设备故障，微处理器将此次异常保存到设备异常事件库中，若确认不是设备异常，微处理器将此次事件中由所述设备信息采集模块采集到数据标记为正常数据，修正设备运转模型。
上述方案中，通过对生产设备异常事件库中的压延机异常事件进行统计分析，可大致找到压延机异常事件产生周期，提前制定维修计划。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，该系统主要用于解决传统中小型数控生产设备因无法联网而难以集中管理的问题，通过设备信息采集模块采集设备运转时的状态信息，采用边缘计算的方式，在微处理器中使用CART算法建立设备运转模型用于判断设备运行状态；建立设备事件库，以事件上传机制替代现有设备监测控制系统的生产信息实时上传机制，极大减轻数据传输网络和服务器的压力，避免无效数据上传，提升系统容量。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构示意图；
图2为PVC延压生产延压机示意图；
图3为系统工作流程图；
其中：1、微处理器；2、设备信息采集模块；3、人员信息采集模块；4、设备控制模块；5、通信模块；6、人机交互模块；7、服务器；8、监控终端。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1、图2所示，生产设备以PVC延压生产延压机为例，提供一种监测控制系统，包括微处理器1、设备信息采集模块2、人员信息采集模块3、设备控制模块4、通信模块5、人机交互模块6、服务器7和监控终端8；其中：
所述设备信息采集模块2设置在需要监测的设备上，输出端与所述微处理器1输入端电性连接；
所述人员信息采集模块3与所述微处理器1输入端电性连接；
所述微处理器1输出端与所述设备控制模块4输入端电性连接，设备控制模块4用于控制设备；
所述人机交互模块6与所述微处理器1电性连接，实现信息交互；
所述微处理器1通过所述通信模块5与服务器7通信连接，实现信息交互；
所述服务器7与所述监控终端8电性连接，实现信息交互；
通过所述设备信息采集模2块实时采集设运转时的状态信息，在微处理器1中建立设备运转模型用于判断设备运行状态，建立设备事件库，通过事件上传机制将设备的生产信息实时上传至所述服务器7，服务器对上传的事件进行相应处理完成对生产设备的监测。
在具体实施过程中，该系统主要用于解决传统中小型数控生产设备因无法联网而难以集中管理的问题，通过设备信息采集模块采集2设备运转时的状态信息，采用边缘计算的方式，在微处理器1中使用CART算法建立设备运转模型用于判断设备运行状态；建立设备事件库，以事件上传机制替代现有设备监测控制系统的生产信息实时上传机制，极大减轻数据传输网络和服务器的压力，避免无效数据上传，提升系统容量。
在具体实施过程中，所述微处理器1用于建立设备事件库，设备运转模型和设备异常事件库。根据设备运转模型判断生产设备，即压延机，处于何种运行状态并触发相应的事件，提交至服务器7。
更具体的，所述微处理器1为单片机模块，优先选用STM32F104单片机，用控制设备信息采集模块2、人员信息采集模块3、设备控制模块4、通信模块5、人机交互模块6及与服务器7进行连接交互；在系统初次运行中，所述单片机模块通过读取并分析由所述设备信息采集模块2采集的设备正常运行数据和设备空转运行数据组成训练集和测试集，使用CART算法建立设备运转模型。
更具体的，所述设备信息采集模块2由多种类型的传感器组成，设置于设别的各个采集点，与所述微处理器1输入端电性连接，用于实时采集设备的状态信息。所述设备信息采集模块2采集的信息包括密炼机位搅拌速度、温度、电压、电流；开炼机位点电流、电压、压轮温度，运转速度；过滤机位点温度；压延机位点电流、电压，各引取轮温度、速度，压花辊温度、运转速度；冷却点电压电流、冷却轮温度、运转速度；成品采集点产品厚度。
在具体实施过程中，所述设备信息采集模块2用于实时采集PVC压延机的生产状态信息。
更具体的，所述人员信息采集模块3用于采集并记录操作人员信息，具体包括图像采集、指纹采集、IC卡和账号密码登录四种采集方式。
更具体的，所述设备控制模块4采用晶体管开关电路，串联接入监测设备供电线路，由所述微处理器1直接控制监测设备的开启、关闭及运转速度。
更具体的，所述人机交互模块6为液晶触摸屏，嵌于设备操作台上，用于操作人员通过屏幕设置的案件进行开机、结束空转、触发设备异常事件、关机操作及展示生产任务信息。
更具体的，所述监控终端8可以为管理者手机、便携式移动设备，也可以为车间看板等装置。
在具体实施过程中单片机模块、设备信息采集模块2、人员信息采集模块3、压延机控制模块4、人机交互模块6相连，均部署在PVC压延机上，使用RS485/232协议传输数据。单片机模块通过通信模块5，即WiFi网络，连接远程服务器7，彼此之间可以进行双向通信。远程服务器7与监控终端8相连接，彼此之间也可以进行双向通信。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，如图3所示。所述设备事件库包括设备开机事件、设备正常运转事件、设备空转运转事件、设备异常事件、设备关机事件；当事件被触发时，所述微处理器1主动与所述服务器7进行连接，提交事件；
所述的设备开机事件包括设备开机事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息以及事件触发时间，优选0x01为设备开机事件标识码；
所述的设备正常运转事件包括设备异常事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息以及事件触发时间，优选0x02为设备正常运转事件标识码；
设备空转运转事件包括设备空转运转事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息、事件触发时间，优选0x03为设备空转运转事件标识码；
设备异常事件包括设备异常事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息、事件触发时间，优选0x04为设备异常事件标识码；
设备关机事件包括设备关机事件标识码、事件触发时的设备信息、生产数量、事件触发时间，优选0x05为设备关机事件标识码；
在具体实时过程中，所述的设备运转模型，由单片机模块通过读取并分析由设备信息采集模块2采集的设备正常运行数据和设备空转运行数据，使用CART算法建立。具体建立步骤为：抽取采集到的关键数据{PVC压延机的电流、电压、温度、产品厚度、引取轮运转速度}组成训练集和测试集，对训练集中的异常数据进行修正并进行归一化处理。使用训练集训练CART模型，并用测试集测试训练好的模型，对其中参数进行调整。通过CART模型来判断设备生产时的状态。
更具体的，所述设备事件库各种事件触发方式具体为：
所述设备开机事件通过点击所述人机交互模块6的开机按钮触发；所述设备开机事件上传至所述服务器7后，服务器7返回生产任务信息，显示在所述人机交互模块6上；
当所述设备信息采集模块2持续一段时间反馈的数据通过设备运转模型判定设备正常时，微处理器1每间隔一段时间触发一次设备正常运转事件；
当所述设备信息采集模块2持续一段时间反馈的数据通过设备运转模型判定设备空转时，微处理器1将会触发设备空转运转事件；
当所述设备信息采集模块2持续一段时间反馈的数据既不符合设备正常运转时的特征也不符合设备空转运转时的特征，微处理器1将触发设备异常事件；同时，通过操作所述人机交互模块6也可以触发设备异常事件；
所述设备关机事件通过点击所述人机交互模块6的关机按钮触发，设备关机。
更具体的，当所述微处理器1向所述服务器7提交设备空转运转事件同时所述人机交互模块6进入锁屏状态；所述微处理器1通过所述设备控制模块4控制设备进入怠速运转转台，服务器7向所述监控终端8发出设备空转通知，直至操作人员解锁所述人机交互模块6，设备自动恢复正常运转速度同时触发设备正常运转事件；若长时间未取消怠速运转状态，微处理器1将自动触发设备关机事件；
当微处理器1触发设备异常事件后同时触发关机事件，所述服务器7接收到设备异常事件后向所述监控终端8发出设备异常通知；此时监管人员进行现场排查，确认是否为设备故障；若为设备故障，微处理器1将此次异常保存到设备异常事件库中，若确认不是设备异常，微处理器1将此次事件中由所述设备信息采集模块2采集到数据标记为正常数据，修正设备运转模型。
在具体实施过程中，通过对生产设备异常事件库中的压延机异常事件进行统计分析，可大致找到压延机异常事件产生周期，提前制定维修计划。
在具体实施过程中，压延机操作人员在液晶触摸屏的账号登录页面输入登录账号及密码，点击开机按钮触发开机事件，申请连接远程服务器7提交开机事件，PVC压延机开机。
当压延机信息采集模块持续采集到的PVC压延机生产时的压延机信息被判定正常时，STM32F104单片机每隔五分钟触发一次设备正常运转事件。
当压延机信息采集模块持续两分钟采集到的PVC压延机生产时的压延机信息被判定设备空转时，STM32F104单片机触发压延机空转运转事件。
当压延机信息采集模块持续两分钟采集到的PVC压延机生产时的压延机信息既不符合压延机正常运转特征也不符合压延机空转运转特征时，STM32F104单片机触发压延机异常事件同时触发关机事件。
生产完成后，操作人员通过点击液晶触摸屏设置的结束工作按钮触发关机事件，压延机关机。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，包括微处理器(1)、设备信息采集模块(2)、人员信息采集模块(3)、设备控制模块(4)、通信模块(5)、人机交互模块(6)、服务器(7)和监控终端(8)；其中：
所述设备信息采集模块(2)设置在需要监测的设备上，输出端与所述微处理器(1)输入端电性连接；
所述人员信息采集模块(3)与所述微处理器(1)输入端电性连接；
所述微处理器(1)输出端与所述设备控制模块(4)输入端电性连接，设备控制模块(4)用于控制设备；
所述人机交互模块(6)与所述微处理器(1)电性连接，实现信息交互；
所述微处理器(1)通过所述通信模块(5)与所述服务器(7)通信连接，实现信息交互；
所述服务器(7)与所述监控终端(8)电性连接，实现信息交互；
通过所述设备信息采集模块(2)实时采集设运转时的状态信息，在处理器中建立设备运转模型用于判断设备运行状态，建立设备事件库，通过事件上传机制将设备的生产信息实时上传至所述服务器(7)，服务器对上传的事件进行相应的处理完成对生产设备的监测。
2.根据权利要求1所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述微处理器(1)为单片机模块；在系统初次运行中，所述单片机模块通过读取并分析由所述设备信息采集模块(2)采集的设备正常运行数据和设备空转运行数据组成训练集和测试集，使用CART算法建立设备运转模型。
3.根据权利要求1所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述设备信息采集模块(2)由多种类型的传感器组成，设置于设备的各个采集点，与所述微处理器(1)输入端电性连接，用于实时采集设备的状态信息。
4.根据权利要求3所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述设备信息采集模块(2)采集的信息包括密炼机位搅拌速度、温度、电压、电流；开炼机位点电流、电压、压轮温度，运转速度；过滤机位点温度；压延机位点电流、电压，各引取轮温度、速度，压花辊温度、运转速度；冷却点电压电流、冷却轮温度、运转速度；成品采集点产品厚度。
5.根据权利要求1所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述人员信息采集模块(3)用于采集并记录操作人员信息，具体包括图像采集、指纹采集、IC卡和账号密码登录四种采集方式。
6.根据权利要求1所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述设备控制模块(4)采用晶体管开关电路，串联接入监测设备供电线路，由所述微处理器(1)直接监测并控制设备的开启、关闭及运转速度。
7.根据权利要求1所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述人机交互模块(6)为液晶触摸屏，嵌于设备操作台上，用于操作人员通过屏幕设置的按键进行开机、结束空转、触发设备异常事件、关机操作及展示生产任务信息。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述设备事件库包括设备开机事件、设备正常运转事件、设备空转运转事件、设备异常事件、设备关机事件；当事件被触发时，所述微处理器(1)主动与所述服务器(7)进行连接，提交事件；
所述的设备开机事件包括设备开机事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息以及事件触发时间；
所述的设备正常运转事件包括设备异常事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息以及事件触发时间；
设备空转运转事件包括设备空转运转事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息、事件触发时间；
设备异常事件包括设备异常事件标识码、操作人员信息、事件触发时的设备信息、事件触发时间；
设备关机事件包括设备关机事件标识码、事件触发时的设备信息、生产数量、事件触发时间。
9.根据权利要求8所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，所述设备事件库各种事件触发方式具体为：
所述设备开机事件通过点击所述人机交互模块(6)的开机按钮触发；所述设备开机事件上传至所述服务器(7)后，服务器(7)返回生产任务信息，显示在所述人机交互模块(6)上；
当所述设备信息采集模块(2)持续一段时间反馈的数据通过设备运转模型判定设备正常时，微处理器(1)每间隔一段时间触发一次设备正常运转事件；
当所述设备信息采集模块(2)持续一段时间反馈的数据通过设备运转模型判定设备空转时，微处理器(1)将会触发设备空转运转事件；
当所述设备信息采集模块(2)持续一段时间反馈的数据既不符合设备正常运转时的特征也不符合设备空转运转时的特征，微处理器(1)将触发设备异常事件；同时，通过操作所述人机交互模块(6)也可以触发设备异常事件；
所述设备关机事件通过点击所述人机交互模块(6)的关机按钮触发或者由微处理器(1)自动触发，设备关机。
10.根据权利要求9所述的一种应用于工业数控生产设备的监测控制系统，其特征在于，当所述微处理器(1)向所述服务器(7)提交设备空转运转事件同时所述人机交互模块(6)进入锁屏状态；所述微处理器(1)通过所述设备控制模块(4)控制设备进入怠速运转转台，服务器(7)向所述监控终端(8)发出设备空转通知，直至操作人员解锁所述人机交互模块(6)，设备自动恢复正常运转速度同时触发设备正常运转事件；若长时间未取消怠速运转状态，微处理器(1)将自动触发设备关机事件；
当微处理器(1)触发设备异常事件后同时触发关机事件，所述服务器(7)接收到设备异常事件后向所述监控终端(8)发出设备异常通知；此时监管人员进行现场排查，确认是否为设备故障；若为设备故障，微处理器(1)将此次异常保存到设备异常事件库中，若确认不是设备异常，微处理器(1)将此次事件中由所述设备信息采集模块(2)采集到数据标记为正常数据，修正设备运转模型。
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