CN113325815B - 用于监测诊断工业现场环境和设备的dcs系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，包括影像获取处理装置、工业一体机、MINI DCS系统、机械臂和移动装置；所述影像获取处理装置采集工业现场环境的视频信息和图像信息；所述MINI DCS系统采集工业现场环境和设备的信号并发送至所述工业一体机，以及在所述工业一体机的控制下输出信号；所述工业一体机控制所述机械臂完成动作，控制所述移动装置进行全角度移动，以及根据采集的工业现场环境和设备的信号对工业现场环境和设备进行监测诊断。本发明的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统能够基于DCS系统进行工业现场环境监测和设备健康状态诊断，从而实现对工业环境的安全预警。
Description
技术领域
本发明涉及分散控制系统(Distributed Control System，DCS)的技术领域，特别是涉及一种用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统。
背景技术
随着机器学习等技术的飞速发展，人工智能技术已经在工业自动化、智慧医疗、智慧农业、智能军事、灾难救援等众多领域发挥着日渐重要的作用。
工业现场环境复杂，且由于设备老化等原因未被及时发现而存在可能的安全隐患问题，如电厂、化工厂等，导致偶有人员伤亡事故发生。因此，工业现场环境和设备的健康监测及诊断尤为重要，其直接决定的生产效率及人身安全。
现有技术中，工业现场环境和设备多采用人工去监测和诊断，或采用一些传感器去监测，缺乏智能化。因此，如何将人工智能应用于工业领域，实现工业现场环境和设备的监测诊断成为当前的热点研究课题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，能够基于DCS系统进行工业现场环境监测和设备健康状态诊断，从而实现对工业环境安全的预警。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，包括影像获取处理装置、工业一体机、MINI DCS系统、机械臂和移动装置；所述影像获取处理装置设置在所述工业一体机上方，用于采集工业现场环境的视频信息和图像信息，构建工业环境地图、规划导航路径以及获取工业现场设备的端口位姿信息并发送至所述工业一体机；所述MINI DCS系统设置在所述工业一体机下方，用于采集工业现场环境和设备的信号并发送至所述工业一体机，以及在所述工业一体机的控制下输出信号；所述机械臂与所述工业一体机相连，用于在所述工业一体机的控制下执行动作；所述移动装置设置在所述MINI DCS系统下方，并与所述工业一体机相连，用于在所述工业一体机的控制下实现全角度的移动；所述工业一体机用于根据所述工业环境地图、所述导航路径和所述端口位姿信息控制所述机械臂完成动作，控制所述移动装置进行全角度移动，以及根据采集的工业现场环境和设备的信号对工业现场环境和设备进行监测诊断。
于本发明一实施例中，所述影像获取处理装置包括摄像头和深度相机。
于本发明一实施例中，所述影像获取处理装置根据所述视频信息和所述图像信息，基于SLAM算法构建所述工业环境地图，基于深度强化学习的路径规划算法规划导航路径，基于YOLO V3网络识别端口位姿信息。
于本发明一实施例中，所述MINI DCS系统包括DCS控制器和信号处理模块；所述信号采集模块包括模拟电流输出模块、模拟电压输出模块、模拟电流输入模块、模拟电压输入模块、数字电压输入模块、数字电压输出模块、温湿度模块和震动模块；所述DCS控制器采集所述模拟电流输入模块、模拟电压输入模块、数字电压输入模块、温湿度模块和震动模块的信号并发送至所述工业一体机，并在所述工业一体机的控制下输出信号至所述模拟电流输出模块、模拟电压输出模块和数字电压输出模块。
于本发明一实施例中，所述机械臂采用两个三轴机械臂，对称设置在所述MINIDCS系统上。
于本发明一实施例中，所述机械臂执行的动作包括：
搬运设备；
将所述MINI DCS系统的部分信号线插入到所述工业现场设备的端口上。
于本发明一实施例中，所述工业一体机和所述MINI DCS系统通过上支架相连，所述MINIDCS系统和所述移动装置通过下支架相连；所述上支架和所述下支架均包括屏蔽包裹层和设置在所述屏蔽包裹层内的信号线。
于本发明一实施例中，所述移动装置采用四个由步进电机驱动的两个滚轮；对于每个滚轮，采用一个步进电机连接在所述下支架和所述滚轮之间，以实现平面内的360度旋转，采用另一个步进电机作为所述滚轮的轴，以实现前进和后退。
于本发明一实施例中，所述工业一体机根据采集的工业现场环境和设备的信号，基于训练好的卷积神经网络对工业现场环境和设备进行监测诊断。
于本发明一实施例中，所述MINI DCS系统的接口采用防呆接口。
如上所述，本发明的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，具有以下有益效果：
(1)能够实现最优路径规划，抵达危险工业现场，进行现场环境监测和设备健康状态诊断；
(2)通过预训练的卷积神经网络对工业现场环境进行数据分析，对未来时刻工业现场设备故障进行预判，从而实现对工业环境安全的预警；
(3)所采用的MINI DCS系统区别于传统的庞大的DCS系统，更加便携、轻量化。
附图说明
图1显示为本发明的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统于一实施例中的结构示意图。
图2显示为用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统于一实施例中的信号连接示意图。
元件标号说明
1 影像获取处理装置
2 工业一体机
3 MINI DCS系统
31 DCS控制器
32 信号处理模块
4 机械臂
5 移动装置
6 上支架
7 下支架
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统通过采用工业一体机和MINI DCS系统相结合的架构，进行工业现场环境监测和设备健康状态诊断，从而实现对工业环境安全的预警，保证了工业现场的安全性。
如图1和图2所示，于一实施例中，本发明的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统包括影像获取处理装置1、工业一体机2、MINI DCS系统3、机械臂4和移动装置5。
所述影像获取处理装置1设置在所述工业一体机2上方，用于采集工业现场环境的视频信息和图像信息，构建工业环境地图、规划导航路径以及获取工业现场设备的端口位姿信息并发送至所述工业一体机2。优选地，所述影像获取处理装置1通过USB接口与所述工业一体机2相连。
于本发明一实施例中，所述影像获取处理装置1包括2个摄像头和2个深度相机。优选地，所述工业一体机2为立方体结构，所述2个摄像头和所述2个深度相机分别位所述立方体顶部的正方形的四个角上，呈对角线交叉分布，从而可以全方位采集其四周的环境图片和影像，获取高质量的视觉输入。采集工业现场环境的视频信息和图像信息后，所述影像获取处理装置1根据所述视频信息和所述图像信息，基于即时定位与地图构建(SimultaneousLocalization And Mapping，SLAM)算法构建所述工业环境地图，基于深度强化学习的路径规划算法规划导航路径，基于YOLO V3网络进行目标检测，识别所述工业现场设备的端口位姿信息。其中，是当前较为成熟的目标检测网络。首先，建立端口相关的数据集，然后基于该数据集训练YOLO V3网络。训练完成之后利用训练好的YOLO V3网络识别出所需要的端口，并且输出该端口相对于所述工业一体机2的位姿信息，以基于令所述工业一体机2根据所述端口位姿信息控制所述机械臂4将所述MINI DCS系统的部分数据线插入该端口中，从而实现有线连接。
所述MINI DCS系统3设置在所述工业一体机2下方，用于采集工业现场环境和设备的信号并发送至所述工业一体机2，以及在所述工业一体机2的控制下输出信号。具体地，所述MINIDCS系统尺寸仅为600mm*300mm*200mm，包括DCS控制器31和信号处理模块32。所述信号采集模块包括模拟电流输出模块、模拟电压输出模块、模拟电流输入模块、模拟电压输入模块、数字电压输入模块、数字电压输出模块、温湿度模块和震动模块。优选地，所述DCS控制器31通过以太网与所述工业一体机2通讯，通过RS485接口与所述信号处理模块32通讯。
对于所述模拟电流输出模块，所述DCS控制器31可通过该模块向某些设备输出模拟电流信号，从而实现控制设备的作用。所述模拟电流输出模块具有8个通道，通道接线已采用傻瓜式防呆处理，只需对准工业现场设备的端口，即可实现插拔。
对于所述模拟电压输出模块，所述DCS控制器31可通过该模块向某些设备输出模拟电压信号，从而实现控制设备的作用。所述模拟电压输出模块具有8个通道，通道接线已采用傻瓜式防呆处理，只需对准工业现场设备的端口口，即可实现插拔。
对于所述模拟电流输入模块，某些设备可向所述DCS控制器31输入模拟电流信号，从而实现工业现场相关信号的采集。所述模拟电流输入模块具有8个通道，通道接线已采用傻瓜式防呆处理，只需对准工业现场设备的端口，即可实现插拔。
对于所述模拟电压输入模块，某些设备可向所述DCS控制器31输入模拟电压信号，从而实现工业现场相关信号的采集。所述模拟电压输入模块具有8个通道，通道接线已采用傻瓜式防呆处理，只需对准工业现场设备的端口，即可实现插拔。
对于所述数字电压输入模块，某些设备可向所述DCS控制器31输入数字电压信号，从而实现工业现场相关信号的采集。所述数字电压输入模块具有16个通道，通道接线已采用傻瓜式防呆处理，只需对准工业现场设备的端口，即可实现插拔。
对于所述数字电压输出模块，所述DCS控制器31可通过该模块向某些设备输出数字电压信号，从而实现控制设备的作用。所述数字电压输出模块具有16个通道，通道接线已采用傻瓜式防呆处理，只需对准工业现场设备的端口，即可实现插拔。
所述温湿度模块包含温湿度传感器，能够实时测量工业现场环境的温湿度信息，并将所述温湿度信息发送至所述DCS控制器31，由所述DCS控制器31上传至所述工业一体机2，以通过综合分析来实时监测工业现场环境的稳定度。
所述震动模块包含震动传感器，能够实时测量设备各个方向的偏离度信息，并将所述偏离度信息发送至所述DCS控制器31，由所述DCS控制器31上传至所述工业一体机2，以通过综合分析判断工业现场设备的健康状态。
因此，所述DCS控制器31用于采集所述模拟电流输入模块、模拟电压输入模块、数字电压输入模块、温湿度模块和震动模块的信号并发送至所述工业一体机2，并在所述工业一体机2的控制下输出信号至所述模拟电流输出模块、模拟电压输出模块和数字电压输出模块。
优选地，所述MINI DCS系统一共可搭载32个信号处理模块，可根据实际的工业现场需求，自由搭配信号处理模块。由于信号处理模块的接口均进行了防呆处理，故插错和插反无法将线束插入接口，从而降低了插拔的难度。另外，所述MINI DCS系统拆除下来，成为一个独立的系统，单独进行工作。例如，当所述用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统的其他部位故障，或所述用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统无法到达的特殊环境，可将所述MINI DCS系统拆除下来，只需人工接线，并搭配一台笔记本电脑采集数据，即可实现独立工作，大大扩大了传统DCS系统工作的场景。
所述机械臂4与所述工业一体机2相连，用于在所述工业一体机2的控制下执行动作。具体地，所述机械臂采用两个三轴机械臂，对称设置在所述MINI DCS系统3上。所述两个三轴机械臂与所述工业一体机2分别通过一根网线相连，从而通过以太网通讯所述工业一体机2实现对所述机械臂4的控制，使得所述机械臂4能够依据所述工业一体机2发送的指令完成相应的动作。于本发明一实施例中，所述机械臂4执行的动作包括：(1)搬运设备，即搬运一些简单的设备到危险的现场，重量不超过5kg；(2)将所述MINI DCS系统的部分信号线插入到所述工业现场设备的端口上。需要说明的是，并不是所述MINI DCS系统的所有模块的信号线都需要插入到工业现场设备中，只是其中的某些线。
所述移动装置5设置在所述MINI DCS系统3下方，并与所述工业一体机2相连，用于在所述工业一体机2的控制下实现全角度的移动。其中，所述工业一体机2根据规划的导航路径，发送指令至所述移动装置5，以控制所述移动装置5按照最优路径抵达工业现场的精确位置。于本发明一实施例中，所述移动装置5采用四个由步进电机驱动的滚轮，所述滚轮与所述工业一体机2采用RS485进行通信。所述四个滚轮能在步进电机的驱动下实现全角度的前进和后退功能，既可实现平面内的角度变化，又可实现某个固定方向的前进和后退，从而实现全方位地移动。优选地，所述工业一体机2和所述MINI DCS系统3通过上支架6相连，所述MINI DCS系统3和所述移动装置5通过下支架7相连。所述上支架6和所述下支架7均包括屏蔽包裹层和设置在所述屏蔽包裹层内的信号线。所述屏蔽包裹层用于屏蔽工业现场的电磁干扰。所述上支架6中的信号线为所述工业一体机2与所述MINI DCS系统3和所述机械臂5之间的信号线。所述下支架7中的信号线为所述MINI DCS系统3与所述移动装置5之间的信号线。当所述移动装置5采用四个由步进电机驱动的滚轮时，所述下支架7包括两个子下支架，每个子下支架下设置两个滚轮。对于每个滚轮，采用一个步进电机连接在所述下支架和所述滚轮之间，以实现平面内的360度旋转，采用另一个步进电机作为所述滚轮的轴，以实现前进和后退。
所述工业一体机2用于根据所述工业环境地图、所述导航路径和所述端口位姿信息控制所述机械臂4完成动作，控制所述移动装置5进行全角度移动，以及根据采集的工业现场环境和设备的信号对工业现场环境和设备进行监测诊断。
具体地，所述工业一体机2从工业场景获取原始数据，通过一定的手段对这些原始数据添加注释信息，用作卷积神经网络学习预判的工业数据集。由于工业环境复杂，所以该工业数据集其数据量较大。在所述工业一体机2应用在实际工业场景中，所述工业一体机2先对用于预判的卷积神经网络在上述的工业数据集中进行训练，并在所述工业数据集中的测试集验证网络的正确率。达到既定的正确率后将所述卷积神经网络移植到实际的工业一体机上。通过训练好的卷积神经网络可以实现工业现场设备的健康监测和诊断，对工业现场设备的故障进行预判，从而对整个工业环境的安全进行预警，排除安全隐患。
优选地，所述工业一体机2采用威沃公司的IBOOK15型号的小型轻便化工业一体机，CPU选用i7 8565U，四核八线程1.8GHz的主频，英特尔超清显卡，内存16G，硬盘512G，多点电容触屏设计，嵌入式安装模式，且含有丰富的对外接口，能够满足丰富的工业现场需求。
综上所述，本发明的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统能够实现最优路径规划，抵达危险工业现场，进行现场环境监测和设备健康状态诊断；通过预训练的卷积神经网络对工业现场环境进行数据分析，对未来时刻工业现场设备故障进行预判，从而实现对工业环境安全的预警；所采用的MINI DCS系统区别于传统的庞大的DCS系统，更加便携、轻量化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：包括影像获取处理装置、工业一体机、MINI DCS系统、机械臂和移动装置；
所述影像获取处理装置设置在所述工业一体机上方，用于采集工业现场环境的视频信息和图像信息，构建工业环境地图、规划导航路径以及获取工业现场设备的端口位姿信息并发送至所述工业一体机；
所述MINI DCS系统设置在所述工业一体机下方，用于采集工业现场环境和设备的信号并发送至所述工业一体机，以及在所述工业一体机的控制下输出信号；
所述机械臂与所述工业一体机相连，用于在所述工业一体机的控制下执行动作；
所述移动装置设置在所述MINI DCS系统下方，并与所述工业一体机相连，用于在所述工业一体机的控制下实现全角度的移动；
所述工业一体机用于根据所述工业环境地图、所述导航路径和所述端口位姿信息控制所述机械臂完成动作，控制所述移动装置进行全角度移动，以及根据采集的工业现场环境和设备的信号对工业现场环境和设备进行监测诊断；
所述影像获取处理装置包括摄像头和深度相机；
所述影像获取处理装置根据所述视频信息和所述图像信息，基于SLAM算法构建所述工业环境地图，基于深度强化学习的路径规划算法规划导航路径，基于YOLO V3网络识别端口位姿信息。
2.根据权利要求1所述的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：所述MINI DCS系统包括DCS控制器和信号处理模块；所述信号处理模块包括模拟电流输出模块、模拟电压输出模块、模拟电流输入模块、模拟电压输入模块、数字电压输入模块、数字电压输出模块、温湿度模块和震动模块；所述DCS控制器采集所述模拟电流输入模块、模拟电压输入模块、数字电压输入模块、温湿度模块和震动模块的信号并发送至所述工业一体机，并在所述工业一体机的控制下输出信号至所述模拟电流输出模块、模拟电压输出模块和数字电压输出模块。
3.根据权利要求1所述的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：所述机械臂采用两个三轴机械臂，对称设置在所述MINI DCS系统上。
4.根据权利要求1所述的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：所述机械臂执行的动作包括：
搬运设备；
将所述MINI DCS系统的部分信号线插入到所述工业现场设备的端口上。
5.根据权利要求1所述的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：所述工业一体机和所述MINI DCS系统通过上支架相连，所述MINI DCS系统和所述移动装置通过下支架相连；所述上支架和所述下支架均包括屏蔽包裹层和设置在所述屏蔽包裹层内的信号线。
6.根据权利要求5所述的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：所述移动装置采用四个由步进电机驱动的两个滚轮；对于每个滚轮，采用一个步进电机连接在所述下支架和所述滚轮之间，以实现平面内的360度旋转，采用另一个步进电机作为所述滚轮的轴，以实现前进和后退。
7.根据权利要求1所述的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：所述工业一体机根据采集的工业现场环境和设备的信号，基于训练好的卷积神经网络对工业现场环境和设备进行监测诊断。
8.根据权利要求1所述的用于监测诊断工业现场环境和设备的DCS系统，其特征在于：所述MINI DCS系统的接口采用防呆接口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |