CN210954703U - 基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块及采集系统 - Google Patents

基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块及采集系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块及采集系统,属于工控设备的技术领域,该采集功能模块包括:模拟量采集单元,其输入端与传感器直连,用于不通过PLC从所述传感器采集模拟量信号;CPU单元,其模拟量输入端与所述模拟量采集电路的输出端耦接,用于对接收的模拟量信号进行边缘计算、存储和转发;RS485总线通讯单元,其与CPU单元连接,用于将数据发送至数据接收装置;以及以太网通讯单元,其与CPU单元连接,用于将数据发送至数据接收装置。本实用新型具有包含信号采集、总线通讯、存储、计算、转发功能,能够直接连接传感器进行数据采集,适用于多数传感器,实用性较高。

Description

基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块及采集系统
技术领域
本实用新型涉及工控设备的技术领域,尤其是涉及一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块。
背景技术
以推进工业物联网技术的发展为导向,实现生产制造业产业升级、实现智能制造的大背景下,很多企业投身于工业物联网的大潮之中。要实现工业现场的智能制造,其中最底层的一环是进行数据采集,为了解决海量数据采集上传给系统带来的高并发、实时性差的问题,目前普遍的做法是采用边缘计算的方式。
工厂大型设备实现自动化控制大多使用PLC,现有的采集装置/模块采集数据都只能实现模块与PLC之间的通讯,数据也是从PLC中取得,一些模块本身也具有转发功能,可以把数据发送到本地服务器或者云服务器。但是,客观存在的问题的是工厂生产线上使用的PLC,基本都是PLC设备厂家提供,无论是工厂方还是PLC设备方,都不愿意利用第三方提供的采集模块在自己的设备上修改或者取得数据,原因是PLC用于设备控制,那么里面的PLC程序的变动有可能会影响到生产线上的设备的稳定性,一般的工厂方或者PLC设备方都是不允许第三方直接去查看或者修改PLC程序。那么,如果要对设备进行智能改造只能找一些标准的模块,或者获得工厂方和PLC设备方双方许可配合第三方的采集模块厂家来修改,即工厂方同意连接设备的PLC,PLC设备厂家配合修改程序,只有在几方均配合的前提下,这种数据采集模块才能够安装、使用,因此,这类模块使用空间小,实用性较低。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足,本实用新型的目的之一是提供一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,包含信号采集、总线通讯、存储、计算、转发功能,能够直接连接传感器,进行数据采集,适用于多数传感器,实用性较高。
本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的:一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,包括:模拟量采集单元,其输入端与传感器直连,用于不通过PLC从所述传感器采集模拟量信号;CPU单元,其模拟量输入端与所述模拟量采集电路的输出端耦接,用于通过边缘计算技术对接收的模拟量信号进行边缘计算、存储和转发;RS485总线通讯单元,其与CPU单元连接,用于将数据发送至数据接收装置;以及以太网通讯单元,其与CPU单元连接,用于将数据发送至数据接收装置。
通过采用上述技术方案,模拟量采集单元能够采集传感器的模拟量信号,微控制单元能够进行边缘计算、存储和转发功能,同时,该功能模块还具有RS485总线通讯和以太网通讯,采集的数据不需要经过PLC,可以直接上传至数据接收装置,方便工厂方数据的获取和监控,采用本实用新型的功能模块,在进行工厂系统新建和工厂智能改造时,不需要改动PLC程序,不会对设备运行的稳定性造成影响,同时,克服了三方协调配合的客观难题,适用空间较大,实用性较强,对于新安装传感器的数据采集非常适用。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:所述CPU单元为基于ARM的32位微控制器。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:所述模拟量采集单元包括4-20mA、0-20mA、±10mA、0-20mV、0-75mV、0-5V、0-10V、±50mV、±100mV、±5V的其中任意一种或者任意两种及两种以上的组合的模拟量信号的采集电路。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:所述以太网通讯单元通过接插件与所述CPU单元连接。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:所述RS485总线通讯单元的电路中包括ADM2483隔离型RS485收发器。
通过采用上述技术方案,ADM2483芯片是一款隔离型的RS485收发器,内部集成了磁耦隔离技术,其具有体积小、带有电源监控功能,适用于多点总线传输线路的双向数据通信,具有高共模瞬变抗扰能力。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:所述RS485总线通讯单元的电路中还包括B0505LM-1系列的DC/DC转换器,其用于实现输入与输出之间1000VDC的隔离。
通过采用上述技术方案,B0505LM-1W系列产品是一款隔离1000VDC的超小型、高可靠性的DC/DC转换器,由于实现输入与输出之间1000VDC的隔离,且输出短路时间可持续1s,从而能很好的抵御高频瞬态突波的干扰。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:该功能模块还包括开关电源单元和电源保护单元,所述开关电源单元内部电路的输出端用于与模拟量采集单元、CPU单元、RS485总线通讯单元以及以太网通讯单元的VCC端连接。
本实用新型的目的之二是提供一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统,其能够在新安装传感器时,直接从传感器上取数据,不需要经过PLC,适用现有的生产线智能改造。
本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的:一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统,包括:至少一个传感器;数据接收装置;以及所述的模拟量信号采集功能模块;其中,模拟量采集单元的输入端所述至少一个传感器直连,用于不通过PLC从所述传感器采集模拟量信号;CPU单元通过RS485总线通讯单元和以太网通讯单元与所述数据接收装置通讯连接。
通过采用上述技术方案,模拟量信号采集功能模块与传感器直连,进行数据的采集,不需要经过PLC,所以,在安装时,不会对PLC程序进行改动,保证了设备运行的稳定性,自然也不会受到工厂方和PLC设备方的限制,实用性较强。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:所述数据接收装置包括前置服务器,所述CPU单元通过RS485总线通讯单元或以太网通讯单元与所前置服务器通讯连接。
本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为:所述数据接收装置包括云服务器,所述CPU单元通过所述以太网通讯单元与所述云服务器通讯连接。
综上所述,本实用新型包括以下有益技术效果:
1、本实用新型的方案,能够与传感器进行直连,实现模拟量信号的采集,功能模块本身具有边缘计算、存储和转发功能,采集的数据可以直接发送至前置服务器和/或云服务器,从而方便对数据的监控,基本适用于所有的传感器;与传统的数据采集模块相比,在采集数据时,不需要在PLC设备内部进行数据获取,不需要进行PLC程序的改动,有利于保证生产线设备的运行稳定性;同时,也不需要进行三方协调,提高了设备安装和调试时间,实用性较强;
2、本实用新型的功能模块具有模拟量信号采集功能,可支持4-20mA、0-20mA、±10mA、0-20mV、0-75mV、0-5V、0-10V、±50mV、±100mV、±5V等不同模拟量信号的采集。
附图说明
图1是本实用新型实施例的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块的示例性框图。
图2是本实用新型实施例的模拟量采集单元的电路图。
图3是本实用新型实施例的CPU单元的电路图。
图4是本实用新型实施例的以太网通讯电路图。
图5是本实用新型实施例的RS485总线通讯电路图。
图6是本实用新型实施例的开关电源电路图。
图7是本实用新型实施例的电源保护电路图。
图8是本实用新型实施例的基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统的系统框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
图1是本实用新型实施例的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块的示例性框图,参照图1,为实用新型公开了一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,该模块包括模拟量采集单元、CPU单元、RS485总线通讯单元、以太网通讯单元、开关电源单元以及电源保护单元。其中,模拟量采集单元的输入端与传感器直接连接,用于不通过PLC从传感器采集模拟量信号;模拟量采集单元的输出端连接CPU单元的模拟量输入端,CPU单元用于对采集的模拟量信号进行存储、边缘计算以及数据的上传转发;RS485总线通讯单元,其与CPU单元连接,用于将计算完成的数据发送至数据接收装置;以及以太网通讯单元,其与CPU单元连接,用于将计算完成的数据发送至数据接收装置。
图2是本实用新型实施例的模拟量采集单元的电路图,参考图2,模拟量采集单元包括0-10V模拟量信号的采集电路,0-10V模拟量信号的采集电路具有与传感器连接的正输入端EXT I1+和负输入端EXT T1-以及输出端;该采集电路中主要包括差分运放电路和比例放大电路,传感器信号进入后流经第一个芯片为LM224AD,其为差分运放,作用是使差分信号转成共地的信号,之后经过第二个芯片MCP6002,其为运放构成的比例放大器,通过调整电位器P1调整给单片机的模拟信号;另外,D2的功能主要为差压保护;模拟量信号的采集电路不仅限于0-10V一种,其根据传感器以及现场配置,可以集成4-20mA、0-20mA、±10mA、0-20mV、0-75mV、0-5V、0-10V、±50mV、±100mV、±5V的其中任意一种或者是任意两种及两种以上的组合。模拟量采集单元为独立的采集电路,而非PLC及与PLC关联的采集电路,其独立采集模拟量信号并发送至CPU单元。
图3是本实用新型实施例的CPU单元的电路图,参考图3,CPU单元包括基于ARM的32位微控制器U2,该微控制器U2能够进行单周期硬件乘法和除法,实现数据的简单计算。微控制器U2在一个实例中可以选择型号为STM32F103V8T芯片。STM32F103V8T芯片的模拟量输入端AIN1与模拟量信号的采集电路的输出端连接。
图4是本实用新型实施例的以太网通讯电路图,参考图4,以太网通讯单元与STM32F103V8T芯片通过接插件连接,以太网通讯单元包括的以太网通讯电路具有一个EU1RX端和一个EU1TX端,STM32F103V8T芯片具有USART接口,用于与EU1RX端和EU1TX端连接,以太网通讯电路的输出端采用通信引出插座RJ45接入带以太网接口的数据接收装置,例如前置服务器,从而将采集的数据存储在前置服务器中;以太网通讯电路还能够与云服务器通讯,将采集的数据存储在云服务器。
图5是本实用新型实施例的RS485总线通讯电路图,参考图5,RS485总线通讯单元包括RS485总线通讯电路,RS485总线通讯电路中包括RS485收发器U6和DC/DC转换器M7。在一个实例中,该RS485收发器U6可以采用ADM2483芯片,ADM2483采用了磁耦隔离技术,功能上相当于集成了三个单通道的光耦和一个RS485收发器。AMD2483芯片的RXD、TXD管脚连接至STM32F103V8T芯片的另一通道的MD_RXD端和MD_TXD端。ADM2483芯片具有光电隔离和高共模瞬变抗扰能力。DC/DC转换器M7可以采用B0505LM-1W系列产品,其用于实现输入与输出之间1000VDC的隔离,且输出短路时间可持续1S,从而能够很好地低于高频瞬态突波的干扰。RS485总线通讯电路能够连接前置服务器等相关的数据存储装置,从而将采集的数据存储在其中。
图6是本实用新型实施例的开关电源电路图,图7是本实用新型实施例的电源保护电路图,参考图6和图7,开关电源单元包括开关电源电路,开关电源电路的输出端分别与模拟量采集电路、CPU电路、RS485总线通讯电路以及以太网通讯电路的VCC端连接,从而为不同电路提供所需等级的电压。开关电源电路中包括降压开关开关电源芯片M1,M1可选择LM2575T-5.0芯片,还包括正向低压稳压器M2,M2可选择AMS1117-3.3芯片,AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器,能够得到STM32F103V8T芯片所需要的3.3V电压。C128和E7的作用是抑制自激振荡。电源保护单元包括电源保护电路,其用于实现对开关电源电路的欠压等保护。
上述的模拟量采集单元、RS485总线通讯单元、开关电源单元以及电源保护单元均可以通过接插件与CPU单元进行连接,从而实现其独立的单元的功能。
图8是本实用新型实施例的基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统的系统框图,参考图8,一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统包括至少一个传感器和上述的模拟量信号采集功能模块,其中,模拟量采集单元的输入端所述至少一个传感器直连,CPU单元通过RS485总线通讯单元和以太网通讯单元与所述数据接收装置连接。
一个模拟量信号采集功能模块能够同时连接多个传感器,例如:同一种类型的多个传感器和多个不同类型的传感器。数据接收装置可以包括前置服务器和/或云服务器。
本实用新型的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块包含信号采集、总线通讯、存储、边缘计算、转发功能,该采集功能模块能够独立地直接与传感器连接,进行模拟信号的采集,数据可以通过在微控制器内进行简单的计算,最后上传、发送至前置服务器和云服务器进行存储,不需要对厂家现有的PLC程序进行改动便可以得到采集的数据,且能够适用于所有的传感器;该功能模块主要针对新安装的传感器,克服了当前生产工厂、PLC设备厂家以及第三方存在的难以调和的客观问题,实用性强,适用于生产工厂设备的数据采集的新建工作以及后期的智能改造工作。
本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例,并非依此限制本实用新型的保护范围,故:凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,其特征在于,包括:
模拟量采集单元,其输入端与传感器直连,用于不通过PLC从所述传感器采集模拟量信号;
CPU单元,其模拟量输入端与所述模拟量采集电路的输出端耦接,用于对接收的模拟量信号进行边缘计算、存储和转发;
RS485总线通讯单元,其与CPU单元连接,用于将数据发送至数据接收装置;以及
以太网通讯单元,其与CPU单元连接,用于将数据发送至数据接收装置。
2.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,其特征在于,所述CPU单元为基于ARM的32位微控制器。
3.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,其特征在于,所述模拟量采集单元包括4-20mA、0-20mA、±10mA、0-20mV、0-75mV、0-5V、0-10V、±50mV、±100mV、±5V的其中任意一种或者任意两种及两种以上的组合的模拟量信号的采集电路。
4.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,其特征在于,所述以太网通讯单元通过接插件与所述CPU单元连接。
5.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,其特征在于,所述RS485总线通讯单元的电路中包括ADM2483隔离型RS485收发器。
6.根据权利要求5所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,其特征在于,所述RS485总线通讯单元的电路中还包括B0505LM-1系列的DC/DC转换器,其用于实现输入与输出之间1000VDC的隔离。
7.根据权利要求1所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集功能模块,其特征在于,该功能模块还包括开关电源单元和电源保护单元,所述开关电源单元内部电路的输出端用于与模拟量采集单元、CPU单元、RS485总线通讯单元以及以太网通讯单元的VCC端连接。
8.一种基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统,其特征在于,包括:
至少一个传感器;
数据接收装置;以及
权利要求1-7任意一项所述的模拟量信号采集功能模块;
其中,模拟量采集单元的输入端所述至少一个传感器直连,用于不通过PLC从所述传感器采集模拟量信号;CPU单元通过RS485总线通讯单元或以太网通讯单元与所述数据接收装置连接。
9.根据权利要求8所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统,其特征在于,所述数据接收装置包括前置服务器,所述CPU单元通过RS485总线通讯单元或以太网通讯单元与所前置服务器通讯连接。
10.根据权利要求8所述的基于边缘计算技术的模拟量信号采集系统,其特征在于,所述数据接收装置包括云服务器,所述CPU单元通过所述以太网通讯单元与所述云服务器通讯连接。
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