一種基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統及方法與流程

2023-09-17 21:35:10 1

本發明屬於冶金行業過程數據採集
技術領域：
，具體涉及一種基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統及方法。
背景技術：
：電熔鎂爐工業過程數據採集是進行電熔鎂爐生產過程實時監控的重要基礎和前提，實現電熔鎂爐工業過程數據的採集，有利於對電熔鎂爐實時數據的檢索和分析，高效、可靠的電熔鎂爐數據採集系統對於提高電熔鎂爐實時監控的性能具有重要作用，對於電熔鎂爐生產過程的故障診斷和故障預報也具有重要意義。現有電熔鎂爐工業過程數據採集主要由安裝在現場的傳感器和變送器將檢測到的現場信號傳輸到控制器，然後，企業端伺服器採用有線採集方式，通過基於OPC協議的工業總線完成對控制器中數據的採集。但有線採集方式下，布線複雜，成本較高，且後期維護困難，系統擴展和升級困難。隨著物聯網技術在工業的廣泛應用，現有電熔鎂爐監控系統難以滿足目前製造企業向智能化轉型過程中對系統成本以及系統擴展性、靈活性的需求。因此，開發基於無線的電熔鎂爐數據採集系統是十分必要的，並具有重要意義。技術實現要素：針對現有技術的不足，本發明提出一種基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統及方法。本發明的技術方案是：一種基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統，包括供電模塊、PLC模塊、無線數據傳輸模塊、串口轉換模塊、企業端伺服器；所述供電模塊，用於對PLC模塊和無線數據傳輸模塊進行供電；所述PLC模塊，用於實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據和數字量數據，並對採集到的模擬量數據進行濾波，將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據進行存儲，並傳送至無線數據傳輸模塊；所述無線數據傳輸模塊，用於將PLC模塊濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據傳輸至企業端伺服器；所述串口轉換模塊，用於實現無線數據傳輸模塊和企業端伺服器之間的通訊；所述企業端伺服器，用於接收濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據，並存儲於資料庫。所述PLC模塊，包括CPU電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊和數據傳輸模塊；所述CPU電源模塊，用於給CPU模塊供電；所述模擬量輸入模塊，用於實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據並傳輸至CPU模塊的數據緩存區；所述數字量輸入模塊，用於實時採集現場電熔鎂爐生產過程的數字量數據並將其存儲至CPU模塊的數據存儲器中；所述CPU模塊，用於對模擬量輸入模塊採集到的模擬量數據採用限幅平均值濾波方法進行濾波，並將濾波後的模擬量數據存儲於CPU模塊的數據存儲器中；所述數據傳輸模塊，用於將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據通過modbus協議傳送至無線數據傳輸模塊。所述供電模塊，包括220V交流電電源、第一直流穩壓電源和第二直流穩壓電源；所述220V交流電電源，用於對PLC模塊、第一直流穩壓電源和第二直流穩壓電源進行供電；所述第一直流穩壓電源和第二直流穩壓電源，用於將220V交流電轉換為24V直流電輸出，對無線數據傳輸模塊進行供電。所述的無線數據傳輸模塊，包括PLC端無線數據傳輸模塊和企業端無線數據傳輸模塊；所述PLC端無線數據傳輸模塊，用於接收PLC模塊發送的濾波後的模擬量數據和採集的數字量數據，並通過crc校驗方式進行校驗，將接收的數據通過無線網絡傳輸至企業端無線數據傳輸模塊；所述企業端無線數據傳輸模塊，用於接收PLC端無線數據傳輸模塊發送的濾波後的模擬量數據和採集的數字量數據，並將接收的數據通過串口轉換模塊傳送給企業端伺服器。所述220V交流電電源的輸出端連接所述PLC模塊的CPU電源模塊的輸入端、第一直流穩壓電源的輸入端和第二直流穩壓電源的輸入端，所述第一直流穩壓電源的輸出端連接所述PLC端無線數據傳輸模塊的電源端，所述第二直流穩壓電源的輸出端連接所述企業端無線數據傳輸模塊的電源端，所述CPU電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊和數據傳輸模塊依次連接，所述模擬量輸入模塊的輸入端和數字量輸入模塊的輸入端分別連接電熔鎂爐工業現場，所述數據傳輸模塊的輸出端連接所述PLC端無線數據傳輸模塊的的輸入端；所述PLC端無線數據傳輸模塊和企業端無線數據傳輸模塊之間通過無線網絡進行傳輸，所述企業端無線數據傳輸模塊的輸出端通過串口轉換模塊連接企業端伺服器。採用基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統進行電熔鎂爐數據採集的方法，包括以下步驟：步驟1：PLC模塊實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據和數字量數據，並對採集到的模擬量數據進行濾波，將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據進行存儲；步驟2：PLC模塊將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據通過modbus協議傳送至無線數據傳輸模塊；步驟3：無線數據傳輸模塊通過串口轉換模塊將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據傳輸至企業端伺服器；步驟4：企業端伺服器接收濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據，並存儲於資料庫。所述步驟1包括以下步驟：步驟1.1：模擬量輸入模塊實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據並傳輸至CPU模塊的數據緩存區，CPU模塊對模擬量輸入模塊採集到的模擬量數據採用限幅平均值濾波方法進行濾波，並將濾波後的模擬量數據存儲於CPU模塊的數據存儲器中；步驟1.1.1：模擬量輸入模塊採集第m個採樣周期的模擬量數據並將其傳輸至CPU模塊的數據緩存區；步驟1.1.2：對第m個採樣周期及其前n-1個採樣周期採集到的模擬量數據求取其平均值Am；步驟1.1.3：令i＝m-n+1；步驟1.1.4：判斷第i個採樣周期採集到的值與平均值Am的差值的絕對值是否超出設定的差值上限值，若是，執行步驟1.1.5，否則，執行步驟1.1.6；步驟1.1.5：令i＝i+1，執行步驟1.1.7；步驟1.1.6：將第i個採樣周期的值存儲至濾波緩存區，令i＝i+1，執行步驟1.1.7；步驟1.1.7：判斷i是否小於等於m，若是，返回步驟1.1.4，否則，執行步驟1.1.8；步驟1.1.8：求取濾波緩存區中數據的平均值Bm，即該模擬量數據項第m個採樣周期濾波後的值，並將其存儲至CPU模塊的數據存儲器中；步驟1.1.9：清空濾波緩存區，令m＝m+1，返回步驟1.1.1；步驟1.2：數字量輸入模塊實時採集現場電熔鎂爐生產過程的數字量數據並將其存儲至CPU模塊的數據存儲器中。本發明的有益效果：本發明提供了一種基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統及方法，採用無線數據傳輸模塊將PLC模塊採集到的電熔鎂爐生產過程底層數據傳輸至企業端伺服器，該系統具有成本低，維護和升級方便，擴展靈活的特點。附圖說明圖1為本發明具體實施方式中基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統的結構框圖；圖2為本發明具體實施方式中基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集方法的流程圖；圖3為本發明具體實施方式中採用限幅平均值濾波方法對模擬量輸入模塊採集到的模擬量數據進行濾波的流程圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明具體實施方式加以詳細的說明。一種基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統，如圖1所示，包括供電模塊、PLC模塊、無線數據傳輸模塊、串口轉換模塊、企業端伺服器。所述供電模塊，用於對PLC模塊和無線數據傳輸模塊進行供電。所述PLC模塊，用於實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據和數字量數據，並對採集到的模擬量數據進行濾波，將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據進行存儲，並傳送至無線數據傳輸模塊。所述無線數據傳輸模塊，用於將PLC模塊濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據傳輸至企業端伺服器。所述串口轉換模塊，用於實現無線數據傳輸模塊和企業端伺服器之間的通訊。本實施方式中，串口轉換模塊將企業端無線數據傳輸模塊的RS485接口輸出信號轉換成可被企業端伺服器的RS232接口接收的信號。串口轉換模塊採用型號為TrasioA52的RS485轉RS232轉換器。所述企業端伺服器，用於接收濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據，並存儲於資料庫。本實施方式中，企業端伺服器選用研華公司的IPC-610-L工控機。所述PLC模塊，包括CPU電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊和數據傳輸模塊。本實施方式中，PLC模塊選用西門子S7-300PLC，其中CPU電源模塊選用西門子PS307模塊，CPU模塊選用西門子CPU315-2DP模塊，模擬量輸入模塊選用兩個西門子300系列模擬量輸入模塊331，數字量輸入模塊選用西門子300系列數字量輸入模塊321，數據傳輸模塊選用西門子CP340通訊模塊。所述CPU電源模塊，用於給CPU模塊供電。所述模擬量輸入模塊，用於實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據並傳輸至CPU模塊的數據緩存區。本實施方式中，採集的模擬量數據包括：電熔鎂爐三相電極電壓值、三相電極電流值。所述數字量輸入模塊，用於實時採集現場電熔鎂爐生產過程的數字量數據並將其存儲至CPU模塊的數據存儲器中。本實施方式中，採集的數字量數據包括故障報警信號，所述的故障報警信號包括變頻器狀態、運行工況狀態、手動自動狀態、油溫高、水溫高信號。所述CPU模塊，用於對模擬量輸入模塊採集到的模擬量數據採用限幅平均值濾波方法進行濾波，並將濾波後的模擬量數據存儲於CPU模塊的數據存儲器中。本實施方式中，數據存儲器為CPU模塊中的一塊存儲區域，該區域中存儲內容是由PLC程序構造的modbus協議的信息幀，該幀包括1個字節的從站地址、1個字節的功能碼、2個字節的數據起始地址、N個字節的數據信息和2個字節的crc校驗碼。從站地址指從站設備號，主站利用從站地址來識別進行通訊的從站設備，每個從站都必須有唯一的地址碼，並且只有符合地址碼的從站才能響應回送，這裡將PLC模塊的數據傳輸模塊作為主站，將PLC端無線數據傳輸模塊作為從站；功能碼是指主站告知從站執行什麼任務的命令字；數據起始地址是指所要發送的數據在發送端存儲空間的存放位置；數據信息是指所要發送的數據；crc校驗碼是指用於檢測數據通訊錯誤的16位循環冗餘碼。所述數據傳輸模塊，用於將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據通過modbus協議傳送至無線數據傳輸模塊。所述供電模塊，包括220V交流電電源、第一直流穩壓電源和第二直流穩壓電源。本實施方式中，第一直流穩壓電源和第二直流穩壓電源選用朝陽公司型號為4NIC的24V直流穩壓電源。所述220V交流電電源，用於對PLC模塊、第一直流穩壓電源和第二直流穩壓電源進行供電。所述第一直流穩壓電源和第二直流穩壓電源，用於將220V交流電轉換為24V直流電輸出，對無線數據傳輸模塊進行供電。所述的無線數據傳輸模塊，包括PLC端無線數據傳輸模塊和企業端無線數據傳輸模塊。本實施方式中，PLC端無線數據傳輸模塊和企業端無線數據傳輸模塊均選用KDZ-042型無線數據傳輸模塊。所述PLC端無線數據傳輸模塊，用於接收PLC模塊發送的濾波後的模擬量數據和採集的數字量數據，並通過crc校驗方式進行校驗，將接收的數據通過無線網絡傳輸至企業端無線數據傳輸模塊。所述企業端無線數據傳輸模塊，用於接收PLC端無線數據傳輸模塊發送的濾波後的模擬量數據和採集的數字量數據，並將接收的數據通過串口轉換模塊傳送給企業端伺服器。本實施方式中，220V交流電電源輸出端子L1、N、GND分別對應連接CPU電源模塊PS307上的輸入端子L1、N、GND、第一直流穩壓電源的輸入端子L1、N、GND和第二直流穩壓電源的輸入端子L1、N、GND，第一直流穩壓電源的輸出端子24V、GND對應連接PLC端無線數據傳輸模塊的電源輸入端子24V、GND，第二直流穩壓電源的輸出端子24V、GND對應連接企業端無線數據傳輸模塊上的電源輸入端子24V、GND。PLC模塊的CPU電源模塊PS307、CPU模塊CPU315-2DP、兩個西門子300系列模擬量輸入模塊331、兩個西門子300系列數字量輸入模塊321和數據傳輸模塊CP340依次連接，西門子300系列模擬量輸入模塊331的輸入端和西門子300系列數字量輸入模塊321的輸入端分別連接電熔鎂爐工業現場獲得的相應模擬量信號和數字量信號，數據傳輸模塊CP340與PLC端無線數據傳輸模塊通過RS485串口線連接，企業端無線數據傳輸模塊和串口轉換模塊TrasioA52的的RS485串口通過RS485串口線連接，串口轉換模塊TrasioA52的RS232串口與企業端伺服器通過RS232串口線連接。採用基於無線傳輸的電熔鎂爐數據採集系統進行電熔鎂爐數據採集的方法，如圖2所示，包括以下步驟：步驟1：PLC模塊實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據和數字量數據，並對採集到的模擬量數據進行濾波，將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據進行存儲。本實施方式中，採集的模擬量數據包括：電熔鎂爐三相電極電壓值、三相電極電流值。採集的數字量數據包括故障報警信號，所述的故障報警信號包括變頻器狀態、運行工況狀態、手動自動狀態、油溫高、水溫高信號。步驟1.1：模擬量輸入模塊實時採集現場電熔鎂爐生產過程的模擬量數據並傳輸至CPU模塊的數據緩存區，CPU模塊對模擬量輸入模塊採集到的模擬量數據採用限幅平均值濾波方法進行濾波，並將濾波後的模擬量數據存儲於CPU模塊的數據存儲器中，如圖3所示。步驟1.1.1：模擬量輸入模塊採集第m個採樣周期的模擬量數據並將其傳輸至CPU模塊的數據緩存區。步驟1.1.2：對第m個採樣周期及其前n-1個採樣周期採集到的模擬量數據求取其平均值Am。本實施方式中，CPU模塊對連續5個採樣周期採集到的模擬量數據進行濾波，即n＝5。以第6個採樣周期電熔鎂爐A相電極電流數據為例，即m＝6，採集到的第6、5、4、3、2這5個採樣周期的電熔鎂爐A相電極電流數據，如表1所示。表1採集的連續5個採樣周期A相電極電流值採樣周期A相電流(A)215296.29314297.45413105.32510539.35615995.37對這5個採樣周期數據求取平均值，得A相電極電流平均值Am＝13846.76A。步驟1.1.3：令i＝m-n+1。步驟1.1.4：判斷第i個採樣周期採集到的值與平均值Am的差值的絕對值是否超出設定的差值上限值，若是，執行步驟1.1.5，否則，執行步驟1.1.6。本實施方式中，設定的A、B、C三相電極電流差值上限值均為2000A，設定的A、B、C三相電極電壓差值上限值均為35V。步驟1.1.5：令i＝i+1，執行步驟1.1.7。步驟1.1.6：將第i個採樣周期的值存儲至濾波緩存區，令i＝i+1，執行步驟1.1.7。步驟1.1.7：判斷i是否小於等於m，若是，返回步驟1.1.4，否則，執行步驟1.1.8。步驟1.1.8：求取濾波緩存區中數據的平均值Bm，即該模擬量數據項第m個採樣周期濾波後的值，並將其存儲至CPU模塊的數據存儲器中。步驟1.1.9：清空濾波緩存區，令m＝m+1，返回步驟1.1.1。本實施方式中，將這5個採樣周期的A相電極電流值與平均值Am比較，若比較後的差值絕對值超出2000，則不作任何處理，否則將該採樣周期的值存入濾波緩存區，經計算得，第2個採樣周期數據差值絕對值為|13846.76-15296.29|＝1449.54≤2000，將此數據存入濾波緩存區；第3個採樣周期數據差值絕對值為|13846.76-14297.45|＝450.694≤2000，將此數據存入濾波緩存區；第4個採樣周期數據差值絕對值為|13846.76-13105.32|＝741.4348≤2000，將此數據存入濾波緩存區；第5個採樣周期數據差值絕對值為|13846.76-10539.35|＝3307.406＞2000，不作處理；第6個採樣周期數據差值絕對值為|13846.76-15995.37|＝2148.61＞2000，不作處理，最後將濾波緩存區中數據求取平均值，即Bm＝(15296.29+14297.45+13105.32)/3＝14233.02A，該值即為A相電極電流第6個採樣周期濾波後的值，將該值存儲至CPU模塊的數據存儲器中。步驟1.2：數字量輸入模塊實時採集現場電熔鎂爐生產過程的數字量數據並將其存儲至CPU模塊的數據存儲器中。步驟2：PLC模塊將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據通過modbus協議傳送至無線數據傳輸模塊。本實施方式中，利用modbus協議實現數據傳輸模塊與PLC端無線數據傳輸模塊的通訊。數據傳輸模塊對所要發送的數據進行crc校驗，得到crc校驗碼，將crc校驗碼加在數據存儲器中所要發送的數據之後，數據傳輸模塊每隔固定時間間隔向PLC端無線數據傳輸模塊發送一次數據存儲器中所存的信息幀。步驟3：無線數據傳輸模塊通過串口轉換模塊將濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據傳輸至企業端伺服器。本實施方式中，PLC端無線數據傳輸模塊成功接收到數據傳輸模塊發送的信息幀以後，對其中的數據信息進行crc校驗，將所得的crc校驗碼與接收到的crc校驗碼進行比較，若PLC端無線數據傳輸模塊所得的crc校驗碼與從數據傳輸模塊接收到的crc校驗碼相同，則校驗正確，將這一幀數據中不需要的從站地址、功能碼、數據起始地址、crc校驗碼剔除，設置無線數據收發模塊參數，將數據發送給企業端無線數據收發模塊，若PLC端無線數據傳輸模塊所得的crc校驗碼與從數據傳輸模塊接收到的crc校驗碼不同，則校驗不正確，繼續等待接收下一幀數據。無線數據收發模塊參數包括波特率、奇偶校驗、數據位、停止位。本實施方式中，設置無線數據收發模塊的波特率為9600bit/s，奇偶校驗位為奇校驗，數據位為8位，停止位為1位。步驟4：企業端伺服器接收濾波後的模擬量數據和採集到的數字量數據，並存儲於資料庫。本實施方式中，在企業端伺服器選擇串口的埠號，設置企業端伺服器參數，使其與無線數據收發模塊的參數相同，讀取接收緩衝區的數據，企業端伺服器判斷接收到的每一幀數據字節數是否符合要求，若不符合要求，則重新讀取數據，否則將這一幀數據存進資料庫，完成數據的採集。企業端伺服器參數包括波特率、奇偶校驗、數據位、停止位；企業端伺服器參數設置必須與無線數據收發模塊參數設置相同。本實施方式中，選擇企業端伺服器串口的埠號為COM1，設置企業端伺服器的波特率為9600bit/s，奇偶校驗位為奇校驗，數據位為8位，停止位為1位，企業端伺服器判斷接收到的每一幀數據字節數是否是128位元組，若不是，則重新讀取數據，否則將這一幀數據存入本地MySQL資料庫，完成數據的採集。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp