粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統的製作方法

2023-06-03 22:22:46

粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，由現場監控單元以及粉末成型機製造方遠程維護中心組成。車間現場監控平臺通過與粉末成型機主控制器實時數據交互以及通過傳感器、視頻採集設備、音頻採集設備等數據採集設備採集車間現場數據獲得粉末成型機重要運行狀態，在顯示設備上顯示粉末成型機的實時運行狀態、報警提示等功能，同時單元可對粉末成型機的狀態參數進行數據壓縮和數據分類。單元通過乙太網接口、GPRS接口、簡訊發送模塊將數據發送給設備生產方遠程維護中心以及粉末成型機某部分設備負責人，實現粉末成型機在線監控以及遠程故障診斷和維護服務並通知相關人員。系統成本低、功能齊全、可配置性高、可裁剪性強，可根據粉末成型機現場運行情況擴展或減少功能模塊，具有較強的通用性。
【專利說明】粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於嵌入式監控、診斷與維護技術，特別是一種針對粉末成型機的嵌入式智能監控與遠程維護系統。
[0002]【背景技術】
目前針對粉末成型機的遠程檢測、故障診斷和信息維護，主要是在工業現場將粉末成型機故障信息和維護信息用觸控螢幕予以顯示，極少部分是將PLC的數據信號採集發送至工控機以實現監控功能，針對工業裝備的智能監控與遠程維護，主要是基於PLC作為底層數據信號採集與發送終端，工控機作為上位機實現監控功能，系統或功能單一或結構臃腫，不具備通用性。這種模式不能將粉末成型機運行過程中的視頻音頻信號採集，無法將制粉末成型機的不參與過程控制的傳感器信號作為診斷依據，監控手段單一，監控參數單一，通用性差，監控系統故障診斷分析能力差。
[0003]如申請號為CN200980154725.3的發明專利公開了一種能夠通過檢查安裝在遠程地點的監控設備的斷開和故障而有效監控遠程地點的遠程監控系統，遠程監控系統包括:安裝在遠程地點並監控遠程地點情況，並在發生緊急事件時生成報警信號的遠程監控單元；接收來自遠程監控單元的報警信號並將接收到的報警信號傳輸至用戶終端的信息管理伺服器；以及將遠程監控單元連接至信息管理單元的網絡。該方案通過無線網絡對監控地點的設備進行簡單監控，無法進行大批量數據存儲，控制手段簡單，不能實現複雜監控與診斷。
[0004]如申請號CN201020647931.8的發明專利公開了一種空壓機遠程監控系統，包括多臺空壓機，其特徵在於:還包括遠程監控終端，所述遠程監控終端上設有兩路數據接口，一路數據接口經數據線與所述空壓機相連接，以讀取空壓機運行數據或向空壓機發送控制命令，另一路數據接口經數據線與設於中控室的中控主機相連接，以上傳空壓機監控數據或接收中控主機發來的控制命令，所述遠程監控終端上設有觸控螢幕，以顯示空壓機監控數據並接收手動操作指令。該方案人機互動模塊單一，在應用場合上不夠廣泛，而且系統不能很好地進行實時數據處理。
[0005]

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於提供一種嵌入式智能監控與遠程維護系統，實現粉末成型機運行時工況監測與故障診斷維護功能。系統基於模塊化設計，具有可擴展性強，通用性強，功能齊全，集成度高，可滿足高速數據的實時性要求。
[0007]實現本發明的技術解決方案為:
一種粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，包括粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元、粉末成型機生產方遠程控制維護中心以及與粉末成型機部件負責人的聯繫網絡。粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元與粉末成型機生產方遠程控制維護中心以及與粉末成型機部件負責人的聯繫網絡連接；粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元包括嵌入式微處理器、數據採集模塊、人機互動模塊、數據存儲模塊、數據採集模塊，粉末成型機生產方遠程控制維護中心實現粉末成型機系統狀態監控、故障診斷、故障趨勢預測等功能，粉末成型機部件負責人的聯繫網絡通將粉末成型機各個部分負責人聯成一簡訊網絡；粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元通過數據採集模塊採集粉末成型機工作現場的數據，包括粉末成型機的溫度、位置、速度、加速度、壓力等信息，並將信息進行前期處理，再將信息分布通過GPRS網絡、乙太網口、簡訊網絡發送給粉末成型機生產方遠程控制維護中心以及粉末成型機相關部件負責人。
[0008]粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元中，嵌入式監控與維護單元中的微控制器為ARM9微控制器，ARM9微控制器採用Cortex-M3內核的S3C2410晶片；ARM9微控制器分別通過RS485與PLC數據採集模塊、視頻信息採集模塊、音頻信息採集模塊、ZigBee無線數據採集模塊通訊；ARM9處理器運行裁剪後的Linux作業系統以完成系統外圍接口的信息傳輸以及對粉末成型機現場運行數據進行信息壓縮處理。
[0009]粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元的ZigBee無線採集系統，粉末成型機中的迴轉部件或是密封部件不易於傳感器布線，採用無線ZigBee網絡，在ZigBee節點需監控的區域內，各節點自主形成監控網絡，每個傳感終端節點搜集相應監控信息。ZigBee無線數據採集模塊由ZigBee節點、ZigBee無線匯聚節點，組成星型網絡。ZigBee節點即ZigBee子節點以及與之相連的信號採集傳感器。監控信息經嵌入式處理單元處理後經GPRS發送至相應的監控終端。
[0010]粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元把粉末成型機運行信息通過GPRS骨幹網發送至Internet伺服器,粉末成型機生產方遠程控制維護中心通過訪問Internet伺服器將運行信息進行處理，提供粉末成型機故障診斷與故障預測數據。
[0011]本發明與現有技術相比，其顯著優點:(1)本系統在粉末成型機運行現場能夠進行實時、穩定、全方位的監控；(2)在粉末成型機監控領域，將現場監控與遠程監控相結合，監控更全面，獲取監控信息的渠道更多；(3)在粉末成型機監控領域，將ZigBee與傳感器相結合，避免了迴轉部件、密封部件上傳感器布線困難的問題；(4)系統使用CorteX-M3內核的微處理器，搭載Linux作業系統，低功耗、低成本、易於使用，基本滿足工業現場所有數據的實時處理需求；(5)在粉末成型機監控領域，構建了故障簡訊報警模塊，將設備生產方、設備使用方、設備維修方的責任人通過GSM簡訊網絡聯繫在一起，提高了粉末成型機故障恢復效率；(6)系統集成化程度高，採用模塊化設計的方法，系統可配置性高，通用性強；
(7)採用故障樹與神經網絡相結合的方法對粉末成型機進行故障診斷，診斷效率高，故障定位準確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的嵌入式智能監控與遠程維護系統總體構成示意圖。
[0013]圖2為本發明的嵌入式智能監控與維護單元硬體結構設計示意圖。
[0014]圖3為本發明的簡訊報警模塊示意圖。
[0015]圖4為本發明的ZigBee無線數據採集網絡示意圖。
[0016]圖5為本發明的嵌入式系統軟體設計總體框圖。
[0017]圖6為本發明的遠程監控維護單元的設計方案圖。[0018]圖7為本發明的系統故障診斷的程序示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0020]結合圖1，說明嵌入式智能監控與遠程維護系統總體構成:本發明基於B/S模式的網絡結構模型，主要由三部分組成，嵌入式監控與維護單元1、粉末成型機生產方遠程控制維護中心2以及與粉末成型機部件負責人的聯繫網絡3。其中，嵌入式監控與維護單元I通過數據採集模塊5採集PLC的狀態參數及軟元件信息、粉末成型機現場圖片信息、運行現場聲音信號，通過ZigBee收發模塊15採集曲軸應力、油箱溫度、主滑塊壓力、伺服模架壓力等信息，通過無線傳輸的方式，克服了旋轉部件、密封部件布置傳感器不便的劣勢。嵌入式監控與維護單元I將處理的數據通過GPRS無線傳輸發送給粉末成型機生產方遠程控制維護中心2，遠程控制維護中心2對粉末成型機故障進行分析，生成粉末成型機狀態維護報告，回傳給嵌入式監控與維護單元1，並將故障數據通過簡訊發送模塊發送至相應部件負責人，在第一時間進行故障恢復。
[0021]結合圖1，說明粉末成型機遠程控制維護中心2:粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元I把粉末成型機運行信息通過GPRS骨幹網發送至Internet伺服器，粉末成型機生產方遠程控制維護中心通過訪問Internet伺服器讀取粉末成型機實時運行數據，並將數據存入粉末成型機運行歷史資料庫；遠程控制維護中心2將運行信息與歷史資料庫中信息進行比對，採用故障樹和BP神經網絡相結合的方法對故障進行分類和診斷。
[0022]結合圖2，說明嵌入式智能監控與維護單元1:嵌入式智能監控與維護單元I包括微處理器4、數據收發模塊7、數據採集模塊5、人機互動模塊6和其他模塊30。嵌入式智能監控與維護單元I採集粉末成型機工作現場圖像、音頻數據、PLC數據(系統參數、開關狀態和內部數據)，獲得ZigBee收發模塊15發送來的傳感器檢測信息(曲軸應力、油箱溫度等)。嵌入式單元I對採集的數據進行數據分類和數據壓縮，根據PLC開關數據簡單判定機器運行狀態對其進行評估，並在顯示器上顯示粉末成型機實時運行狀態。
[0023]嵌入式智能監控與維護單元I需對粉末成型機現場信息進行採集處理，單元選用基於Cortex-M3內核的S3C2410晶片，S3C2410處理器是Samsung公司基於ARM公司的ARM920T處理器核，該晶片集成了大量功能單元，具有強大的系統管理功能，主頻高達266MHz，滿足粉末成型機現場的數據處理需求。通過對原始數據進行分析，對採集的數據採用緊湊編碼方式，減少了數據存儲空間，並對採集的狀態監測數據進行壓縮，加快數據傳輸速度，減少數據流量計費以及降低數據存儲空間。
[0024]數據收發模塊7包括GPRS無線傳輸模塊8、乙太網模塊17、簡訊報警模塊18，將嵌入式智能監控與維護單元採集處理的信息發送至遠程控制維護中心2和相關負責人聯繫網絡3。
[0025]數據採集模塊5中USB攝像頭、PLC通訊板、音頻採集晶片、ZigBee數據採集模塊分別採集粉末成型機現場圖片、PLC參數、音頻以及其他傳感器信息。
[0026]嵌入式單元I通過PLC通訊板RS485接口與粉末成型機主控制器通訊，讀取、更改主控制器狀態及數據塊信息，實現粉末成型機工業現場的監視與控制。嵌入式單元在布局上成為粉末成型機主控制器的冗餘設備，在主控制器故障時可對粉末成型機進行緊急操作，提高了粉末成型機控制系統的可靠性。同時，嵌入式單元提供了豐富的擴展接口，大大提高了控制系統的可擴展性。
[0027]人機互動模塊6包括矩陣鍵盤31、按鈕開關32、液晶顯示屏33和觸控屏34，滿足單元人機互動6的需求。S3C2410A中有內置的IXD控制器，它具有將顯示緩存(位於SDRAM存儲器)中的LCD圖像傳輸到外部的LCD驅動電路上的邏輯功能。觸控屏附著在顯示屏表面，配合顯示屏使用，嵌入式單元上採用電阻式觸控屏，觸控屏直接與S3C2410A外部電晶體控制器相連，由CPU中斷邏輯和ADC邏輯控制。
[0028]其他模塊30包括電源模塊35、JTAG調試模塊36、存儲模塊37等。
[0029]結合圖3，說明簡訊報警模塊18:嵌入式智能監控與維護單元I藉助於GSM網絡，使用簡訊報警模塊將設定的粉末成型機報警信息發送給相應的責任人，實現報警信息第一時間通知到位。責任人包括生產方負責人(機械、電氣、液壓)，使用方負責人、維修方負責人等。簡訊報警模塊包含多個通道(通道可擴充)，一個通道表示一種報警信息，一種報警信息對應與此報警信息相關的三方負責人。當此機械某部件報警，簡訊報警模塊自動通過GSM網絡將設置好的簡訊信息發送至相關責任人。
[0030]簡訊報警模塊18由AT89S52單片機模塊38、電源模塊39、GSM模塊40及高精度AD轉換模塊41組成。GSM模塊用芯訊通(SMCom)公司生產的SM900A，是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，採用SMT封裝，基於STE的單晶片案，採用ARM926EJ-S架構，性能強大，支持AT指令。GSM MODEM與單片機之間採用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分別為發送、接收端，與單片機的PA6、PA7連接。高精度AD轉換模塊採用CS5532高精度AD轉換晶片，其差動輸入方式簡化了與外圍電路的連接。AD轉換模塊接收來自嵌入式智能監控與維護單元I的報警電平信號，一個通道表示一種故障類別，單片機識別相信的報警信息，電平在0-0.5V是正常狀態，在0.5V-1.0V為可能故障，大於1.0V表示已故障，單片機通由GSM模塊發送至相應責任人。
[0031]結合圖4，說明ZigBee無線數據採集網絡:粉末成型機中的迴轉部件或是密封部件不易於傳感器布線，採用無線ZigBee網絡，在ZigBee節點需監控的區域內，各節點自主形成監控網絡,每個傳感終端節點搜集相應監控信息。ZigBee無線數據採集模塊由ZigBee無線匯聚節點、ZigBee節點，組成星型網絡。
[0032]ZigBee終端設備即ZigBee子節點與信號採集傳感器相連，採集需要監控的信息。ZigBee無線傳感器節點採用STM32微控制晶片STM32VET6與Chipcon公司的射頻收發晶片CC2420相組合的方案。無線射頻模塊以射頻模式接收和發送數據通過SPI接口與微控制器STM32交換數據，STM32工作在SPI主模式下，CC2420射頻模塊工作在從模式下，由處理器STM32進行有效地收發數據。ZigBee網無線匯聚節點即嵌入式智能監控與維護單元，嵌入式智能監控與維護單元通過CC2420接收來自ZigBee子節點的射頻信號。
[0033]結合圖5，說明系統軟體設計:嵌入式智能監控與維護單元I軟體包括引導加載程序、作業系統內核、設備驅動程序和應用程式。加載引導程序Bootloader是Linux系統的啟動boot程序,文件系統採用cramfs不可寫文件存儲系統和jffs2可讀寫系統,從而既可使系統文件得到可靠保護，又方便採集數據的存儲；作業系統通過驅動來駕馭外部設備，包括GPIO驅動、USB驅動、IIS驅動、IXD驅動、串口驅動和乙太網口驅動；PPP撥號腳本文件用於建立點對點連接，進行IP數據包的傳輸；應用層程序用於實現特定的軟體功能。本系統軟體實現對引導加載程序和作業系統內核的定製、裁剪，驅動程序和應用程式用C語言編寫，實現底層設備的通訊、人機互動、數據採集和粉末成型機簡單的報警評估。
[0034]實時作業系統採用目前應用最廣泛的免費作業系統Linux，基於Linux內核實現粉末成型機現場控制單元的任務的多線程處理，採用中斷的方式實現進程間的切換。在線程任務的劃分中，給任務線程排序，優先保證實時性要求高的任務優先執行。
[0035]結合圖6，說明遠程監控維護中心:遠程監控維護中心由系統狀態監控模塊、系統故障診斷模塊、工藝參數設定模塊三部分組成。系統狀態監控模塊用於顯示粉末成型機主控PLC狀態信息以及安裝在粉末成型機各個部位的溫度、壓力、位置以及加速度等傳感器信息；工藝參數設定模塊實現對不同粉末冶金品的不同工藝參數的錄入和修改。
[0036]結合圖7，說明系統故障診斷模塊:粉末成型機的控制系統龐大、複雜，一旦出現事故則可能會造成人員和財產的巨大損失，故障診斷模塊用於及時識別粉末成型機運行狀態，根據狀態監測得到的特徵參數變化情況，判斷設備是否正常，若發生故障，分析其故障狀態。系統故障診斷模塊將通過嵌入式智能監控單元採集到的粉末成型機實時運行數據與粉末成型機資料庫歷史運行信息進行比對，根據專家先驗知識，對於已分類過的故障採用故障樹法進行故障劃分，確定相應故障，對於未分類過的故障，系統故障診斷模塊基於神經網絡法方法與專家知識相結合的方法，對故障知識進行學習，學習完成後將新故障錄入故障庫。
【權利要求】
1.一種粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，其特徵在於:由粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元[I]、粉末成型機生產方遠程控制維護中心[2]以及與粉末成型機部件負責人的簡訊聯繫網絡[3]連接成星形網絡；粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元[1]包括嵌入式微處理器[4]、數據採集模塊[5]、人機互動模塊[6]和數據收發模塊[7]，各個模塊通過相應的接口分別與微處理器[4]相連，粉末成型機生產方遠程控制維護中心[2]實現粉末成型機系統狀態監控、系統故障診斷和工藝參數設定功能，粉末成型機部件負責人的簡訊聯繫網絡[3]將粉末成型機各個部分負責人連成一簡訊網絡，發送簡訊及時自動告知相應人員設備運行情況；粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元[I]通過數據採集模塊[5]採集粉末成型機工作現場的數據，包括粉末成型機的溫度、位置、速度、加速度、壓力信息，並將信息進行壓縮分類，再將信息分布通過GPRS網絡、簡訊發送給粉末成型機生產方遠程控制維護中心[2]以及粉末成型機相關部件負責人。
2.根據權利I所述的粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，其特徵在於:粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元[I]中，微處理器[4]為ARM9微控制器，運行裁剪後的Linux作業系統以完成系統外圍接口的信息傳輸以及對粉末成型機現場運行狀態信息按照模擬量、開關量進行分類，並對開關量數據採用BS_PLOT算法進行壓縮處理；數據採集模塊[5]包括USB圖像採集模塊[13]、音頻信號採集模塊[14]、ZigBee收發模塊[15]和PLC遠程通訊模塊[16]，分別採集粉末成型機工作現場圖像、音頻、曲軸應力、主控制器PLC狀態信息；數據收發模塊[7]包括GPRS無線傳輸模塊[8]、乙太網模塊[17]和簡訊報警模塊[18]，微處理器[4]通過數據收發模塊完成與遠程控制維護中心[2]、部件負責人簡訊聯繫網絡[3]的通信；人機互動模塊[6]包括矩陣鍵盤、按鈕開關、液晶顯示屏和觸控螢幕，實現人機互動功能。
3.根據權利I所述的粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，其特徵在於:粉末成型機生產方遠程控制維護中心[2]由伺服器[19]、資料庫[20]、遠程客戶端[21]、印表機[22]、防火牆[23]和路由[24]組成，防火牆[23]、路由[24]將遠程控制維護中心[2]接入網際網路，伺服器[19]將遠程控制維護中心[2]所有硬體設備連在一起，調用資料庫[20]專家先驗知識，完成系統故障診斷和工藝參數設定功能，印表機[22]用於列印故障數據或工藝參數，遠程客戶端[21]調用資料庫[20]數據，實時顯示粉末成型機狀態信息，實現系統狀態監控；其中系統故障診斷即用故障樹法和神經網絡法相結合的方式對粉末成型機進行故障診斷；工藝參數設定即設置粉末成型機工藝數據。
4.根據權利I或2所述的粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，其特徵在於:所述數據採集模塊[5]中，ZigBee收發模塊[15]由ZigBee無線匯聚節點[28]、ZigBee節點[29]組成星型網絡，ZigBee無線匯聚節點[28]接收ZigBee節點[29]採集的粉末成型機曲軸、密封部位的傳感器狀態，並通過ZigBee無線匯聚節點[28]將採集的狀態數據發送給微處理器[4]處理。
5.根據權利I或2所述的粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，其特徵在於:所述簡訊報警模塊[18]，接收來自於粉末成型機現場嵌入式監控與維護單元[I]的報警信息，並將報警信息生成報警簡訊；簡訊報警模塊[18]包含多個通道，一個通道表示一種報警信息，當此機械某部件報警，簡訊報警模塊[18]自動生成故障報警簡訊。
6.根據權利I或3所述的粉末成型機嵌入式智能監控與遠程維護系統，其特徵在於:粉末成型機生產方遠程維護中心[2]中系統故障診斷功能分為兩個工作模式，為故障判斷模式和故障學習模式；在故障判斷模式下，對嵌入式監控與維護單元[I]採集並處理的粉末成型機實時運行狀態採用故障樹法進行故障識別和定位；在故障學習模式下，對嵌入式監控與維護 單元[I]發送的故障狀態進行神經網絡學習，學習完成後增添相應故障數據。
【文檔編號】G05B19/418GK103777609SQ201410034287
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】陸寶春, 衛俊俊, 潘學仁, 欒長平, 婁剛, 鄭伶俊, 鈐亞麗 申請人:南京理工大學, 揚州市海力精密機械製造有限公司