专利名称：工业生产线嵌入式主控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工业生产线嵌入式主控系统；具体涉及一种用于工业现场监测与控制领 域的各种电流、电压等参数，温度、湿度、烟感、压力、图象、声音等环境参数，各种固体、 液体、气体，以及生产过程的各种生产工艺参数的1)实时监测采样2)利用相关生产工艺计 算公式对采样数据进行实时分析与计算3)将计算结果实时反馈，完成对生产过程的排错与 调优的实时控制。
背景技术：
工业生产线过程控制是工业生产的重要组成部分，传统的一些工业生产线还存在半自动 化的情况，这些生产线控制系统存在生产过程控制设备分离，无法统一集成管理，也无法实 现生产线综合参数实时在线检测与反馈控制的功能，生产效率也有待提高，尤其国内自主研 发的无数据采集系统的生产线存在着不能在线检测和修正错误的缺点，产品必须等到生产完 成后再通过检测设备检测才能确定产品合格以否。对于大部分带有数据采集系统的生产线也 存在着只能在线检测不能在线控制修正错误的缺点，目前一般的数据采集系统应用于工业现 场时存在着只能采集但不能控制的弱点，存在着只能发现错误而不能自动解决错误依赖于人 工解决的问题，而且这些数据采集系统数据采集速率不高，达不到工业级要求，无法适应工 业现场高速数据采集与控制的要求。大部分生产线控制都基本实现以下位机和上位机结合的 控制系统，这种以工控机为核心的上位机下位机控制模式存在着许多需要改进的地方，并且 许多传统的生产线无法实现远程网络化的控制。同时大多都是控制系统与管理信息系统分离， 并且对于现今发达的WEB技术，这些系统在采集与控制方面无法应用这些技术，而且控制系 统内部微处理器采用一般程序机制，运行效率不高。发明内容本发明是针对上述一般的数据采集系统中存在着只能采集但不能控制，数据采集速率不 高，达不到工业级要求，无法适应工业现场要求的现状，设计开发的一种智能化、网络化、 高精度的生产线控制系统，该控制系统通过内部的高速采集模块和反馈耦合环节，可以实现 对现场的监测、处理分析和反馈控制调节于一体。通过该控制系统的工业级性能特性优势， 可以使该控制系统满足于其他监测实时数据采集领域，同时结合该控制系统的实时处理分析、 反饿控制、调节校正的优势，可以极大弥补其他领域数据采集系统只能采集无法实现控制的 缺陷，并增加其他监控领域的智能化水平。
该控制系统通过嵌入式数据服务器控制整个系统工作，服务器内部核心主控板的高性能 处理器通过内部总线连接、Flash存储模块、内存、电子硬盘、系统故障自恢复模块、高速采 集通讯模块、以太网接口、射频模块、工业总线模块，通过工业总线模块挂接生产线工艺耦 合硬件模块，生产线工艺耦合硬件模块分别连接生产线中的智能传感器、仪表和高精度执行 器，从而实现生产线中的多接点数据的实时同步响应、处理分析，并且通过主控板中内嵌实 时操作系统软件下的耦合算法控制软件实现在线检测生产工艺和控制生产线中的执行器设 备，从而提高生产线关键工艺参数。本发明的技术解决方案系统由嵌入式数据服务器、板载耦合算法控制软件、生产线工 艺耦合硬件模块、信号隔离器、工业总线模块、智能传感器单元、触摸屏、高精度执行器组 成。在嵌入式数据服务器内，核心的嵌入式主控板内嵌实时操作系统和板载耦合算法控制软 件，通过主控板内部总线连接高速采集通讯模块，高速采集通讯模块内部采集通道通过生产 线工艺耦合硬件模块连接现场设备状态单元，主控板工业总线模块通过生产线工艺耦合硬件 模块连接智能传感器、仪表和执行器设备。嵌入式数据服务器以嵌入式主控板为核心，主控板内部32位处理器通过内部32位高速 总线挂接系统故障自恢复模块、电子硬盘、以太网口、射频模块、高速采集通讯模块等，并 且各电路和接口都通过内部实时嵌入式操作系统进程管理，可实现各接口模块高效运行。主 控板通过内部总线连接的高速采集通讯模块实时动态采集生产线设备状态和故障信息，通过 电子硬盘存储重要现场数据和故障恢复历史记录，通过以太网口连接上层系统和Internet,实 现远程登陆到系统实现实时生产线过程实时监控和管理，系统故障自恢复模块可实现系统电源的滤波、恒压恒流、电源抗抖动和系统复位等功能。高速采集通讯模块RS232、RS485和USB2.0接口 ，接口釆用操作系统中断响应釆集管理， 采集频率最高在108kHZ。射频模块釆用FSK调制方式，载频频率433MHZ,接收电流《OmA，发射电流〈500mA。 模块工作具有低功耗。系统故障自恢复模块以MAX706结合控制器为核心，采用系统故障定时自检设计，同时关 联生产线设备的状态异常，可实现现场重大错误、产品工艺参数偏差过度和系统异常时实现 现场系统应急处理和复位。 本发明针具有的创新性1、对于工业生产现场领域存在着高速数据采集、高速数据计算处理、计算结果高速反馈 控制的工业级要求， 一般的数据釆集系统存在着只能采集但不能控制的弱点(例如i)中国专利，申请专利号:03133458. X申请日2003. 06. 17名称:智能高速实时数据采样 装置/W申请专利号98248745. 2申请日1998.11. 27名称:一种通用的数据采集装置)， 所以这些数据采集系统并不适用工业生产现场领域，而且这些数据采集系统采集数据 的指标也达不到工业级的要求，例如W智能高速实时数据采样装置最大采样速率为 600次/秒，而本发明最大采样速率达到100KHz (100000次/秒)以上。本发明不但可 以对生产现场各种信息进行采集，而且可以根据相关生产工艺分析采集结果，对误差 进行校正，将校正结果反馈给生产线进行控制校正。如果生产线出现严重故障(例如 生产线某部件烧毁)，则将正在运行的生产线自动的停止同时报警，以避免更多的故障 与损失，同时将出错部位及相关参数显示出来便于人工检修。
2、 本发明可以实现工业现场生产过程的实时在线的信息采集校正与控制。国内自主研发 的不带数据采集系统的生产线存在着不能在线检测和修正错误的缺点，产品必须等到 生产完成后再通过检测设备检测才能确定产品合格以否。由于目前一般的数据采集系 统应用于工业现场时存在着只能采集但不能控制的弱点，所以对于大部分带有数据采 集系统的生产线存在着只能在线检测不能在线控制修正错误的缺点。本发明通过对生 产线的每一道工艺进行实时采样，通过板载的多层模糊结构算法对采集的不同技术参 数进行相关工艺计算公式的计算，发现误差超标，立即实时反馈控制生产线进行修正， 实现在生产过程中实时检测在线修正错误，从而可以避免产品的不合格浪费，提高了生产工艺和产品质量，节约生产和劳动力成本。
3、 本发明具有向其他现场领域(例如环境现场监控、道路现场监控、森林防火监控等领 域)应用与扩展的优势，这些现场领域一般不如工业现场领域对信息采集与控制、实 时响应反馈速度等要求级别高，本发明具有良好的扩展性，系统中的总线和模块接口 都是按照通用模块接口平台设计，对接相应的外围设备就可以满足这些现场领域的检 测与控制，有广阔的升级拓展空间。
4、 本发明中的嵌入式主控单板以32位高性能嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统为核 心，主控板内部集成了通用工业级总线和内部通用高速区域总线，具有很强的兼容性。 主板采用抗干扰区域总线设计，可实现板上模块和处理器的高速稳定通讯，同时各模 块采用嵌入式操作系统机制管理，可实现模块接口的高效实时运行。并且板上集成以 太网模块，支持所有网络TCP/IP协议，可实现用户远程登陆到该主控板实现实时动 态监控管理。
5、 采用信号耦合单元和生产线工艺耦合硬件模块，可实现采集信号的快速转换和放大， 同时通过信号耦合单元中的滤波单元快速除去现场复杂信号的噪声，生产工艺耦合硬 件模块可实现主控板控制反馈信息和执行设备的驱动装置的快速耦合加载，从而縮短 控制器响应时间和效率。6、 通过网络接口和主控板内的TCP/IP协议，可实现主控板成为网络接点，不但可以使主 控板采集的信息通过以太网采集到上层系统和远程服务器，而且可以通过以太网把监 控实现环节移至主控板上，通过远程网络登陆直接使远程用户登陆到主控板，实时的 监控主控板上各模块的运行情况和信息。7、 专业工业总线模块通过内部总线连接到处理器，可以提高工业总线的响应效率和稳定 性。专业工业总线模块中的LonWorks工业总线拥有诸多优点，集中体现在i)系统 具有开放性和互操作性:LonWorks网络由智能节点通过LonTalk协议互联，组成"Peer toPeer"对等网络，开发人员只需将主要精力花在系统应用设计方面，而不需要专门去 实现和测试传输线路和通讯系统。ii)分布式无中心控制:网络节点靠近现场传感器和执 行机构，每个节点都能完成控制和通讯功能，部分节点故障不会造成系统瘫痪，监控 站可随意安装在网络的任何位置，并且位置也可以随时变换，监控站之间功能完全对 等，也可以定义成不同级别。这些特点对系统的调试、维护和稳定性都有着重要的意 义。iii)系统组态灵活、开发周期短、应用媒体范围广泛:采用不同类型的收发器，系统 可利用双绞线、光缆、同轴电缆、电力线、无线、红外线等多种媒体进行信号传输； 根据传输距离的远近、传输速度和现场设备等具体要求组成自由拓扑结构或总线型等 结构，这些都给系统设计和维护升级改造带来极大的方便。
图1本发明的工业生产线嵌入式主控系统的硬件结构图 图2本发明的系统内部板载系统控制软件工作流程图 图3本发明的主控板Flash和内存电路连接图 图4本发明的电子硬盘、CAN总线电路连接图 图5本发明的LonWorks模块电路连接图具体实施方式
如图1高性能数据服务器是一种拥有专业应用扩展总线和接口，同时集成通用接口平台 的中控系统。系统内部采用以高性能的32位嵌入式处理器和多进程并行处理的嵌入式实时操 作系统为核心中央处理单元。主控板上集成非易失Flash存储器和高速内存单元，如图3， 小容量Flash存储器存储系统的启动配置信息，大容量的Flash存储器存储系统关联的实时
操作系统，同时操作系统下集成耦合算法控制系统软件实现各板载模块，实现在实时操作系 统下的优化进程管理和控制，并且通过软件内部的多层模糊结构算法，针对不同的生产线工 艺，实现通过在线采集的实时数据进行综合工艺算法处理。工业总线模块通过内部区域高速总线，集成了通用工业控制总线系统和专业应用工业控 制总线系统。如图4、图5专业工业总线模块通过内部总线连接到处理器，可以提高工业总线的响应 效率和稳定性。其中LonWorks工业总线拥有系统具有开放性和互操作性、分布式无中心控 制、系统组态灵活、开发周期短、应用媒体范围广泛等优点。1) 针对专业应用工业控制，系统根据不同的工业总线接口和协议规范，设计了相应专业 工业总线接口模块，通过内部总线直接连接处理器单元和专业工业总线模块，专业工业总线 并行接入生产线工艺耦合硬件模块，以此来连接智能传感器、仪表和执行器设备，实现实时 设备状态参数的采集和分布式耦合控制。生产线工艺耦合硬件模块内部包括滤波电路、光耦 电路、PID调节耦合单元、A/D转换电路、信号放大转换电路、差分抗干扰电路、高速信号连 接器，光耦电路采用H11D1和H11L1组成的回环隔离，并且采用差分滤噪电路设计，可以保 护电路中的精密器件和高效耦合传输信号。PID调节耦合单元，采用自适应调节，将非线形 控制引入控制器，并且采用超前分析控制方式，A/D转换电路采用以MSC1211A/D和D/A转换 器结合微控制器为核心的转换控制电路，内部包括仪表放大器、可编程增益放大器、多路转 换开关、数字滤波、信号校准电路，可以提供自带高精度标准电压，精度为0. 2%，漂移为5ppm/ ° C，可以节省空间以及器件成本，也可输出该电压标准或外接电压标准。从而可以对外部传 感器输出的0 300mV微信号进行采集，同时控制器软件实现零点误差的消除、参考电压的修 正、通道增益、零点漂移校正和非线性补偿。高速信号连接器采用ERmet2型，针数2-308， IEC 61076-4-101标准，数据传输率1 GBit/s。通过工业总线直接于挂接内部总线，避免了与通用总线信号的转换环节和延迟，该专业 总线釆集通讯速度最高可达1. 2M/s。2) 针对通用工业总线标准，系统通过内部区域总线集成了PC/104总线单元。通过该总线 的通用性扩展接入现场图象采集卡、工业分析仪等标准现场扩展设备，提高了主控系统的工 业应用扩展性。高速采集通讯模块通过主控板内部区域总线和处理器连接，模块采用多通到RS232、 RS485、 USB2.0串行总线，并且各总线通道采用异常响应关联结构，通过各串行总线模块硬 件响应异常和实时操作系统响应异常的关联，实现通道实时数据的操作系统级响应处理。 RS232、 RS485采集波特率在57600bPs/s ， USB通讯速率最高可达1. 25M/s。如图4，电子硬盘单元采用标准DOS文件系统，主要存储现场的实时变化数据和生产线 设备故障记录。系统故障自恢复模块以MAX706结合控制器为核心，采用系统故障定时自检设计，同时关 联生产线设备的状态异常，可实现现场重大错误、产品工艺参数偏差过度和系统异常时实现 现场系统应急处理和复位。射频模块通过内部总线直接连接处理器，和实现高速稳定通讯，模块采用FSK调制方式， 载频频率433MHZ，接收模块设有天线，可增加无线采集距离。以太网接口通过操作系统拥有完整TCP/IP协议，拥有完整网络服务，可实现远程登陆到 该主控系统实现各模块接口的实时在线监控，并且可实现现场工业参数数据和追忆数据的实 时记录。并且针对现场的复杂环境，以太网接口端采用了防电压瞬变、防高压和强静电保护 设计，可以将系统以太网接口直接接入现场环境。图2为发明中板载控制软件的工作流程图，执行过程为启动控制程序，设定生产工艺 参数，通过中断和轮循两种方式实时采集通道中的智能传感器数据，通过采集数据校对和误 差处理，然后将偏差值和校正处理发送给执行器单元，实现生产参数校正，同时在同步采集 传感器值以定反馈截止量。并且将实时数据制成报表和生成曲线分析，并且同步扫描各设备 运行情况，记录成报表。以上数据同时上送记录在电子硬盘和上层服务器数据库。本发明可以作为一种通用接口平台对接相应的外围设备应用于几乎所有的工业生产自动 化领域。目前该发明主要应用于电缆生产行业目前国内自主研发的绝大部分电缆生产线主要分 为三类1)生产过程中电缆线直径、温度、发泡速度、拉线电机转速等电缆生产关键工艺上 还停留在依靠工人的人为经验来判断，不光人员成本高，经常性因电缆不合格而造成浪费， 这些生产线的电缆线一般停留在非标准电缆线生产上。2)半自动电缆生产线，虽然有红外测 径仪控制电缆线直径、温度、发泡速度、拉线电机转速等电缆生产，但是还是需要人工管理。 因为电缆线直径、温度、发泡等方面某一点出现问题那电缆线就不合格，所以生产机器一旦 某一个环节出现问题(生产机器整个出现问题情况不常有，但局部小问题却是经常出现)这 种半自动生产线并不会停下来或报警，只有等人为的发现，所以电缆线不合格导致的浪费就 不可避免。象这样人为控制无法达到技术参数调节的准确度和精度，对于现场数据的变化也 无法及时反映，更无法及时实现标准的反馈调节，造成不必要的浪费。3)拥有数据采集系统 的电缆生产线，但是这些生产线上的信息采集系统存在着只能采集但不能控制的弱点，对生 产线各种信息进行采集以后，对误差不能进行校正，只能进行人为对生产线进行控制校正， 往往因为人为的反映不及时而造成更多的故障与损失。同时上面3类电缆生产线还存在着电 缆电气特性必须等到电缆生产完成后再通过检测设备检测才能确定电缆的电气性能合格以 否，不能在线检测和修正错误的缺点。针对上面3类电缆生产线，本发明优点主要有在生 产过程中将电缆线直径、温度、发泡速度、拉线电机转速等电缆生产关键工艺的控制设备变 人工质量控制为自动质量控制。生产某一个环节出现问题生产线会停下来和报警并显示出错 部位，能调节和反映现场的数据等方面的改进，实现无人职守的自动生产线。通过对电缆生 产的每一道工艺进行实时采样，通过板载的多层模糊结构算法对采集的不同技术参数进行快 速傅立叶变换的频谱分析等关键计算，发现误差超标，立即实时反馈控制生产线进行修正(响 应延迟时间在1微秒以内)，实现在生产过程中实时检测每单位长度的电缆的生产工艺电器性 能值和在线修正错误，从而可以避免产品的不合格浪费，提高了生产工艺和产品质量，节约 生产和劳动力成本。同时该发明在多个应用领域应用节能灯生产行业、塑料生产行业、水污染监测行业、 电力生产行业、机械加工行业。
权利要求
1、 一种工业生产线嵌入式主控系统，包括嵌入式数据服务器(其中嵌入式数据服务器以 嵌入式主控板为核心，主控板上包括32位高性能处理器、Flash存储模块、内存、 电子硬盘、系统故障自恢复模块、高速采集通讯模块、以太网接口、射频模块、工业 总线模块)、板载耦合算法控制软件、生产线工艺耦合硬件模块、工业总线模块、PC/104 总线接口、智能传感器单元、仪表、高精度执行器设备等部分。其特征在于嵌入式 数据服务器控制整个系统的运行，嵌入式数据服务器核心主控板上的Flash存储模块、 内存模块、电子硬盘、高速采集通讯模块、系统故障自恢复模块、以太网接口、工业 总线模块通过内部总线连接处理器，主控板通过内部总线直接连接触摸屏，耦合算法 控制软件装载在板载实时嵌入式操作系统中、工业总线模块并行通过生产线工艺耦合 硬件模块连接智能传感器、仪表和高精度执行器设备，高速采集通讯模块通过生产线 工艺耦合硬件模块连接现场设备状态单元，以太网接口直接接入上层服务器和Internet 中。
2、 根据权利要求1所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于嵌入式主控板通过板 载Flash中启动程序装载实时嵌入式操作系统和耦合算法控制软件，通过耦合算法控 制软件控制板上各模块。
3、 根据权利要求1 、 2所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于所述的板载耦合算 法控制软件包括各接口模块的控制程序和数据分析处理，同时包括生产线工艺多层模 糊结构算法程序。
4、 根据权利要求1所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于所述的生产线工艺耦 合硬件模块由滤波电路、光耦电路、PID调节耦合单元、A/D转换电路、信号放大转 换电路、差分抗干扰电路、高速连接器组成。
5、 根据权利要求1 、 4所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于所述的生产线工艺耦合硬件模块是可编程的信号转换器，转换延迟时间<=0.1113,同时生产线工艺耦合硬件模块实时上送现场设备状态参数和故障信息。
6、 根据权利要求1所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于所述的触摸屏通过耦 合算法控制软件实时在现生产过程状态和设备参数，并且在系统故障时记录显示故障 位置，便于设备维修。
7、 根据权利要求1所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于，高速采集通讯模块 通过生产线工艺耦合硬件模块连接现场设备状态单元，实时采集现场设备状态参数和 故障信息，高速采集通讯模块通道采用通用串行总线，通讯速率极值在1.25Mbps/s。
处理器通过工业总线模块连接生产线工艺耦合硬件模块采集实时运行数据并且通过主 控板内部的耦合算法软件分析处理控制信息，然后将反馈控制信息通过总线和生产线 工艺耦合硬件模块送入执行器单元。
8、 根据权利要求1所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于所述的射频模块采用FSK调制方式，载频频率433MHZ,接收电流《0mA,发射电流〈500mA。模块工作 具有低功耗。
9、 根据权利要求1 、 3所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于所述的利用相似性 的多层模糊结构算法实现采集的生产工艺参数通过系统内部的各种相关工艺分析公式 计算得出产品性能指标值。
10、 根据权利要求l、 7所述的工业生产线嵌入式主控系统，其特征在于，系统通过中断机 制实时响应采集现场设备生产工艺参数、设备状态参数和故障信息，然后通过耦合算 法控制软件实现数据的分析处理和在线生产工艺参数校正，将反馈控制信息通过生产 线工艺耦合硬件模块整形、转换和PID调节送入执行器，通过执行器的驱动器调节生 产线设备运行，实现生产工艺参数的在线实时排错与调优。
全文摘要
本发明涉及一种工业生产线嵌入式主控系统，由嵌入式数据服务器控制整个系统工作，其核心主控板上处理器通过内部总线连接Flash存储模块、高速内存单元、电子硬盘、触摸屏、系统故障自恢复模块、高速采集通讯模块、以太网接口、射频模块、工业总线模块，工业总线模块并行接入生产线工艺耦合硬件模块再连接执行器设备、传感器、仪表，高速采集通讯模块通过生产线工艺耦合硬件模块连接现场设备状态单元，以太网接口连接上层服务器和Internet，系统以嵌入式数据服务器为核心，具有高精度、抗干扰、网络化、实时性强等特点，可提高对工业现场数据响应效率，提高产品质量和工艺指标。系统的通用接口平台使其具有多种行业应用的扩展性。
文档编号G05B19/418GK101122793SQ200610052850
公开日2008年2月13日 申请日期2006年8月9日 优先权日2006年8月9日
发明者姜小丽, 凯 曾, 斌 曾, 王宇熙 申请人:临安微创网格信息工程有限公司