一种起重机监控数据采集设备的制作方法

本专利属于自动化控制技术领域，涉及一种起重机监控数据采集设备。

背景技术：

国务院于2010年7月出台《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》(国发〔2010〕23号)。其中第九条要求“大型起重机械要安装安全监控管理系统”对起重器械的安全监管提出了明确要求。2011年3月，为贯彻落实《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》要求，提高大型起重机械本质安全，预防和减少起重机械重特大事故发生，2011年3月25日，国家质检总局和国家安全监管总局联合印发《关于印发(大型起重机械安装安全监控管理系统实施方案)的通知》(国质检特联〔2011〕137号)，对布署和开展大型起重机械安装安全监控管理系统，进行了安排，明确了指导思想、工作目标、试点范围，提出了强制要求，2013年，逐步在所有新制造的大型起重机械全部安装安全监控管理系统，从2014年开始，在所有在用的大型起重机械上全部安装安全监控管理系统，2015年底，尚未安装安全监控管理系统的大型起重机械，将不予使用。起重机监控系统其实在港机或造船门机上早就有了广泛的应用，但主要还是基于各大PLC厂商提供的HMI软件实现，但在通用起重机，普通桥式起重机上应用还是很少，即使钢厂的大型冶金起重机的应用也是较少。主要原因还是复杂程度叫港机和造船门机低，需求不是很强烈。但随着国家的标准的出台，在通用起重机、普通桥式起重机上、冶金起重机上也开始推广起重机监控系统的应用。

国内也有不少厂商开始了起重机监控系统的研发工作，并有不少产品已经出台了，并在小范围开始推广和使用。但是，这些厂商开发的软件基本还是基于各大PLC厂商提供的OPC服务接口来使用。即使用纯软件手段来实现起重机监控系统与PLC之间的数据通讯。而在《GBT 28264-2012起重机械安全监控管理系统》中6.8.5条中明确指出“在运行周期内系统的采样周期不应大于100ms”，由于PC操作系统的本身的特性原因，这种方式存在较大的滞后和存在周期不稳定的情况，所以在以纯软件手段下是无法保证长时间稳定可靠的以100ms为周期进行数据采集的。同时由于PC本身的不稳定和不确定的因素可能会出现数据阻塞、卡顿、宕机，甚至出现系统崩溃的情况，这时就无法保证监控数据的连续性了。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本专利提供一种有效地解决方案，实现起重机监控数据采集设备，用于起重机监控系统数据采集。本专利采用嵌入式控制系统，为独立设备，提供可目前市场上应用最为广泛的Profibus接口，可以与多种厂家的PLC进行通讯连接。具有高速数据采集功能，实现国家标准100ms每周期的数据采集。具有高速缓存功能可能缓存10分钟原始数据，保证在网络不稳定，上位机监控软件出现阻塞、重启的情况下原始数据不丢失。并且本身具有SD卡作为外置存储器，可以保存不少于1周的原始数据。即使应为在无人监管的情况下，上位机出现宕机、崩溃的情况下也可以保证原始数据的连续性。这些措施在上位机得到恢复之后，可以由上位机进行再同步操作之后使监控系统的数据保持连续性，不丢失数据。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

在目前市场上主要的起重机监控系统中还是基于纯软件方式实现起重机数据的采集。其中80％的起重机监控系统是以PLC厂商提供的HMI软件开发的。15％是以通用HMI软件进行开发，另外5％是采用国内厂商新近开发的起重机监控系统软件。不过还没有1例采用软件结合的方式开发起重机监控系统。这就导致因为PC系统的本身特性，而无法稳定可靠，长时间进行PLC数据的采集。即使采用了西门子的CP5612的数据通讯卡，无法满足国家标准规定的不大于100ms每周期的采样要求，因为西门子的上位机软件只能组态最小250ms的采样周期，并且在组态过多的循环采集变量时，系统的整体采样周期将大幅度增加。

因为PC机的固有特性，其不适合做高速数据采集的工作。因为一个PC操作系统安装完成之后，即使不运行任何软件，其后台也有近百个进程在运行，加上后台的服务程序，足有近两百个程序是必须运行的。即使采用工业专用计算机，也无法避免该情况。当安装完应用软件之后，尤其是大型HMI组态软件、PLC编程软件之后，系统整体进程在高峰值会达到近三百个，因为PC系统是采用时间片方式运行的，即CPU是平均分配每个进程的运行时间的，即使采用多核多线程的CPU，也是不能控制某个进程进行高速高优先级的运行。并且因为成本和数据容量的原因，只能采用大容量的机械硬盘作为存储设备，而机械硬盘对震动非常敏感，而起重机在运行过程中震动又非常强烈，机械硬盘设计之初为了保证数据的可靠性，做了诸多防震措施，而这些防震措施都是以牺牲速度为代价的，这就导致，在起重机运行过程中，硬盘可能会出现卡顿的情况，而硬盘的卡顿将直接导致PC系统的响应迟缓，这就导致起重机监控系统软件的数据采集周期被延长，变得不确定，甚至出现采集周期丢失的情况，所以起重机监控系统是无法在PC操作系统上实现高速、稳定、可靠的数据采集的。

本专利的基于嵌入式系统的纯硬件的采集设备，解决了上述问题。

一种起重机监控数据采集设备，包括CPU、RS-232接口、USB接口、RS-485接口、RJ45接口、SD卡模块、EEPROM模块、RAM模块、SPC3模块、PHY模块；RS-232接口、USB接口、SD卡模块、EEPROM模块、RAM模块、SPC3模块、PHY模块均与CPU相连；RS-485接口与SPC3模块相连；RJ45接口与PHY模块相连。

RS232接口作为外部配置接口使用，连接PC机通过超级终端可以进行参数配置，同时作为通讯接口与某些PLC进行数据通讯。

USB接口作为连接PC机的端口，将SD卡映射为U盘，通过电脑将SD卡内的

数据导出进行备份；SD卡模块作为后备存储器，保存一周左右的PLC监控数据。

EEPROM模块用来作为配置参数保存的存储器。

存储器扩展总线连接到外扩RAM和SPC3模块；RAM模块作为高速数据缓存

存储器；这两个模块CPU将通过存储器总线进行访问；IIC总线连接到EEPROM模块，CPU通过IIC总线访问EEPROM模块；SDIO总线连接到SD卡，CPU通过SDIO总线访问SD卡；RMII接口连接到PHY模块，CPU将通过RMII监控进行以太网通讯。SPC3模块配合RS-485接口实现Profibus通讯，与所有支持Profibus主站模式的PLC进行数据交换；SPC3芯片是用于Profibus的智能子站接口芯片，自动识别9.6Kbps～12Mbps范围内的波特率，工作温度：-40～85℃，通过8位数据总线与CPU进行数据交换；利用CPU的存储器扩展总线与该模块进行通讯配合RS-485接口实现Profibus通讯。

PHY模块和RJ45接口构成以太网通讯网络，与支持以太网通讯的PLC进行数

据交换，同时也作为与上位机进行数据交换的手段。

该CPU内部具有存储器扩展总线、IIC总线、SDIO总线、USB总线、RMII接口，内置RTC时钟；外置高速时钟进入CPU的高速时钟接口，为CPU提供工作时钟源；低速时钟进入RTC回路，作为RTC工作的时钟源。

其中，CPU采用嵌入式高速CPU，用来完成数据采集的统调工作，采用Profibus和以太网外设接口实现与PLC的数据通讯。目前市场上PLC的数据总线主要有两大类，Profibus工业现场总线和以太网工业现场总线。这两种总线占有市场70％以上的份额。采用这两种接口可以实现与市场上绝大部分PLC之间的数据通讯。并且本专利还扩展了RS-232接口，在特殊情况下可以通过该接口实现与某些PLC的数据通讯。为了保证数据采集的连续性，外扩大容量RAM存储器，用于缓存PLC的原始数据。以目前起重机主要的监控数据最大容量为基准，进行RAM容量选择，可以至少保证10分钟的数据缓存。这些的配置能够保证PC监控系统出现短时间阻塞、卡顿、甚至重启时，都能保证数据的连续性。为了避免更为极端的情况出现，即PC监控系统出现系统崩溃，需要重新安装系统及监控软件时，也能保证数据的连续性，本专利还扩展了外置大容量SD卡，可以保证至少1周的PLC原始数据的连续存储。无论PC监控系统出现什么意外状况，都能保证数据的连续性。

由于采用纯硬件设备直接与PLC进行通讯的方式实现数据采集，CPU只需要完成数据采集、缓存、转存、上位机通讯的工作，没有不相干的任务占用CPU，并且嵌入式系统还可以设定任务的优先级，具有抢占式运行模式，可以保证数据采集的进程具有最高优先级，不会因为CPU要完成其他任务而被打断或延迟，从而保证100ms每周期的数据采样工作可以稳定可靠的进行。

由于本专利设备全部采用固态硬件实现，没有机械运转设备，所以在抗震性能上有这优异的表现，不会因为起重机的震动导致数据采集中断、延迟等的问题发生。

为了保证本专利设备的通用性，该设备设置了多种运行参数，可以通过RS-232接口进行设置，从而满足不同场合的下的运行需求，为了保证设定的参数可靠存储，并且掉电不丢失，其扩展了EEPROM存储器，用于保存设置参数。

本专利实现了起重机监控系统的数据高速稳定的采集，实现了国家标准要求的100ms每周期的数据采样要求，并且因为扩展了缓存数据区和外接SD存储卡是的监控数据可以连续进行存储，不会因为PC系统的的原因而中断。从而保证起重机监控系统在环境适应性、可靠性、稳定性方面都有了大幅度的提高，因此有效解决目前市场上的监控系统无法满足100ms每周期的采样要求和无法长时间稳定可靠的进行数据采集的这一难题。

附图说明

图1是本专利电气系统图。

图2是本专利CPU结构图。

图3是本专利SPC3模块结构图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本专利的具体实施例。

实施例：

图1是本专利的电气系统图，采用意大利意法半导体工业级嵌入式CPU，型号为STM32F407，该CPU具有168MHz主频，内置1MB的程序存储器和192kB的RAM，具有最高210MIPS的运算速度，即每秒可以执行210兆条指令，具有稳定性高，工作温度范围高的优点。如图1本专利采用该CPU作为核心处理器，外扩了RS232接口、USB接口、RS-485接口、RJ45接口、SD卡模块、EEPROM模块、RAM模块、SPC3模块、PHY模块。RS232接口作为外部配置接口使用，连接PC机通过超级终端可以对本设备进行参数配置。同时在某些场合还可以作为通讯接口与某些PLC进行数据通讯。USB接口作为连接PC机的端口，可以将本设备的SD卡映射为U盘，可以通过电脑将SD卡内的数据导出进行备份。SD卡模块作为本设备的后备存储器，可以保存一周左右的PLC监控数据。EEPROM模块用来作为配置参数保存的存储器。RAM模块作为高速数据缓存存储器，由于CPU内置RAM较少，无法满足高速缓存的需求，所以本专利外扩4MB字节的SRAM存储器，用来作为PLC监控数据的高速缓存。SPC3模块配合RS-485接口可以实现Profibus通讯，可以与所有支持Profibus主站模式的PLC进行数据交换。PHY模块和RJ45接口构成以太网通讯网络，可以与绝大多数的支持以太网通讯的PLC进行数据交换，同时也作为与上位机进行数据交换的手段。

图2是本专利采用的CPU结构图。该CPU内部具有存储器扩展总线(Address Bus和Data Bus)、IIC总线、SDIO总线、USB总线、RMII接口，内置RTC时钟。外置高速时钟进入CPU的高速时钟接口，为CPU提供工作时钟源。低速时钟进入RTC回路，作为RTC工作的时钟源。

存储器扩展总线连接到外扩RAM和SPC3模块。这两个模块CPU将通过存储器总线进行访问。IIC总线连接到EEPROM模块，CPU通过IIC总线访问EEPROM模块。SDIO总线连接到SD卡，CPU通过SDIO总线访问SD卡。RMII接口连接到PHY模块，CPU将通过RMII监控进行以太网通讯。

图3是本专利采用的SPC3模块的结构图。SPC3芯片是西门子公司研发的用于Profibus的智能子站接口芯片，可以自动识别9.6Kbps～12Mbps范围内的波特率，工作温度：-40～85℃，通过8位数据总线与CPU进行数据交换。可以很方便设计智能子站设备。本专利利用CPU的存储器扩展总线与该模块进行通讯配合RS-485接口实现Profibus通讯。图中XT1为本模块的时钟源，TXD、RTS、RXD连接到RS-485接口实现Profibus通讯。