（机械电子工程专业论文）基于嵌入式网络的智能维护系统硬件接口与通讯.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 设备智能维护系统能够对设备进行主动维护使得设备在整个生命周期内都在良 好的性能状态下运行，这对于提高设备的使用寿命、降低生产成本，提高设备维护的 自动化水平具有重要的意义。通过网络实现对远程设备的实时监测和维护，是当前设 备自动化领域的研究热点之一。利用曰臻完善的计算机网络和现场总线理论和技术， 特别是飞速发展的嵌入式h m - a c t ，实现对远程设备的监测和维护，具有重要的技术 意义和应用价值。本文设计出了一基于单片机的嵌入式服务器及相关测量控制功能 卡，初步实现了基于嵌入式i n t r m c t 的设备远程监测和维护。 本文首先讨论了工业现场设备控制网络的发展趋势，分析了基于嵌入式i n t c r n c t 的远程监测与维护系统的特点，嵌入式i n t e r a c t 实现的几种方式，并在此基础上设计 了一种基于单片机的嵌入式服务器及相关测量控制功能卡，实现了在局域网乃至 i n t e r a c t 上对现场设备进行监测和维护。利用该嵌入式服务器和辅助功能卡可以实现 多种不同配置，以适应不同的应用对象。 本文在分析系统硬件接口功能配置以及所需关键技术的基础上，着重介绍了嵌入 式服务器的硬件接口设计与通讯的实现方法。硬件接口设计包括嵌入式服务器、数据 采集卡、嵌入式m o d e m 卡、i 0 驱动卡的硬件设计及其实现的功能。卡内软件设计包 括嵌入式服务器与功能卡之间的通讯协议、数据帧格式的定义：嵌入式服务器的实现 机制：嵌入式w e b 服务器、i p 地址引导配置、客户端邮件发送、资源文件下载等等a 本文最后介绍了基于嵌入式i n t e r n c t 的硬件接口的应用设备的远程网络化监 测，按照网络控制系统的结构模式组建了监测系统，说明了其应用模式和发展趋势， 并展望了其应用前景。 关键词：硬件接口，智自e 维护，嵌入式服务器，嵌入式i n t e r n e t 华中科技大学硕士学位论文 ；= = ；= = 自i 目；目_ i i ；= 自= = 目= = = l = = = a b s t r a c t d e v i c e s i n t e l l i g e n tm , a j t n t e n a n c es y s t e m ( i m s ) c a l lm a i n t a i nd e v i c e sa c t i v e l ys ot h e d e v i c e sf u n c t i o nc o u l dk e e pw e l ld u r i n gt h ew h o l el i f ec i r c l e i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et o i m p r o v e t h ed e v i c e su s i n gl i f e , a b a s et h eo p e r a t i n gc o s t s e l e v a t et h ea u t o m a t i o nl e v e lo f t h e e q u i p m e n tm a i n t e n a n c e r e m o t em o n i t o r i n g a n dm a i n t e r a n e eo f d e v i c e si nr e a lt i m ei so n e o f t h e r e s e a r c h i n gs u b j e c t si nt h ee q u i p m e n t a u t o m a t i o nf i e l d s i th a si m p o r t a n t t e c h n o l o g y s i g n i f i c a n c ea n du s i n g v a l u et oa c b = i e v et h ed c v i p 七s r e m o t em o n i t o r i n ga n di n a i n t e b a n c e b y u s i n gt h e t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g yo fc o m p u t e rn e t w o r ka n df i e l d b u s ，e s p e c i a l l yt h e f a s t - d e v e l o p i n gi n t e r n e tt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e ra n e m b e d d e dw e bs c r v e ra n dm e a s t a - i n g f i m c t i o nc a r d s & r ed e s i g n e dt oa c h i e v et h ed e 啊c e s r e m o t em o n i t o r i n ga n dn 珀j l n 翻越盼 b a s e de m b e d d e di n t e r a c tp r e l i m i n a r i l y i nt h i sp a p e rt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h ei n d u s t r yc o n u o in e t w o r ki sd i s c u s s e d f i r s t f o l l o w i n gt h e f e a t u r eo ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c es y s t e mb a s e d e m b e d d e di n t e m e ta n dt h ef o r m a t i o nm o d eo f t h ee m b e d d e di n t e m e ta r ea s s a y e d t h e nt h e e m b e d d e dw e bs c l v e ra n dm e a s u r i n gf u n c t i o nc a r d sb a s e ds i n g l ec h i pa r ed e s i g n e dt o a c c o m p l i s ht h em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c ef u n c t i o nf o rt h ef i e l de q u i p m e n tt h r o u g ht h e e t h e m e to ri n t e m e t n 砖e m b e d d e dw e bs e r v e ra n df i e l dm e a s u r i n gd e v i c e sc a nb e f a b r i c a t e di nd i 伍跚吐c o n f i g u r a t i o nm o d e st oa d a p tt h ed i 插棚tn e e d so ft h eu s i n g s u b j e c t s a f t e rt h ea n a l y s i so ft h eh a r d w a r ei n t e r f a c ea n dt h ek e yt e c h n o l o g y , t h er e a l i z i n g m e t h o do ft h eh a r d w r r ei n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o no fe m b e d d e dw e bs e r v e ra r e i n 仕o d u c e de m p h a s i s n 地d e s i g no f h a r d w a r ei n t e r f a c ea n df u n c t i o na c h i e v i n gi n c l u d e s ：t h e h a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e dw e bs e r v e r , d a t aa c q u i r i n gc 矾e m b e d d e dm o d e ma n d i _ ，0i n t e r f a c e t h es o , w a r ed e s i g ni nt h ew e bs e r v e ra n df u n c t i o nc a r di n c l u d e s ： c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb c d a r c a nt h ee m b e d d e dw e bs e l w o ra n dt h ef u n c t i o nc a r d s ，t h e d e f i n i n go f t h ed a t am e s s a g ef o r m a t , t h er e a l i z i n gp r i n c i p l eo ft h ee m b e d d e dw e bs e r v e r n l er e a l i z i n gp r i n c i p l eo ft h ee m b e d d e dw e bs e l v f f fa l s oi n c l u d e s ：t h ep r i n c i p l eo ft h e e m b e d d e dw e bs e r v e r , t h er e a l i z i n go f i pa d d r e s sc o n f i g u r a t i o n ，t h ea c h i e v i n go f c l i e n tm a r l s e n d i n g a n de t e d e v i c e s r e m o t em o n i t o r i n gt h r o u g ht h ei n t e r a c t ，t h eu s i n go ft h eh a r d w a l ei n t e r f a c e b a s e de m b e d d e di n t e r n c ta r ei n t r o d u c e di 1 1t h el a s lb y t h es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o in e t w o r k 。 t h i sp a p e rs e tu par e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ma n dd i s c u s s e si t su s i n gm o d e ，a n a l y s i st h e d e v e l o p i n gf e u d i nt h ee n d o f t h i sp a p e r , t h e a p p l i c a t i o no f t h es y s t e m a n de m b e d d e dw e b s e r v e ra n df u n c t i o nc a r d sa r cp m s p e c t e c l k e y w o r d s ：h a r d w a r ei n t e r f a c e ，i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c e ，e m b e d d e dw e bs e r v e r , e m b e d d e di n t e m e t 华中科技大学项士学位论文 = j 目j = = ；= ；= 目e 目- 目l = = = = ；= ；= 口l = = = = ； 第一章绪论 1 1 课题来源 1 ) 本研究课题来源于国家8 6 3 高科技项目“基于嵌入式厢络的设备智能维护系 统”( 项目号：2 0 0 1 a a 4 1 3 3 1 0 ) ，该项目的资助金额为6 0 万元。 2 ) 本学位论文得到国家自然科学基金重大项目“支持产品创新的先进制造技术中 的若干基础研究”( 项目批号：5 9 9 9 0 4 7 0 ) 的资助。 3 ) 该项目属于华中科技大学与深圳市蓝津科技有限责任公司的合作研究项目。 1 2 课题背景 1 2 1 课题的提出 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大 型机、中型机、小型机和微型机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约 4 0 年。近1 0 年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根本性的变化，例如 7 0 年代末定义的微计算机演变出来的个人计算机( p c ) ，如今已经占据了全球计算机工 业的9 0 9 6 市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机的定义。随着计算机技术和 产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法交得更为切合实际，也就是按 计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算机。 嵌入式计算机系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适 应应用系统对功能、可靠性、成本、体积，功耗等严格要求的专用计算机系统。它是 计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术，语音图像数据传输技术等先进技 术和具体应用对象相结合后的产物。因此往往是技术密集、投资强度大、高度分散、 不断创新的知识密集型系统。嵌入式计算机系统与一般的p c 机上的应用系统不同， 针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间差别也很大，因而嵌入式系统一般功能 单一，且在兼容性方面要求不高，但是在大小成本功耗方面限制较多。嵌入式系 统中芯片是嵌入在有关的设备中的，没有自己独立的外壳。目前大多数嵌入式系统还 处于单独应用的阶段，以眦u 为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定 的功能呲”。 现在嵌入式系统已经在家庭和工业的各个领域得到了广泛应用，同时i n t e r a c t 已 成为整个社会重要的基础信息设施。如果嵌入式系统能够连接到i m e r n e t 上面，就可 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 以将嵌入式系统的小、特、简、精的特点和i n t e m e t 的方便、快速、低廉的特点结合 起来，嵌入式i n t e m e t 就是嵌入式计算机系统与i n t e r n e t 网的结合。利用嵌入式h a t e m e t 技术可以实现对现场设备的远程监测，可以及时快速得到现场设备的信息。嵌入式 i n t e m e t 技术的兴起，使得i n t e r a c t 不仅仅是一个计算机网络，而是成为一个庞大实用 的可以共享的信息源，可以使得设备的诊断和维修从以往的封闭走向开发，可以更为 有效的利用人力资源，而且提高维修效率，降低维修成本。所以说研究嵌入式i n t e m e t 有着重大的实际意义和巨大的市场前景o “”。如图1 1 所示为通常的嵌入式系统常用 的组网方式m 。 图1 1 嵌入式系统组网方式 嵌入式设备的远方显示和监测功能如果能够实现网络化，则整个系统的技术水平 将会很高。有了i n t e r n e t 就不再需要专用的通信线路，过去在专用网上传输的仅仅是 数据信号，现在有了i n t e m e t ，视频和音频信号都可以传输，信息可直接反映在色彩 丰富的网页上，形式可以是数据、文字、图像、表格或语音等等。同时实对数据自动 更新，设备的操作信息及时反馈，用户可以按照各自的需要设定相应的显现和操作， 管理人员可以修改运行方式和执行重大决策等。 工业现场控制系统在过去的二十多年中经历了人工控制、集中控制、集散控制系 统( d c s ) 、现场总线技术及基于现场总线的新一代控制系统( f c s ) 基于以太网和网 关( e m g a t e w a y ) 的混合控制系统等几个阶段。但是由于现场总线自身技术的局限性以 及多种总线标准分割共存局面的存在，因此产生了互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 问题， 限制了现场总线技术在工控领域的进一步应用：混合控制网络系统的开放性仍具有较 大的局限性，以太网和现场总线网络之间是通过网关来实现异质互连的，由于存在众 多的现场总线标准，网关的具体实现是极其复杂和困难的”1 。 进入九十年代末，由于i n t e r n e t 的飞速发展和嵌入式系统的成熟，基于嵌入式 i n t e r n e t 的测量和控制系统成为工业自动化领域新的发展方向。同时由于通过网络不 但能够传输数据，而且能够传输音频和视频数据，使得开发应用基于网络的远程设备 2 华中科技大学硕士学位论文 2 = = 2 = = = = = = = = = = = ；= = ；= = = = ；= ；= 自 监铡和维护系统成为可能。以现有的嵌入式技术以及i n t e m e t 的普及为基础，实现的 可能性也是很大的州。 1 2 2 课题研究的意义 在当今的工业中，设备自动化系统具有如下的特点：生产寿命周期短、生产多样 性、客户要求质量高且交货快，因此需要对设备的性能状况进行及时监测与维护，以 适应生产的需要。同时设备的监测和维护也从现场服务改成电子服务，特别需要把前 台的生产和后台的工作联系起来，使生产加工、产品服务和客户关系同步化。在人工 智能理论和因特网技术约推动下，工业现场制造系统及其远程在线监测、诊断和维护 己越来越重要，并向着开放、集成、高速、制造、智能和分布式多媒体应用的方向发 展。 嵌入式i n t e m e t 技术在工业领域具有广阔的应用前景，对企业自动化设备而言， 人们关心的是其工作状况稳定且不出问题，为此工程技术人员需要定期停止生产对设 备进行检修，更换掉严重损坏的设备，这样不可避免的造成经济的损失。如果能够通 过网络在中央控制室监测企业网( h i t r a n e t ) 内所有设备的工作状况，尤其是那些在恶劣 环境下的设备；更进一步通过浏览器直接监测设备的工作过程，而不需要专家从一个 地方赶到另一个地方去解决问题，更重要的是可以通过网络邀请更多的专家在网上就 某一问题进行协同诊断，拿出最好的解决方案。对于那些使用过一段时间而表面上看 起来很正常的设备和产品是否能够继续使用而不会造成经济损失和安全事故，是否需 要及时替换，还能使用多长时间等；如果能够对设备和产品进行全生命周期的维护， 并寻求可以预测设备性能的方法，变被动的维修为主动的维护从而实现对设备的智 能维护。如果这一切能够实现就可以对目标设备的工作状况进行远程监测和控制，不 仅可以方便设备管理者随时了解设备的工作状态，设备出现异常时主动报警，便于及 时维修避免恶性事故的发生，而且还可以拓宽设备的服务范围，提高工作性能，延 长使用寿命。国夕 对于应用于因特网的维护系统技术已经为实践所检验，并证明是可 行的。例如，通过远程韵监测系统可以比较产品的工作情况，使制造公司将注意力集 中在故障前兆和预诊断上，而不是故障出现后的检测和诊断。 随着计算机网络带宽的进一步加大，网络传递大量数据的实用性( 实时性和安全 性) 进一步提高的同时，基于i n t e m e t 的计算机远程在线设备监测与维护技术正在变为 现实。远程在线监测与维护是利用现代化通信技术一一因特网技术实现异地间的监 测、诊断和提出维护方案等一系列行为噙“矧1 。系统的理论结构如图1 2 所示。 远程在线监测与维护系统的工作过程是：首先通过企业内部的设备监测系统对设 3 华中科技大学硕士学位论文 图1 2 远程在线监铡与维护系统构成 备进行实时或定期监测，并对测得的数据进行判断，当测得的数据出现异常时，该监 测系统自动提出报警，并通过因特网向远程的维护中心发送设备状态信息；然后，远 程维护中心利用设备故障诊断专家系统对该信息进行处理、判断，提出设备的维护方 案；最后，将维护方案再经因特网传向企业的设备维护执行系统，对设备故障进行处 理。整个系统可采用c l i e n t s e r v e r 的方式，在企业设备监测和维护执行系统，以及远 程设备故障诊断和维护方案提出系统都可以部分地进行人工的必要参与。 当然嵌入式i n t c r n c t 技术不仅仅是用于工业领域，它还可以广泛的应用于其它领 域，诸如商业系统，交通系统，生物系统，医学系统等等。在商业系统，可利用它来 进行远程监视服务。例如利用它来对售货机、安全保安设备、甚至对咖啡自动售货机 进行监控。咖啡自动售货机可以通过电子邮件和售货机的主公司联系，及时报告机器 的状态，例如保险丝、或者温度等方面是否存在问题等。这个机器还可以监铡库存量， 预测使用量；必要时自动呼叫公司把咖啡送来。根据目前t c p t p 网络协议软件栈的 情况，几乎可以从世界上的任何地方来监测并控制这些装置”1 。 在家电方面运用到嵌入式i n t c c t n c t 技术，可以为提供一个更为全新的生活质量。 如果我们的生活中有了智能信息家电。比如：微波炉能见料就自动找出具体烹饪指南， 并且能够控温、控时，直到美味菜肴完成；对于上网洗衣机，能够不用去洗染店就能 如洗染店工作流程一样，洗丝绸、毛料和简单的染；对于上网空调，能够不用等坏了 再费神找修理，而能定期自动完成预防性维修，甚至进行性能更新，并留下纪录，还 有可以在回家之前用手机通知智能空调开始制冷，回到家中就可以直接享用凉风；上 网电饭煲，在回家之前通过上网通知电饭煲上电；上网电视机、上网收录机，能够不 用花费太多就能马上看到、听到世界主要城市当时上演的视听节目等等“1 。 1 3 国内外研究现状 国外嵌入式i n t e r a c t 技术发展比较迅速。在工业控制领域，美国o p t 0 2 2 公司采用 嵌入式i n t e m e t 技术，研制开发了“以太网i o 系统”s n a p i o 系统，通过i n t e r n c t 华中科技大学硕士学位论文 对分布在远程设备现场的i 0 口进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。s n a p u o 模块采用工业级的标准进行设计和生产，可以应用于非常恶劣的工作现场和操作 环境中，对i 0 的读写控制是通过标准w e b 浏览器实现的，提供对s n m p 、u d p 、p p p 、 h r m l 、蹦l 、删l 及h d m l 等协议的支持，目前，s n a pi o 已成功应用于工业过程控制、 路桥收费系统监控、输油管线的监测及楼宇的智能化监控等多项应用。此外，惠普公 司应用i e e e l 4 5 1 2 标准，生产嵌入式以太网控制器具有1 0 - b a s et 以太网接口，运 行f t p h t t p t c p u d p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备“。国内嵌入式系统 发展，就目前国内微控制器的应用状况来看，从整体来讲微控制器的应用水平还不高， 主要是用8 位微控制器，用量也不大，绝大多数是用于i c 卡设备等仪器仪表和控制 领域中。 国外应用嵌入式i n t c m e t 的设备故障远程诊断开发正进行的如火如荼。1 9 9 7 年， 首届基于i n t e r a c t 的工业远程诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办，有 来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了远程诊断系统设备连 接开发体系，诊断信息规程，诊断传输协议，以及对用户的一些合法限制，并对将来 的技术发展傲了展望。会后斯坦福大学和麻省理工学院合作开发了基于i n t e r n e t 的下 一代远程诊断系统，建立了一个限于合作者间的远程诊断示范系统。另外美国密执安 大学也在开展针对机械加工的远程诊断和制造系统的研究与开发，斯坦福和麻省理工 学院与企业一起建立了远程诊断中心，以解决半导体器件生产的有关设备的诊断问题 “”姗1 。国内上海交大、西安交大、华中科大和哈工大都在进行工业领域的远程监测 与诊断研究工作。华中科技大学( 原华中理工大学) 1 9 9 7 年1 1 月开发了一个基于 i n t e r a c t 的组态式设备故障远程诊断中心，建立了一个开放式远程诊断示范体系“设 备故障远程诊断中心”，它采用了w w w 服务器和浏览器组网，用c g i 程序驱动后台 组态式w i n d o w s 软件实现远程信号的采集和信号分析。如图1 3 所示为一种远程协作 诊断系统的体系结构图。它是一种基于c o r b a 结构和k i t ( k n o w l e d g ei n t e r c h a n g e f o r m a t ) 格式的远程协作诊断系统模型，系统采用c o r b a 分布式对象技术解决了诊断 系统的异构性，增强了系统扩展性，开放性。系统包括三部分：客户方局域网、远程 诊断服务器、网上诊断资源。 智能维护系统的开发与研究是国外在工业现场设备监测与维护领域的一个新的 研究热点。在美国，密西根大学、威斯康星大学成立了国家智能维护中心并进行了卓 有成效的研究，提出了智能维护的系统模型并进行了室内实验“o 。”嘶3 。国外某大型石 化企业已基本实现在公司总部对分散在各地的下属单位进行经营、生产状况数据、曲 线的总揽，监视工厂生产装置的运行状态。在家庭自动化领域，e c h e l o n 公司开发了 5 一 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = ；= = ；= = = ；= = = ；= ；= = = = ；= = = = = = = = 一 一个远程网络化控制实验系统，可以让全球的i n t c r n e t 用户在网上访问并控制实验室 内的智能设备，这些设备包括可设置0 1 0 0 开度的窗帘，可设置o 1 0 0 亮度的台 灯，开关式的壁灯等等“。这些实验对网络化的远程测控和设备维护进行的大量的探 索，取得了相当的成果。同时国内的几所大学：上海交大、西安交大等也开展了相关 的研究并和国外开展了广泛的合作，举行了多次智能维护的学术会议，取得了一定的 研究成果】。 图1 3 远程诊断协作系统体系结构图 1 4 本文的立题和主要研究工作 在市场经济条件下，企业赢得市场不仅需要高质量的产品，快速、高效的售后服 务也是企业占领市场的决定性因素之一。企业的盈利模式不再局限于降低产品的生产 成本和提高生产率，完善的售后服务成为企业新的追求目标，售后的技术服务成为企 业新的盈利渠道，从而拓宽了企业的服务范围和盈利模式。但现在大多数工业现场设 备维护系统的维护能力与客户快速响应的需求产生了巨大的差距，缺乏有效的监测系 统来避免灾难性事故的发生，而且现有设备维护系统成本高、快速响应能力低下，难 以适应客户对产品设备的售后服务提出的要求。基于嵌入式i n t e r a c t 技术的设备维护 系统能够对设备的运行状态进行实时监测和性自预铡，因而具有巨大的市场前景。智 能维护系统成为工业现场设备监测和维护系统的发展趋势相对于传统的维护系统它 有以下几个特点：维护的哲学理念从平均故障发生时间转变到平均性能退化时间：降 低设备的停工检修时间，让设各处于零故障率的状态下工作；维护工作基于设备的性 能退化分析，而非传统的故障检测：维护的目标是面向客户需求，在任何时间和地点 量体裁衣的服务客户；故障的诊断和预测是基于设备性能参数的智能预测与预诊断。 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 而传统维护方法是一种被动的维护模式、采用周期性检修方式、基于故障检测和故障 诊断的一种方法。 工业现场设备维护领域的主要特点是维护手段的接口总线标准化、智能化、网络 化，可视化和虚拟现实技术的全面应用和发展。本课题中硬件接口的设计采用了标准 化、通用化、开放性和可扩展的思想和方法，同时考虑到成本的因素，力求设计的精 简和低成本。接口系统以单片机为核心处理器，包括嵌入式服务器及相关测量功能卡， 能够实现数据测量及a d 转换，数据的网络化传输、数据的处理及显示等。利用该系 统能够实现远程设备的自动化监测，从而可实现设备的无人职守，系统的自动维护等 等。 本文讲述了基于嵌入式i n t e r a c t 远程智能维护系统的应用前景、硬件接口的实现 原理和硬软件设计方法。包括智能维护系统的发展应用前景的分析、设计原理的分析 论证，重点分析了维护系统的硬件接口设计、接口软件设计等，最后讨论了智能维护 系统的应用，包括设备维护、远程监测、故障诊断等。 第一章简单介绍了嵌入式系统及智能维护系统的概念、应用范围、发展趋势和国 内外研究现状。嵌入式系统和i n t e m e t 的结合是嵌入式系统发展的一个方向，并可能 带来工业现场控制和设备维护领域的重大变革。 第二章首先简单介绍了工业控制网络的发展及其局限性，分析了嵌入式i n t e m e t 系统应用于现场监测和设备维护的特点及优势，指出基于嵌入式i n t e m c t 的工业设备 维护系统是工业设备监测和维护系统应用发展的趋势。并从总体上介绍了基于嵌入式 i n t e m e t 的远程智能维护系统的硬件接口配置、结构设计以及详细的设计方案。 第三章，介绍了系统的硬件接口设计原理、硬件性能参数及硬件设计原理图，并 详细分析设计了硬件接口通讯协议及数据报格式。 第四章，介绍了该系统接口软件设计方案及功能模块的划分软件设计实现细节 及该系统的整体应用方案，并简单介绍了该接口的试验结果。 最后本文对嵌入式i n t e r n e t 系统豹发展及应用前景进行了分析与展望。 1 5 本章小节 基于嵌入式i n t e r a c t 的远程智能维护系统是嵌入式i n t e r a c t 在工业自动化领域的具 体应用，其目标是取代现场总线控制系统( f c s ) ，将因特网引入工业现场控制系统中， 实现工业现场设备监测和维护的网络化。本文在分析了嵌入式i n t e r a c t 的应用前景之 后，提出了一种基于单片机的远程网络化智自 维护系统，并重点讨论了一种基于单片 机的工业设备监测和维护系统硬件接口的设计与实现。 7 华中科技大学硕士学位论文 第二章嵌入式i n t e r n e t 硬件接口实现技术及应用模型 2 1 嵌入式i n t e r n e t 控制网络的优点 2 1 1 现场总线控制网络( f c s ) 安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串 行，多点通信的数据总线称为现场总线。现场总线控制系统的出现曾在控制领域引起 了一场革命，解决了传统d e s 无法监控现场仪表及设备、分教化不足、通信协议专有 等问题。在现场总线的环境下，借助自控设备的计算、通信能力，在现场就可进行相 关的决策分析和控制，通过现场仪表构成控制回路，将控制功能下放到设备现场，形 成分散在设备现场的完整的控制系统。把d c s 集中管理与分散控制的集散系统结构变 成了新型的全分布式结构提高了控制系统运行的可靠性和稳定性。但由于现场总线 自身技术的局限性以及多种总线标准分割共存局面的存在，产生了互操作性问题。互 操作性及分散性不足极大地限制了现场总线的广泛应用哺“州“。典型的现场总线控制 网络结构示意图如图2 1 所示。 图2 1 现场总线控制网络 2 1 2 现场总线转向e t h e r n e t 网络 e t h e m e t 网络出现于1 9 7 5 年，随后3 c o m 公司致力于使以太网成为一个多供应商 标准，并于1 9 8 2 年制定成为i e e e 8 0 2 3 标准的第一个版本。1 9 9 0 年，该标准被国际 标准化组织所采纳，正式成为i s o i e c8 0 2 3 国际标准。但是过去人们一直认为 e t h e m e t 是为i t 领域应用而开发的，因为以太网被认为是一种非确定性的网络系统， 对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生冲突的可能性造成响应时间不确定， 使信息不能够按要求正常传递。因此在工业自动化领域只能得到有限应用，主要原因 8 华中科技大学硕士学位论文 有：1 ) e t h e m e t 采用c s 5 i i a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重( 大于4 0 “o ) 时，网络的 确定性( d e t e r m i n i s m ) 不能满足工业控制的实时要求；2 ) e t h e m e t 所用的接插件 ( c o n n e c t o r ) ，集线器( h u b ) ，交换机( s w i t c h e s ) 和电缆等是为办公室用而设计的，不符 合工业现场恶劣环境的要求，e t l a e m e t 网不具各通过信号线向现场仪表供电的性能； 3 ) 在工厂环境中，e t h 1 眦抗干扰性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安 全性能。 在工业控制系统中，网络的确定性是指通过网络传送的数据必须在确定的时间到 达目的地，现在的工业以太网现场总线采用一种称作连接装置( l i n k i n gd e v i c e ) 的类似 带有开关的集线器结构，很好地解决了e 血i 釉m 的时间确定性问题。当以太网发展到 今天的交换式以太网时，这些问题已得到很好的解决汹蕾“圳。“。 1 ) 采用交换机，接入网络的节点各自独占一条线路，避免了冲突。 2 ) 采用高速背板交换或微处理器交换，响应时间是确定的。据a r c 公司的分析， 1 2 6 个节点的i o o m 交换式以太网的响斑时间是2 3 m s ，几乎可以满足各种控制系统 的要求。 3 ) 现代以太网采用非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力与4 2 0 m a 模拟传输线路相 当，如果需要更强的抗干扰能力可以采用屏蔽双绞线或光纤通讯。 i n t e r a c t 图2 2 以太网控制网络结构圈 为了解决在无间断的工业应用领域，网络在极端条件下稳定地工作，美国 s y n e r g e t i cm i c r os y s t e m 公司和德国h i r s c h m a 衄公司专门开发和生产导轨式收发器- 集线器和交换机等并安装在标准的d i n 导轨上，并有冗余电源供电，接插件采用牢固 的d b 一9 结构。美国n e ts i l i c o n 公司研制的工业以太网通信接口芯片，每片己降至 华中科技大学硕士学位论文 1 0 一1 5 美元，与各种现场总线芯片相比，价格具有极大优势。图2 2 所示为基于以太 网的混合控制网络结构示意图。 2 1 3 嵌入式i n t e r a c t 的控镧网络 2 1 3 1 以太网混合控制丽络的局限性 基于以太网的混合控制网络在一定程度上解决了现场总线网络在控制系统中的分 散f 生和开放性问题，但在具体应用时仍存在较大的问蹶： 1 ) 系统的开放性仍具有较大的局限性。虽然以以太网为核心可集成不同类型现场 总线，但由于整个系统仍采用现场总线网络，就不可避免现场总线协议标准不统一的 局限性。 2 ) 互连模型难以实现。以太网和现场总线网络之间是通过嵌入式网关 ( e m o a t e w a y ) 来实现异质互连的，由于存在众多的现场总线标准，嵌入式网关的具体 实现是极其复杂和困难的。当从控制终端向现场仪表、设备发送信息时，它首先基于 以太网和t c p i p 协议将信息发送给相应的网关，再由网关根据现场总线协议发送给 相应的现场仪表、设备。反之依然，很明显这种通信方式的效率也是很低下的。3 o “。 2 1 3 2 嵌入式i m e m e t 控制网络 以太网和t c p i p 协议的广泛应用促使了l a t e r n e t 的飞速发展，几乎所有的网络底 层技术都可用于传输t c p i p 的通信，应用t c p i p 技术的以太网可满足控制系统各个 层次的要求。并且，随着制造工艺的进步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越 低，功能却越来越强大。”m 1 ，这不仅解决了嵌入式微控制器与i n t c m e t 连接的技术问 题，同时也使得这种连接费用降低到工业控制完全可以接受的程度。这种技术的发展 促使了基于嵌入式i n t e m e t 的控制网络的出现。它具有以下几方面的优势： 1 ) 更高的通信带宽。以太网是一种成熟的、快速的网络协议，数据传输速率为 l o l o o m b s 能够满足不断增长的数据通信需要，成为企业范围的主干网络。 2 ) 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。以太网早已成为企业管理网络的首 要选择，将以太网应用于现场设备的控制网络，实现企业信息网络和控制网络的融合， 促进企业整个信息化的集成。 3 ) 控制系统的成本降低。这主要表现在两个方面：一是支持以太网通信的网络设 备比较多设备成本比较低；二是熟悉以太网网络操作的用户较多，整个系统的培训、 维护都比较容易。 4 ) 更高的稳定性。光纤网络已成为i n t e m e t 的主干网络，光纤所具有的良好的抗 1 0 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = = = = = = ；= e _ e = i = = = 自自= 一： 噪声干扰性能使得以太网更加适合使用在实时监控的高噪声设备现场环境。以太网用 于自动控制的致命弱点，是载波侦听多路访问协议( c s m a c d ) 所具备的非确定性 ( n o n d e t e r m i n i s m ) 特性造成的响应时间不确定，不过在实际使用时，以l o m b s 带宽 为例，如果传输数据不包含丈量的影像图形资料，实际碰撞机率已很低，而且实际碰 撞率还会随着交换以太两技术的进一步发展而更趋下降。图2 3 所示为基于嵌入式 i n t e r a c t 的控制网络。 i n t e r a c t i 程访问 画 叟夕 郾 l “ 涧i 曲 豁剥心 弋 嵌入式包 朋 图2 3 基于嵌入式i n t m n g t 的控制网络 2 2 嵌入式i n t e r n e t 实现技术 2 2 1 基于嵌入式i n t e r n e t 的设备维护系统应解决的关键技术 i n t c m e t 的基本功能就是互连，这也是它最大的优势和特点。既然网络资源是如此 的丰富，把生产活动尽可能的转向i n t e r a c t 是网络互连的必然结果。从监控的角度看， 通过永不停息的网络可以对设备异常状态作出及时的反应；从故障诊断的角度看，网 络协作诊断和虚拟会议既可以节省经济又达到最满意的解决方案。从维护的角度看， 对设备进行全生命周期的监测，设备运行数据实时存档，设备的性能状况始终处于掌 握之中，何时需要维护和更换一目了然。 设备的智能维护是利用基于网络化的设备和产品故障诊断、预测和维护技术，配 合网络化协作诊断、机械性能退化预测分析技术，从而使设备或产品在整个生命周期 里都运行在几近零崩溃( n e a r - z e r o - b r e a k d o w n ) 的状态下。智能维护系统是一个庞大 的、新颖的具有很强生命力的概念，它的实现依赖于基于i n t c - n l c t 的远程监测与控制、 设备性能衰退分析与预测、网络化协作诊断和自维护智能设计方法的实现等技术的支 华中科技大学硕士学位论文 持。 1 ) 基于i n t e m e t 的远程监测与维护 这个领域的研究主要集中在网络化监测接口设备和系统，包括基于网络的监测、 无线通讯协议、嵌入式预测与维护智能体等。本课题研究即是关于网络化接口设备的 研究与开发。 2 ) 设备性能的衰退分析与预测 对机械设备性能的评估需要各种传感和推理设备的集成。通常情况下机械设备的 操作性能可分为四个状态：正常操作状态；性能退化状态；维护状态；失效状态。在 性能退化状态，设备的机械性能会变坏，但不影响设备的正常工作。当设备机械性能 变坏时，在失效之前都要经过一系列的性能退化状态。因此，如果在性能退化之前设 备的状态能够被检测和度量，就能够采取有效的维护措施防止失效的发生。实现设备 的网络监测，取得设备和产品重要的状态数据之后，将它们存入数据库系统中，然后 可根据相关数据作出设备性能变化图，从而可对设备或产品的各种性能进行预测。本 领域研究主要基于s o c ( s y s t e m - o n - c h i p ) 技术，需要解决的主要问题是设备性能衰退算 法的分析与研究。 3 ) 设各自维护的实现 为了提高设备的可靠性和系统的自适应能力，必须考虑设备的自维护和自恢复的 功能。在产品出现故障时，设备维护系统自身能够决定如何解决问题，当然这需要在 设备出现故障时通过与远程的维护系统中心取得联系并得到相应的支持。通常情况下 远程数据服务器记录有主要设备或组件的工作状态信息，在设备出现故障时，操作人 员可以通过访问数据库来获得设备在发生故障前一段时间内的工作状况信息，从而能 够迅速杳出故障原因，使设备在最短的时间内恢复正常工作状态。 2 2 2 嵌入式i n t e r n e t 实现技术 以嵌入式系统为核心的网络监测系统的技术核心和难点是嵌入式系统的i n t e m e t 接入问题，对于6 4 3 2 位嵌入式系统来说，在r t o s ( 实时操作系统) 和相应函数的支持 下可以毫不费力的实现i n t e m e t 的接入。对于8 1 6 位嵌入式系统，嵌入式设备需要转 变成w e b 服务器或利用w e b 服务器上i n t e r a c t 弼，而且要加上t cp j ，i p 网络协议栈。 由此可知，基于嵌入式i n t e r n e t 的网络监测与维护系统需要解决的主要技术问题就是 i n t e m e t 的接入问题n 4 叭。对于嵌入式系统的i