（机械电子工程专业论文）嵌入式工业设备网关设计与应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 。 ， 掇备智能维护系统对设备进行主动维护，使得设备在全生命周期内以良好的状 态运行，对于实现电子维护商务自动化和提高整个社会的自动化程度具有重要的意 义。串行设备应用于工业和社会生活历时久远，在i n t e m e t 环境下实现串行设备的智 能维护和管理具有重要的现实意义和紧迫性。为解决这一问题，本文设计出具有自主 版权的嵌入式工业设备网关，为串行设备的智能维护提供了一个有用的平台。厂 本文首先对嵌入式工业设备网关进行总体方案设计，对其关键技术逐一提出解 决对策，其中包括：( 1 ) 网关的硬件平台选择嵌入式p c 1 0 4 ；( 2 ) 系统的软件平台选 择嵌入式操作系统r o md o s ( 3 ) 为实现多通信协议的相互转换，开发了r o md o s 平台上的串口操作a p i 、t c p i p 服务器客户a p i ，在d o sp a c k e td r i v e r 基础上设计 了嵌入式i n t e m e t 服务器组件，满足了网关作为服务器的需要。 设备远程监测和管理是本文重点要解决的关键技术。在前面述及的关键技术解 决方案的基础上，本文编程实现了设备远程监测和管理这一重要功能。其中主要涉及 到三个关键技术：串行文件传输协议、基于r s - 4 8 5 标准的组网技术、m o d b u s 总线协 议。网关和设备之间的数据文件交换采用x m o d e m 协议，并用串口操作a p i 实现了； 串行设备的监测和管理主要是用r s - 4 8 5 标准把设备组织成串行网络与i n t e m e t 互联， 通过浏览器实现：串行网络中数据帧格式、访问控制方式以及相关事务管理都是遵照 m o d b u s 总线协议实现的。 。 本文还讨论了网络控制系统的三层结构：信息层、控制层和设备层。以工业控 、 制中的电机控制为例，本文按照网络控制系统结构模式搭建了控制系统，说明了嵌入 式工业设备网关的应用。最后展望了嵌入式工业设备网关在家庭自动化领域的应用前 7 景吖 、 ， 关键词：智能维护系统，工业设备网关，r s 4 8 5 埔络，m o d b u s 现场总线， 网络控制系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s 仃a c t d e v i c e s i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c es y s t e m ( i m s ) m a i n t a i n sd e v i c e sa c t i v e l ys ot h a t d e v i c e sf u n c t i o nw e l ld u r i n gt h e i rw h o l el i f e c y c l e i t i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et or e a l i z e e m a i n t e n a n c eb u s i n e s sa u t o m a t i o na n dt op r o m o t et h ew h o l e s o c i e t y sa u t o m a t i o nl e v e l i t h a sb e e na l o n gt i m es i n c es e r i a id e v i c e sf s d lh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya n ds o c i a l l i v e s i ti si m p o r t a n ta n du r g e n tt oa t t a i ns d si n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n to n i n t e r a c t t os e r v et h i sp u r p o s e ，t h i st h e s i sd e s i g n sa l le m b e d d e dg a t e w a yf o ri n d u s t r i a l d e v i c e s ( e g i d ) 、 ，i mi n d e p e n d e n tc o p y r i g h t ，w h i c hp r o v i d e sau s e f u lp l a t f o i t nf o rs d s i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c e t h eo v e r a l ls c h e m eo fe g i di sl a i do u tf i r s t t h es o l u t i o n st oe g i d s k e y t e c h n o l o g i e sf o l l o w i n g i ts t e pb y s t e p ，i n c l u d i n g ：( 1 ) e m b e d d e dp c 1 0 4i sc h o s e na se g i d s h a r d w a r ep l a t f o r m ；( 2 ) r o md o sa ss o f t w a r ep l a t f o r m ；( 3 ) t or e a l i z ec o n v e r s i o no f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s c o r np o r ta p i sa n dt c p p l ps e r v e r c l i e n ta p i sa r ed e v e l o p e do n t h ep l a t f o r mo fr o md o s ，a n de m b e d d e di n t e r n e ts e r v e rc o m p o n e n t sa r ed e s i g n e do n b a s i so f d o s p a c k e td r i v e r , w h i c hm e e t t h en e e d so f e g i da ss e r v e r d e v i c e sr e m o t em o n i t o ra n dm a n a g e m e n ti st h ek e yt e c h n o l o g yt 1 1 i sp a p e ri n t e n d st o a d d r e s s o nt h eb a s i so ft h es o l u t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，t h ep r o g r a mi sd e s i g n e dt oa c h i e v e t h ei m p o r t a n tf u n c t i o no fd e v i c e sr e m o t em o n i t o ra n dm a n a g e m e n t t h ep r o g r 锄i n v o l v e s t h r e ek e yt e c h n o l o g i e s ：f i l e ss e r i a lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，n e t w o r k i n gt e c h n o l o g yb a s e do n r s 4 8 5s t a n d a r da n dm o d b u sf i e l d b u s t h ex m o d e m p r o t o c o li su s e d t ot r a n s m i td a t af i l e s b e t w e e ng a t e w a ya n dd e v i c e s ，a n di ti sf u l f i l l e db ym e a n so ft o mp o r ta p i s r s - 4 8 5 s t a n d a r di su s e dt oc o n s t r u c tas e r i a ln e t w o r kf o rs d st oi n t e r c o r m e c tw i t hi n t e r n e tt o 削f i l l s d sm a n a g e m e n tt h r o u g l li n t e r n e te x p l o r e r t h ef r a m ef o r m a t ，a c c e s sc o n t r o lm e t h o d sa n d t r a n s a c t i o n sm a n a g e m e n ti ns e r i a ln e t w o r ka r er e a l i z e db a s e do nm o d b u sf i e l d b u s t h es t r u c t u r eo ft h r e el a y e r s i n f o r m a t i o nl a v e r c o n 仃o ll a y e ra n dd e v i c e sl a y e r - o f i n t e m e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ( i c s li sa l s od i s c u s s e d e l e c t r i c a lm o t o rc o n t r o ls e ta sa n e x a m p l e ，t h i sp a p e r s e t s u p a s y s t e ma c c o r d i n g t oi c s ss t r u c t u r e p a t t e r n ，w h i c h d e m o n s t r a t e st h ew a y so fe g i d sa p p l i c a t i o n t h ea p p l i c a t i o no fe g i di nr e s i d e n t i a l a u t o m a t i o ni sp r o s p e c t e da tt h ee n do f t h i sp a p e r k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c es y s t e m ，g a t e w a y f o ri n d u s t r i a id e v i c e ， r s - 4 8 5n e t w o r k m o d b u sf i e l d b u s ，i n t e m e t w o r kc o n t r o ls y s t e m n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 二十世纪六十年代出现的i n t e m e t 绝对标志着一个崭新时代的诞生，因为人们的 生活方式、思想观念乃至社会风俗习惯都经受着它的熏陶，正发生着潜移默化的改变。 工业技术更是首当其冲的受着i n t e m e t 的影响，人们要求工业的发展能够给他们的生 活带来更高的自动化程度，需求总是社会进步的催化剂，于是基于i n t e m e t 的各种工 业自动化技术风起云涌层出不穷。 提高设备和产品的使用性能是工业生产永恒的主题，本章要考虑的正是在 i n t e m e t 环境下，是否存在一种方案能够最终解决这个问题，这个答案就是智能维护 系统。本章首先提出现行生产过程中存在的问题，指出解决问题的方案是智能维护系 统，然后是对国内外故障诊断和智能维护系统的进展情况的综述，最后对智能维护系 统作出详细的论述。 1 1 问题的提出 这是一个网络时代，人们前所未有的感受到网络对我们生活的“肆虐侵略”。网 络化趋势风头正盛，i n t e m e t 已经不满足于简单的横向范围的铺张以显示其无处不在， 现在它更趋向于纵深范围的“统治扩张”，即网络化所有可能的物质存在。在人类被 其互联之后，与人相关的物质设备也正在被逐渐征服，例如人类的家居环境，人类的 行走代步、交流工具，为人类制造消费品的相关机械和设备或者过程等等。但是这是 一个令人欣喜的趋势和积极的过程，被网络化的对象一方面正享受i n t e m e t 带来的从 未经历过的便捷，另一方面他们也乐于在网络上展示其存在。网络时代的到来，使得 工业技术的主题从测控转移到了信息的管理与集成：分布式智能的出现，使得信息的 处理更加灵活，而且表现为各种形式。人与人之间的信息交流，例如e m a i l 、w w w 浏览等，已经成为社会生活中不可或缺的重要部分，人与设备、设备与设备之间也正 在寻求基于i n t e m e t 的信息交换。基于i n t e m e t 的信息的管理已经作为一个紧迫的课题 摆在我们面前，需要我们的关注和解决。 图1 1 长期以来人们对设备故障的态度 在网络环境下，设备和产品怎么样才能够充分利用i n t e m e t 以给人们提供更有效、 华中科技大学硕士学位论文 更优质的服务和性能。对企业自动化设备而言，人们关心的是其工作状态稳定不出错， 为此工程技术人员需要定期停止生产对设备检修，更换掉严重损坏的设备。这样一来， 停产期经济损失是不可避免的了。但纵观现行生产过程的利弊，人们不仅思考：能否 通过网络在中央控制室监控企业网内( i n t r a n e t ) 所有设备的工作状况，尤其那些工作 在恶劣环境下的设备：更进一步，能否通过浏览器直接监测和控制设备的工作过程或 者状态，而不需要专家风尘仆仆的从一个地方赶到另一个地方，更重要的是如果能够 通过浏览器监控，那么就可以邀请很多有经验的工程技术人员和专家在网络上就某一 疑难问题协同诊断，拿出最完善的解决方案，这样既降低了企业的费用，又保证了问 题顺利、彻底的解决：基于成本的考虑，设备维护人员怎么知道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；能否考虑对所有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，在设备和产品设计的时候考虑让目 标产品具有自维护、自恢复的能力。如果这一切问题都考虑周全并得到圆满的解决， 那么就可以变被动的检修为主动的维护，并实现对设备的智能维护。研制出专门用于 这个目的的硬件设备和软件产品，将他们组建为一个系统，应用网络通信技术和微电 子技术，把这个系统设计成一个嵌入式产品，和设备有效集成在一起，实现对设备的 电子维护( e m a i n t e n a n c e ) ，进而适应全球范围内的电子商务自动化热潮。 基于这样一个提出问题、分析问题、解决问题的思路，本文首先详细阐述智能 维护系统这一新兴概念，然后针对工业应用领域中广泛使用的串行设备探讨如何实现 对他们的智能维护，通过分析现状，提出问题解决的方案是嵌入式设备网关，然后介 绍嵌入式设备网关具体在硬件和软件上是如何实现，最后用一些工业应用案例说明设 备网关的实用性及其广泛性，并对其应用前景作出展望。 1 2 国内外现状分析 国外基于i n t e m e t 的设备故障远程诊断开发工作正进行得如火如荼，1 9 9 7 年1 月， 首届基于i n t e m e 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 接开放式体系，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 来的技术发展作了展望。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 m e t 的 下一代远程诊断系统( i n t e m e t b a s e dn e x tg e n e r a t i o nr e m o t ed i a g n o s t i c s ) 。该系统的开 发工作得到了制造业、计算机行业和仪表业的b o e i n g ，f o r d ，s e g m e ，i n t e l ，s u n ，h p 等 1 2 家大公司的支持和通力合作，建立了一个限于合作者间的远程诊断示范体系 t e s t b e d 。t e s t b e d 于1 9 9 7 年1 0 月3 1 日对外开放，它采用嵌入式w e b 组网，用实时 j a 、，a 和b a y e s i a nn e t 实现远程信息交换和诊断推理。 另外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，系统采用 w i n d o w sn t 平台，用c g i 程序和w 曲数据库实现远程控制和信息交换。美国的 s t a n f o r d 大学和m i t 与企业一起建立了远程诊断中心，以解决半导体器件生产过程中 的有关设备的诊断问题：此外，b e n t l y 公司、丹麦b & k 公司、e n t e k 公司等国外著名 华中科技大学硕士学位论文 的从事设备状态监测与故障诊断技术的公司也在开展这方面的研究工作，这都说明远 程诊断是未来诊断技术发展的必然趋势。 就国内目前的研究现状来看，在原有故障诊断技术上结合人工智能这一高新技 术的智能诊断系统已经取得不少成果，如哈尔滨工业大学的大型旋转机械故障诊断专 家系统m m m d e s ，此外，西安交通大学，清华大学，上海交通大学等也先后开展了 设备诊断和诊断系统的研究工作。 华中科技大学于1 9 9 7 年1 1 月开发了一个基于i n t e m e t 的组态式设备故障远程诊 断系统，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”。“设备故障 远程诊断中心”采用普通商业w w w 服务器浏览器组网，用c g i 程序驱动后台组 态式w i n d o w s 软件实现远程信号采集和信号分析，用w e b 数据库检索技术实现远程 诊断推理。目前，这一技术已在宝山钢铁集团公司得到推广应用，并正在武钢等大中 型企业推广应用。 2 0 0 0 年1 0 月，华中科技大学和深圳市蓝滓科技股份有限公司采取产学研结合的 方式，联合开发面向设备的智能维护技术，迄今已经合作研发出一系列具有自主知识 版权的应用于设备远程监测和智能维护目的工业产品，并且通过了国家经贸委主持的 高新技术产品鉴定会，在国内相关领域处于领先地位。 综上所述，网络化趋势、工业自动化相关技术的发展和融合以及人们对电子商 务自动化的追求使得设备智能维护的提出有其必然性，是技术发展和社会进步的必然 结果。从故障诊断的角度来看，网络协作诊断和虚拟会议既节省时间和财力，又达到 了最满意的诊断解决方案。从维护的角度来看，对设备作全生命周期的监控，对设备 运行状态数据实时存档，从状态数据库中查询关键数据作出性能阶段图，这样整个企 业网内所有设备的性能状况一目了然，何时需要检修和更换全然在心中。从设备自恢 复来说，一旦设备出错，它会立即启动在设计时加入的自恢复功能，向邻近的节点求 助，获得正确的参数，重新启动或者继续正常运行，这样彻底改变了传统的出错就崩 溃的局面。此外，计算机网络技术、数据通信技术、嵌入式网络技术、微电子技术、 工业自动化技术、故障诊断技术等新旧技术的交叉和融合，为基于网络的设备智能诊 断和智能维护提供了必要的技术支持。高集成度电路板、智能芯片的大量涌现使得研 制的设备诊断和维护智能单元可以与对象紧密结合，有效的集成在一起，通过i n t e m e t 或者无线网络实时在线监控设备和产品的状态。对电子商务自动化的追求也驱使人们 实现设备和产品的智能维护，一方面增加了设备和产品的附加值，另一方面基于网络 的智能单元是电子商务自动化的基础。 如何在网络环境下，建立起面向产品和工业设备服务和维护创新的 e m a i n t e n a n c e 智能系统，是国际上最新的研究方向，具有巨大的市场潜力。智能维护 系统( i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c es y s t e m ，i m s ) 是近年来发展起来的一种用于产品性能退 化( d e g r a d a t i o n ) 智能评估和维护的信息集成技术，主要用于产品的性能维护，从而 使产品制造商和用户的产品能在接近零故障( n e a r - z e r o b r e a k d o w n ) 的状态下进行工 作。智能维护系统通过将监控智能体和具有网络能力的应用处理器相集成，并作为 个智能模块嵌入到被监控设备的内部来实现对设备工作状况的全方位管理，它可以实 华中科技大学硕士学位论文 现现场( i n s i t u ) 监测、设备性能渐衰失效( d e g r a d a t i o nf a i l u r e ) 预测分析、远程诊 断( r e m o t e d i a g n o s t i c s ) 和控制、设备的自动维护和修复、智能维护物流补给的自动 化和最优化 1 】。 1 3 智能维护系统 1 3 1 前景和目标产品 智能维护系统将革新基于网络的设备和产品故障诊断、预测和维护技术，应用 网络化协作诊断、机械性能退化智能预测、电子预测等关键技术，设计出具有优良品 质的下一代产品，并使得产品在全生命周期内运行在几近零崩溃 ( n e a r - z e r o b r e a k d o w n ) 工作状态。为实现这个目标，智能维护系统需要开发智能预 测软件，数字看门狗芯片，基于网络的智能维护和电子商务决策系统等中间产品，并 在理论上和实践中实现设备和产品自维护的智能设计。 1 3 2 关键技术 智能维护系统是一个庞大、新颖而具有很强生命力的概念，它的实现有赖于i p 传感器、基于i m e m e t 的远程监测、设备性能退化预测、网络化的协作诊断、自维护 智能设计方法、电子商务自动化等关键技术的支持。 1 ) i p 传感器 为适应现场总线统一的需要，人们制定了i e e e l 4 5 1 2 标准，这个标准提供了一 个通用的工业控制平台，它也标志着口传感器的诞生。和传统的传感器相比，i p 传 感器具有如下优点：第一，数据的处理是由分散于各地的单个传感器( 分布式智能) 进行的，而不是由传统的中央系统控制器进行；第二，传统传感器输出是未经处理的 数据，i p 传感器输出的是有用的数据，这在某些时候可以减少节点的带宽，增加系统 的节点数量；第三，碑传感器可随用户用途的不同而进行动态的编程，传感器制造商 只需生产少数几种传感器就可满足各种不同的需要：第四，传感器网络一般由有经验 的工程师按客户的要求定制并只适用于特定用途，由于人类所能处理的复杂度有限， 这导致如下结果：限制了网络中传感器的数量；组成网络的传感器是高度专业、价格 昂贵的；因而系统的可扩展性、可维护性不是很好。但是，i p 传感器的“智能”就在 于将传感器直接集成到系统中去，并用计算机辅助工具组建性能良好的系统【2 7 】。 i p 传感器其实是一种嵌入式网络产品，它实现了网络通信协议，作为网络节点 直接与计算机网络通信。i p 传感器有如下几大优点：第一，i p 传感器以当今最为流行 的网络通信协议t c p i p 为载体，利用廉价的i n t e r a c t 传输传感器数据，这意味着i p 传感器广阔的应用前景。第二，i p 传感器组成的控制网络与计算机网络通信，技术人 员利用p c 上的浏览器方便的管理i p 传感器的组态，这意味着实施远程控制的可能。 第三，i p 传感器即插即用的特性方便了控制系统的建构，这意味着控制系统的实用。 第四，i e e e l 4 5 1 2 标准的开放性使得基于这个标准的系统具有很大的柔性，这意味着 系统良好的可升级性和可维护性。第五，p 传感器的一个重大突破就是实现了传统的 华中科技大学硕士学位论文 数据采集与发送向网络化的信息管理与集成的转移，这意味着新型工业自动化结构的 出现 8 。 i n t e r n e t t 图1 2i p 传感器结构模型示意图 在i e e e l 4 5 1 2 标准中，i p 传感器有两个功能模块：运行网络协议和应用软件的 n c a p e 似o r kc a p a b l ea p p l i c a t i o np r o c e s s o r ) ，以及s t i m ( s m a r tt r a n s d u c e ri n t e r f a c e m o d u l e ) ，它包括换能器和t e d s ( t r a n s d u c e re l e c t r o n i cd a t as h e e t ) ，其模型如图1 2 所 示。i e e e l 4 5 1 2 智能换能器接口的关键特征是换能器与网络的数字通信协议、换能器 的自辨识。换能器把它自己向网络描述，简化了系统的组态【9 】。 在嵌入式设备网关应用中，需要广泛应用i p 传感器作为前端智能设备，利用它 提供的串行接口与现场的各种串行设备连接，通过口传感器把设备的状态信息和数 据采集整理，传送到网关和数据库，以备进一步的处理。因此，i p 传感器作为和被监 控设备直接接触的智能i o 单元，对整个测控系统和智能维护具有非常关键的地位。 撺设鲁 图1 3 基于i n t e r n e l 的设备远程监控 2 ) 基于网络的远程监控 在新的千年基于i n t e m e t 的智能化电子监测是企业能否在产品生产和售后服务 华中科技大学硕士学位论文 方面取得全球性领先地位的关键技术。这个领域的研究主要集中在网络化远程监控接 口设备和系统，包括i p 传感器接1 3 设备，基于网络的监控，无线通信协议，高速传 感器融合的算法等，此外，嵌入式智能，例如看门狗芯片，被用于产品性能退化评估 和监控。这些研究的目的是发展基于通用设备模型的网络化监控系统的基础知识和基 本方法。图1 3 是基于网络的远程监控模式示意图。这个领域的关键是g e m w o r k 开发工具的应用。g e m w o p , x 是开发网络化数据访问应用程序的有力工具。在这 个结构中，应用程序服务器与实时数据服务器通信获取数据，应用程序服务器通过通 用协议与任何关系数据库按1 ：3 交换数据。 3 ) 性能退化智能预测 对机械性能的评估需要各种传感和推理设备的集成。一般来说，机械的操作性 能可以分为四个状态：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，机械的性能变坏，但是不影响机械的整个工作状态。当机械性能变坏时， 在失效发生之前一般要经过一系列性能退化状态。因此，如果在性能退化状态能够检 测和度量，就能够采取有效的维护措施防止失效的发生。 实现设备和产品网络监测，取得设备和产品重要的状态数据之后，将它们存入 到数据库系统，然后根据由数据作出的性能阶段图，有效地实现对各种产品和设备的 性能进行智能预测，在故障发生的时候帮助技术人员采取相应的措施实现设备的快速 恢复。本领域的研究将基于片上系统技术( s o c ，s y s t e m o i l a - c h i p ) ，开发被称为数字 化设备医生的看门狗芯片，它用s o c 技术制造，实现片上诊断( p r o g n o s t i c s - 0 1 i - a - c h i p ) 功能。该芯片将设备性能评估分析软件和传感器、激励器、控制器和人机接口等集成 在一起，并作为一个现场预测模块嵌入到设备中去。另外，该设备还将通过连有电话 线的调制解调器上网以便技术人员可在任一个远程站点访问到被测产品或机器的运 行状况的信息。随着信息技术、通讯技术、数字信号处理技术和单片级系统技术的发 展，具有智能的看门狗芯片和服务工具将使制造商和客户能对产品的性能进行快速评 估。 4 ) 网络化协作诊断 这个领域的研究将会开发出一个网络化协作维护系统，此外分布式人工智能、 智能软件工具库、决策优化工具和平均性能退化预测方法也会研究。各种智能服务工 具，例如便携机上基于多媒体的智能服务工具，也会开发出来用于制造系统、生产机 械、医疗器械、办公室自动化设备、军用装备等等。如图1 4 所示，交互和协作工具 将会使得工程技术人员远程诊断更有效。 5 ) 自维护智能化设计方法 为提高系统的可靠性，必须考虑系统的自维护和自恢复功能。在各种情况下， 系统应该能够执行基本的功能而不管受损的性能，并且可以通知远方的服务器寻求技 术支持。在产品出现故障时，系统可以决定如何解决故障。这要求在设备的工作状况 恶化时，通知远程智能单元以获取维护服务支持：除此之外，需要开发知识密集型工 具来获得产品的工作状态和工作环境信息，以便在任何给定的时间内跟踪产品的行 为。看门狗作为机器的黑匣子，记录主要元件的工作状态信息。在机械出故障后，操 6 华中科技大学硕士学位论文 作人员可以通过访问黑匣子来获得机器在发生故障前最后一段时间内的工作状况信 息，从而帮助技术人员快速查找故障原因，让机械在较短的时间内恢复正常工作状态。 此外，关于机械性能的知识可以被学习和建模，这样机械的性能有可能不是随着 时间降级，而是用学习建模补偿的方式得以提高。要进行的研究活动包括基于图形 理论的设计，功能冗余和可组态设计，任务分配和分析，简化诊断算法，非完整信息 条件下的决策制定。 看门狗 诊断芯片 性能退化评估 协作化诊断平台 历史数据 性能退化的表现 人工智能 专家系统 神经网络 同类产品性能比较 弦一9 笥 虚拟到场z ：； 、 西乡 为实现实时精良的维护服务，需要好的决策工具来规划流经网络系统供给链的 资源。其中一个主要障碍是缺乏准确的软件建模、仿真、优化和规：e u - r 具来对智能维 护的服务供给链进行评估、执行和操作。现存的许多商业维护管理软件工具缺乏与生 产控制系统的有效集成，并且在管理维护供给和服务业方面也缺乏实用价值。一些著 名企业，如c a t e r p i l l a r ，s a b r e ，l o c k h e e dm a r t i n ，和联合技术公司，如o t i s ，c a r r i e r ， p r a t t & w h i t n e y ，他们的设备监测、零配件、服务维护、收益与资产等的管理软件既昂 贵又费时，而且不是全面的解决方案。这就更加表明了此技术的潜力和应用范围。这 些服务供给链的管理能力经常是有限的，并且滞后于市场，而且因其方案的片面性不 具备可移植性。因而，状态监测及诊断和健康预测系统很少能紧密的集成到服务供给 链。 如图1 5 所示，本领域的研究将开发用于建模、仿真、优化和规划应用软件的通 用技术以便对高性能的电子维护行业进行评估、设计和操作。这些关键和创造性的技 术组件包括：电子维护供给链管理员，一套为打算实现电子维护系统的企业伙伴提供 评估网络智能维护系统的建模和仿真工具：电子供给优化引擎，帮助企业伙伴实现电 子商务系统的平衡和优化，预测设备状态，减小维护供给链的成本和停产时间的损失； 电子维护自动供给和优化通过商务到设备技术( b 2 d ，b u s i n e s st od e v i c e ) 、商务到顾 华中科技大学硕士学位论文 客系统( b 2 c ，b u s i n e s st oc u s t o m e r ) 、商务到商业目标( b 2 b ，b u s i n e s s t ob u s i n e s s ) 的关键性的实现将会促成服务业的自动化( b 2 a ，b u s i n e s st oa m o m a t i o n ) 。 图1 5 电子商务自动化 从前面的叙述中不难看出，智能维护系统最基础的研究工作要集中在底层i p 传 感器的研制和开发，如图1 6 所示，因为这是整个系统中信息生成和信息流动的发源 地，i p 传感器用作前端智能y o 设备或接口设备。另外两个基本的研究工作是集中在 第二个层次硬件和软件平台的开发上：开发面向生产设备电子监控、电子维护和遥感 技术的网络化智能软件平台和开发工具；开发嵌入式看门狗算法和芯片以及i m e m e t 接口设备。有了基于网络的远程诊断平台，才可以实现网络化的协作诊断；再将性能 降级智能预测方法与产品和生产设备的自维护和自恢复方法等高层智能集成起来，这 就是智能维护的第三个层次。第四个层次是智能维护系统最终的商业目标实现物 流和电子商务的自动化。 1 4 本文的工作 设备智能维护系统是本文的技术背景。在其关键技术中，本文主要是针对串行 设备，研制了嵌入式工业设备网关，实现了基于i n t e r a c t 的远程监控，为进一步实现 串行设备的智能维护提供了一个有用的平台。本文第二章将首先明确研究对象一一串 行设备，通过对比传统的管理方式和基于i m e m e t 的设备网关技术，提出本文设计目 标一一嵌入式工业设备网关。第三章提出嵌入式工业设备网关总体设计方案，第四章 r 一 华中科技大学硕士学位论文 详细说明其软件设计过程，第五章则说明它在不同领域的应用情况。概括的讲，本文 工作主要有三点： 1 ) 根据嵌入式工业设备网关要实现的功能，提出其总体设计方案。 2 ) 在嵌入式工业设备网关硬件和软件设计时，由于本总体方案中硬件平台选 用了p c 1 0 4 ，因此只需选用标准的c p u 卡和扩展卡组合，然后委托设计、加工，所 以着墨不多。本文重点说明了串行设备网络管理软件的设计过程。 3 ) 按照网络控制系统的结构模式把嵌入式工业设备网关应用于具体的场合。 电子维护商务自动化 i 网络化! 自维护 l 协作诊断! 设计方法 ，- - - - - r - - - 一 基于网络的i 性能退化 远程诊断i 智能预测 ：看门狗 i p 传感器 图1 6 智能维护系统研究领域结构层次图 1 5 小结 智能维护系统给我们描绘的前景是美好的，其关键技术也是新颖的，并且能够 给传统的设计方法带来革新。智能维护系统的创新点主要体现在两个字一一“主动”： 变被动的检修为主动的维护；变消极的从被监控设备索取有限的数据信息为积极的取 得设备的状态信息，并作一系列数据分析处理；变依靠单薄的区域技术力量解决问题 为广泛获取社会智能解决问题。这一“主动”的必然结果是更加“自动”一一整个社 会的自动化程度的提高，因此智能维护系统的实现有着重要的意义。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 设备网关技术 网络技术日益广泛的应用使得对网络管理技术的研究也不断深入，各种硬件和 软件的网络管理工具层出不穷。设备和产品的智能维护系统因为对象的不同而功能和 结构各异，因此谈智能维护技术和系统只有和具体的应用对象相结合才有意义。在工 业应用领域大量使用和存在是串行设备，研究串行设备的智能维护技术不仅具有理论 上的普遍意义，也具有经济上的实用价值。 现今正在使用的很多设备都只支持串行管理，它们只提供了一个串行端口去连 接终端或者连接p c 以实现管理功能。在这种背景下工业串行设备将如何管理? 本章 从长期以来人们对串行设备的管理的历史出发，探讨自动化技术的进步和i n t e m e t 对 串行设备管理方式的影响，然后阐述本文中将要采用的设备网关技术( 也有的称为设 备服务器) 以及如何应用它实现网络环境下串行设备的管理。 2 1 传统的串行设备管理和维护方式 1 ) 基于串行通信的管理：非网络方式 网络管理技术的发展给网络管理人员无论是在硬件还是在软件方面都已经提供 了许多可供选择的管理工具，网络通讯也好像是p c 用户与生俱来的权利。人们也许 不会忘记许多年以来串行通讯( r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 ) - - 直是在设备之间传输数据的唯 一方式，而且在很多应用场合，串行i o 设备仍然是最好的或者唯一的解决方案。在 集成电路使得i n t e m e t 如此盛行之前，很多工业、医疗和监控等领域使用的都是串行 设备，例如终端服务器、打印服务器、条形码扫描仪等。这些设备提供一个串口与终 端或者p c 相连来实现串行管理，权且称之为“遗留设备”( l e g a c ye q u i p m e n t ) ，这 些遗留设备的数据管理能力远远低于目前的桌面p c s 。遗留设备通过这个接口直接连 接p c 或者连接“聋哑”终端( d u m b t e r m i n a l ) ，之所以是“聋哑”的，是因为这种终 端主要用于显示设备状态信息或者准许对设备设置信息进行访问。在一些应用场合， 由于遗留设备本身没有足够的带宽处理送往串口的数据，这个任务就只能由p c 来完 击了 一 ， “ l i i 副 厦受i眵 卜1 蕊o d e m 警m o d e m 龋离 m l 一一一j 曩墨- 一- 鬯，垡蓖- - 一- - - 一- _ 坠一一一二远距离 图2 1 对遗留设备的访问方式 造成这种局面的原因既有历史的又有技术发展方面的：从历史的角度看，i n t e m e t 的发展是一个涉及到很多协议规范和经由许多r f c 解释说明的漫长过程。一些厂家 认为i n t e r a c t 与他们以集中式计算机控制的目标是不相适应的，还有一些认为在他们 的产品上开发支持i n t e m e t 的接口而花费时间和精力是不明智的。从技术发展的角度 来看，很多网络基础设施是近来才建设起来的，也只有当如今人们感觉到网络是多么 1 0 华中科技大学硕士学位论文 的便利的时候，他们才会想起要在网络上控制以前的非网络设备。 在过去，对这些设备的管理，一般是通过增加外部设备，或者直接连接到串口 进行远程访问，就像图2 1 所示通过一根很长的r s 一2 3 2 电缆进行。更远一些的距离， 则用r s 一4 2 2 电缆，或者安装外部转换器或转接器。当然前提是被管理的设备本身要 支持这些标准。 2 ) 基于终端服务器的串行通信网络管理 在十九世纪八十年代和九十年代，当要访问多用户主机系统时，终端服务器成 了串行设备网络接入的一种流行方式，如图2 2 所示。在终端服务器的设计中，串行 设备连接到终端服务器的端口上。终端服务器除了自己管理应用协议，还有一些增强 功能：单端口的多连接支持，一上电自动完成到单系统的专用连接。t c p i p 是针对这 类设置的最好的协议，它使得在局域网络、i n t r a n e 们m e m e t 上的通信更为有效。终端 服务器、打印服务器和串行服务器自研制出来以后一直的任务就是把终端、打印机和 m o d e m 接入网络，使得它们成为网络化的设备。 终端服务器的主要功能是让终端用户访问网络设备。打印机、m o d e m 、转换器 和其他面向特定任务的设备都能够连接到服务器的端口，网络主机访问这些端口，对 被监控设备每隔一个时间间隔就轮询( p o l l ) 一次，查询如启动时的时间参数设置等 信息，检查从各串口收集来的性能参数。用户既可以简单的用i p 协议中的t c l n e t 来 管理连接，也可以用其他管理工具如s n m p 对远程设备端口的状态和设置信息作进一 步的管理。 图2 2 基于终端服务器的串行设备管理 2 2 基于in t e r n e t 的串行设备管理和维护 2 2 1 设备网关技术 传统上终端服务器和打印服务器都是体积很大的多串口设备，占用数据处理资 源多。但是市场要求远端的单个的设备必须是可以方便的接入网络，并且与被管理设 备紧凑地集成在一起。工业技术发展到i n t e m e t 时代，单串口设备在经济和技术上已 经是可行的了，这些小服务器价格低廉、性能优越、体积更小，并且能够提供远程连 接，它们正用于为诸如条形码扫描仪、工厂自动化设各、安全监控设备和医疗保健设 备等提供网络连接。单端1 3 设备网关使分离的单端1 3 串行设备的网络化过程可以以一 种非常廉价的方式进行。工业行业分析家把这种技术标识为设备网关技术或者设备服 务器技术( d e v i c es e r v e r t e e h n o l o g y ) 1 0 1 1 1 。 华中科技大学硕士学位论文 设备网关是为实现单一或者特定服务器功能的基于网络的专用硬件设备，其主 要特征有操作系统结构最大限度的简约，并且是不需要“每客户”许可协议( p e r s e a t l i c e n s e ) 的网络操作系统；设备网关还要能够提供独立于操作系统和专用协议的客户 访问能力。此外，设备网关是一个封闭的黑盒子，容易安装，维护方便，客户可以通 过浏览器远程管理。 网络管理人员只要把设备的串行端口和设备网关连接起来，就可以立即从网络 上访问这个设备，不需要敷设很长的电缆，也不需要专用m o d e m ，更不需要多路转接 器( m u l t i p l e x o r ) ，并且从i n t e r n e 仉n t r a n c t 或者校园网等任何地方都可以访问设备，这 样i n t e m e t 就被用作一根巨型虚拟串行电缆。 打印服务器，终端服务器，远程访问服务器和网络时间服务器都是设备网关应 用于特定领域的实例。每一种类型的服务器都有独特的硬件属性或者软件属性可设 置，以帮助它们实现更复杂的服务。设备网关使得任何带有一个串行通信口的设备都 能够接入网络，由于它有独立的操作系统、独立的协议，体积小，灵活性好，因此实 际上能够满足任何网络接入应用。近年来对设备网关的需求越来越多，是因为目前安 装的设备或者缺乏网络端口，或者需要专用的串行以便管理，而设备网关恰恰能够满 足这些设备网络接入的需求。设备网关如今在各个领域大量使用，解决了以前机械、 仪器、传感器和其他离散设备生成的数据不能够通过企业网访问的问题。设备网关也 用于安全系统，销售点设备，网络管理以及其它需要通过网络访问设备的环境。 1 2 1 4 1 。 串行设备 g 图2 3 应用设备网关技术管理串行设备 2 2 2 技术方案分析 设备网关技术提供了一个简易而经济的方法把串行设备接入网络：只要把设备 网关的串口和设备的串口连接，把设备网关的网络端口连上e