本專利屬于自動化控制技術領域，涉及一種起重機監控數據采集設備。

背景技術：

國務院于2010年7月出臺《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》(國發〔2010〕23號)。其中第九條要求“大型起重機械要安裝安全監控管理系統”對起重器械的安全監管提出了明確要求。2011年3月，為貫徹落實《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》要求，提高大型起重機械本質安全，預防和減少起重機械重特大事故發生，2011年3月25日，國家質檢總局和國家安全監管總局聯合印發《關于印發(大型起重機械安裝安全監控管理系統實施方案)的通知》(國質檢特聯〔2011〕137號)，對布署和開展大型起重機械安裝安全監控管理系統，進行了安排，明確了指導思想、工作目標、試點范圍，提出了強制要求，2013年，逐步在所有新制造的大型起重機械全部安裝安全監控管理系統，從2014年開始，在所有在用的大型起重機械上全部安裝安全監控管理系統，2015年底，尚未安裝安全監控管理系統的大型起重機械，將不予使用。起重機監控系統其實在港機或造船門機上早就有了廣泛的應用，但主要還是基于各大PLC廠商提供的HMI軟件實現，但在通用起重機，普通橋式起重機上應用還是很少，即使鋼廠的大型冶金起重機的應用也是較少。主要原因還是復雜程度叫港機和造船門機低，需求不是很強烈。但隨著國家的標準的出臺，在通用起重機、普通橋式起重機上、冶金起重機上也開始推廣起重機監控系統的應用。

國內也有不少廠商開始了起重機監控系統的研發工作，并有不少產品已經出臺了，并在小范圍開始推廣和使用。但是，這些廠商開發的軟件基本還是基于各大PLC廠商提供的OPC服務接口來使用。即使用純軟件手段來實現起重機監控系統與PLC之間的數據通訊。而在《GBT 28264-2012起重機械安全監控管理系統》中6.8.5條中明確指出“在運行周期內系統的采樣周期不應大于100ms”，由于PC操作系統的本身的特性原因，這種方式存在較大的滯后和存在周期不穩定的情況，所以在以純軟件手段下是無法保證長時間穩定可靠的以100ms為周期進行數據采集的。同時由于PC本身的不穩定和不確定的因素可能會出現數據阻塞、卡頓、宕機，甚至出現系統崩潰的情況，這時就無法保證監控數據的連續性了。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本專利提供一種有效地解決方案，實現起重機監控數據采集設備，用于起重機監控系統數據采集。本專利采用嵌入式控制系統，為獨立設備，提供可目前市場上應用最為廣泛的Profibus接口，可以與多種廠家的PLC進行通訊連接。具有高速數據采集功能，實現國家標準100ms每周期的數據采集。具有高速緩存功能可能緩存10分鐘原始數據，保證在網絡不穩定，上位機監控軟件出現阻塞、重啟的情況下原始數據不丟失。并且本身具有SD卡作為外置存儲器，可以保存不少于1周的原始數據。即使應為在無人監管的情況下，上位機出現宕機、崩潰的情況下也可以保證原始數據的連續性。這些措施在上位機得到恢復之后，可以由上位機進行再同步操作之后使監控系統的數據保持連續性，不丟失數據。

本專利解決其技術問題所采用的技術方案是：

在目前市場上主要的起重機監控系統中還是基于純軟件方式實現起重機數據的采集。其中80％的起重機監控系統是以PLC廠商提供的HMI軟件開發的。15％是以通用HMI軟件進行開發，另外5％是采用國內廠商新近開發的起重機監控系統軟件。不過還沒有1例采用軟件結合的方式開發起重機監控系統。這就導致因為PC系統的本身特性，而無法穩定可靠，長時間進行PLC數據的采集。即使采用了西門子的CP5612的數據通訊卡，無法滿足國家標準規定的不大于100ms每周期的采樣要求，因為西門子的上位機軟件只能組態最小250ms的采樣周期，并且在組態過多的循環采集變量時，系統的整體采樣周期將大幅度增加。

因為PC機的固有特性，其不適合做高速數據采集的工作。因為一個PC操作系統安裝完成之后，即使不運行任何軟件，其后臺也有近百個進程在運行，加上后臺的服務程序，足有近兩百個程序是必須運行的。即使采用工業專用計算機，也無法避免該情況。當安裝完應用軟件之后，尤其是大型HMI組態軟件、PLC編程軟件之后，系統整體進程在高峰值會達到近三百個，因為PC系統是采用時間片方式運行的，即CPU是平均分配每個進程的運行時間的，即使采用多核多線程的CPU，也是不能控制某個進程進行高速高優先級的運行。并且因為成本和數據容量的原因，只能采用大容量的機械硬盤作為存儲設備，而機械硬盤對震動非常敏感，而起重機在運行過程中震動又非常強烈，機械硬盤設計之初為了保證數據的可靠性，做了諸多防震措施，而這些防震措施都是以犧牲速度為代價的，這就導致，在起重機運行過程中，硬盤可能會出現卡頓的情況，而硬盤的卡頓將直接導致PC系統的響應遲緩，這就導致起重機監控系統軟件的數據采集周期被延長，變得不確定，甚至出現采集周期丟失的情況，所以起重機監控系統是無法在PC操作系統上實現高速、穩定、可靠的數據采集的。

本專利的基于嵌入式系統的純硬件的采集設備，解決了上述問題。

一種起重機監控數據采集設備，包括CPU、RS-232接口、USB接口、RS-485接口、RJ45接口、SD卡模塊、EEPROM模塊、RAM模塊、SPC3模塊、PHY模塊；RS-232接口、USB接口、SD卡模塊、EEPROM模塊、RAM模塊、SPC3模塊、PHY模塊均與CPU相連；RS-485接口與SPC3模塊相連；RJ45接口與PHY模塊相連。

RS232接口作為外部配置接口使用，連接PC機通過超級終端可以進行參數配置，同時作為通訊接口與某些PLC進行數據通訊。

USB接口作為連接PC機的端口，將SD卡映射為U盤，通過電腦將SD卡內的

數據導出進行備份；SD卡模塊作為后備存儲器，保存一周左右的PLC監控數據。

EEPROM模塊用來作為配置參數保存的存儲器。

存儲器擴展總線連接到外擴RAM和SPC3模塊；RAM模塊作為高速數據緩存

存儲器；這兩個模塊CPU將通過存儲器總線進行訪問；IIC總線連接到EEPROM模塊，CPU通過IIC總線訪問EEPROM模塊；SDIO總線連接到SD卡，CPU通過SDIO總線訪問SD卡；RMII接口連接到PHY模塊，CPU將通過RMII監控進行以太網通訊。SPC3模塊配合RS-485接口實現Profibus通訊，與所有支持Profibus主站模式的PLC進行數據交換；SPC3芯片是用于Profibus的智能子站接口芯片，自動識別9.6Kbps～12Mbps范圍內的波特率，工作溫度：-40～85℃，通過8位數據總線與CPU進行數據交換；利用CPU的存儲器擴展總線與該模塊進行通訊配合RS-485接口實現Profibus通訊。

PHY模塊和RJ45接口構成以太網通訊網絡，與支持以太網通訊的PLC進行數

據交換，同時也作為與上位機進行數據交換的手段。

該CPU內部具有存儲器擴展總線、IIC總線、SDIO總線、USB總線、RMII接口，內置RTC時鐘；外置高速時鐘進入CPU的高速時鐘接口，為CPU提供工作時鐘源；低速時鐘進入RTC回路，作為RTC工作的時鐘源。

其中，CPU采用嵌入式高速CPU，用來完成數據采集的統調工作，采用Profibus和以太網外設接口實現與PLC的數據通訊。目前市場上PLC的數據總線主要有兩大類，Profibus工業現場總線和以太網工業現場總線。這兩種總線占有市場70％以上的份額。采用這兩種接口可以實現與市場上絕大部分PLC之間的數據通訊。并且本專利還擴展了RS-232接口，在特殊情況下可以通過該接口實現與某些PLC的數據通訊。為了保證數據采集的連續性，外擴大容量RAM存儲器，用于緩存PLC的原始數據。以目前起重機主要的監控數據最大容量為基準，進行RAM容量選擇，可以至少保證10分鐘的數據緩存。這些的配置能夠保證PC監控系統出現短時間阻塞、卡頓、甚至重啟時，都能保證數據的連續性。為了避免更為極端的情況出現，即PC監控系統出現系統崩潰，需要重新安裝系統及監控軟件時，也能保證數據的連續性，本專利還擴展了外置大容量SD卡，可以保證至少1周的PLC原始數據的連續存儲。無論PC監控系統出現什么意外狀況，都能保證數據的連續性。

由于采用純硬件設備直接與PLC進行通訊的方式實現數據采集，CPU只需要完成數據采集、緩存、轉存、上位機通訊的工作，沒有不相干的任務占用CPU，并且嵌入式系統還可以設定任務的優先級，具有搶占式運行模式，可以保證數據采集的進程具有最高優先級，不會因為CPU要完成其他任務而被打斷或延遲，從而保證100ms每周期的數據采樣工作可以穩定可靠的進行。

由于本專利設備全部采用固態硬件實現，沒有機械運轉設備，所以在抗震性能上有這優異的表現，不會因為起重機的震動導致數據采集中斷、延遲等的問題發生。

為了保證本專利設備的通用性，該設備設置了多種運行參數，可以通過RS-232接口進行設置，從而滿足不同場合的下的運行需求，為了保證設定的參數可靠存儲，并且掉電不丟失，其擴展了EEPROM存儲器，用于保存設置參數。

本專利實現了起重機監控系統的數據高速穩定的采集，實現了國家標準要求的100ms每周期的數據采樣要求，并且因為擴展了緩存數據區和外接SD存儲卡是的監控數據可以連續進行存儲，不會因為PC系統的的原因而中斷。從而保證起重機監控系統在環境適應性、可靠性、穩定性方面都有了大幅度的提高，因此有效解決目前市場上的監控系統無法滿足100ms每周期的采樣要求和無法長時間穩定可靠的進行數據采集的這一難題。

附圖說明

圖1是本專利電氣系統圖。

圖2是本專利CPU結構圖。

圖3是本專利SPC3模塊結構圖。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本專利的具體實施例。

實施例：

圖1是本專利的電氣系統圖，采用意大利意法半導體工業級嵌入式CPU，型號為STM32F407，該CPU具有168MHz主頻，內置1MB的程序存儲器和192kB的RAM，具有最高210MIPS的運算速度，即每秒可以執行210兆條指令，具有穩定性高，工作溫度范圍高的優點。如圖1本專利采用該CPU作為核心處理器，外擴了RS232接口、USB接口、RS-485接口、RJ45接口、SD卡模塊、EEPROM模塊、RAM模塊、SPC3模塊、PHY模塊。RS232接口作為外部配置接口使用，連接PC機通過超級終端可以對本設備進行參數配置。同時在某些場合還可以作為通訊接口與某些PLC進行數據通訊。USB接口作為連接PC機的端口，可以將本設備的SD卡映射為U盤，可以通過電腦將SD卡內的數據導出進行備份。SD卡模塊作為本設備的后備存儲器，可以保存一周左右的PLC監控數據。EEPROM模塊用來作為配置參數保存的存儲器。RAM模塊作為高速數據緩存存儲器，由于CPU內置RAM較少，無法滿足高速緩存的需求，所以本專利外擴4MB字節的SRAM存儲器，用來作為PLC監控數據的高速緩存。SPC3模塊配合RS-485接口可以實現Profibus通訊，可以與所有支持Profibus主站模式的PLC進行數據交換。PHY模塊和RJ45接口構成以太網通訊網絡，可以與絕大多數的支持以太網通訊的PLC進行數據交換，同時也作為與上位機進行數據交換的手段。

圖2是本專利采用的CPU結構圖。該CPU內部具有存儲器擴展總線(Address Bus和Data Bus)、IIC總線、SDIO總線、USB總線、RMII接口，內置RTC時鐘。外置高速時鐘進入CPU的高速時鐘接口，為CPU提供工作時鐘源。低速時鐘進入RTC回路，作為RTC工作的時鐘源。

存儲器擴展總線連接到外擴RAM和SPC3模塊。這兩個模塊CPU將通過存儲器總線進行訪問。IIC總線連接到EEPROM模塊，CPU通過IIC總線訪問EEPROM模塊。SDIO總線連接到SD卡，CPU通過SDIO總線訪問SD卡。RMII接口連接到PHY模塊，CPU將通過RMII監控進行以太網通訊。

圖3是本專利采用的SPC3模塊的結構圖。SPC3芯片是西門子公司研發的用于Profibus的智能子站接口芯片，可以自動識別9.6Kbps～12Mbps范圍內的波特率，工作溫度：-40～85℃，通過8位數據總線與CPU進行數據交換。可以很方便設計智能子站設備。本專利利用CPU的存儲器擴展總線與該模塊進行通訊配合RS-485接口實現Profibus通訊。圖中XT1為本模塊的時鐘源，TXD、RTS、RXD連接到RS-485接口實現Profibus通訊。