一种灌装生产线的远程数据采集与实时分析系统

摘要

本发明提供一种灌装生产线的远程数据采集与实时分析系统，属于数据采集系统技术领域，其包括灌装生产线数据采集端、云服务器端和远程应用端，灌装生产线数据采集端以MCU模块为控制中心，工作气压监测模块、检漏池水浴温度检测模块和原料液面高度检测模块通过模数转换模块后连接到MCU模块，通信模块、工作气缸位置监测模块、传送带电机工况检测模块、灌装液体流量检测模块和称重检测模块均分别直接连接到MCU模块；云服务器端包括数据存储模块和消息中转模块。本发明通过对灌装生产线的各个工作环节进行数据采集，全面实时地监测灌装的生产过程，进行在线的SPC分析和故障诊断，有利于提高产品的合格率和质量，节省维修成本。

说明书

技术领域

本发明属于数据采集系统技术领域，具体涉及一种灌装生产线的远程数据集与实时分析系统。

背景技术

在工业领域，为了便于我们能够实时了解相关设备的工作状况和当前的生产状况，提高生产的效率和产品的质量，实现稳定生产，数据采集已经被广泛应用。

现有技术中，灌装生产线上的数据采集往往需要现场工程师参与，部分数据仍然需要依靠人工记录的方式来实现，这样不仅效率低下而且采集出来的数据准确性差，共享性低，往往不能被很好的利用；另一方面，随着互联网技术的发展和现代企业自动化程度的不断提高，局限于本地的数据采集已经不能满足需求，采集的数据需要有更好实时性和共享性，这样才能及时调整生产，充分发挥数据分析的价值。

发明内容

发明目的：为了解决现有灌装生产线上数据采集系统的不足，本发明的目的在于提供一种灌装生产线的远程数据采集与实时分析系统，该系统对灌装生产线的各个工作环节进行数据采集，可以在远程全面实时地监测灌装生产线上的生产过程，了解灌装设备的运行状况和实际的生产状况，同时系统还可以对灌装产品的质量进行在线的SPC分析，各远程应用端之间可进行在线的故障诊断，解决了数据实时性和共享性差的问题，有利于提高产品合格率和产品质量，节省故障诊断成本。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种灌装生产线的远程数据采集与实时分析系统，其包括灌装生产线数据采集端、云服务器端和远程应用端，所述的灌装生产线数据采集端、云服务器端和远程应用端之间通过以太网通讯传输数据；所述的灌装生产线数据采集端包括MCU模块、通讯模块、模数转换模块、灌装工作气压监测模块、工作气缸位置监测模块、检漏池水浴温度检测模块、原料液面高度检测模块、传送带电机工况检测模块、灌装液体流量检测模块和称重检测模块，所述的灌装生产线数据采集端以MCU模块为控制中心，工作气压监测模块、检漏池水浴温度检测模块和原料液面高度检测模块通过模数转换模块后连接到MCU模块，所述的通讯模块、工作气缸位置监测模块、传送带电机工况检测模块、灌装液体流量检测模块和称重检测模块均分别直接连接到MCU模块；所述的云服务器端包括数据存储模块和消息中转模块；所述远程应用端包括实时监测模块、产品质量SPC分析模块以及在线故障诊断模块。

所述灌装生产线数据采集端采用模块化设计，其中，MCU模块，包括ARM最小系统、稳压供电电路、下载复位电路、各种传感器及外设接口；通讯模块，包括Wifi通讯模块、蓝牙通讯模块以及以太网通讯接口；模数转换模块，包括多路24位精密数模转换处理芯片及外围电路；灌装工作气压监测模块，包括压力传感器、压力变送器以及导气管；工作气缸位置监测模块，包括激光传感器及位置固定支架；检漏池水域温度检测模块，包括电偶式温度传感器、温度变送器以及连接固定螺母；原料液面高度检测模块，包括液面高度检测传感器及固定底座；传送带电机工况检测模块，包括霍尔传感器、贴片温度传感器以及位置固定支架；灌装液体流量检测模块，包括霍尔流量计(脉冲流量传感器)、导通管以及管古转接头；称重检测模块，包括称重传感器、称重传感器变送器以及分选计数装置。

所述的数据存储模块利用云数据库存储灌装产线采集到的各种数据以供远程应用端使用，消息中转模块用作消息中转站，为在线故障诊断提供服务，使得各远程应用端之间能够相互传递信息，相互发送文件，进行即时的交流。

所述的实时监测模块，用于实时显示灌装生产线上相关设备的运行状况和工作参数，包括气缸和压缩机的实时工作气压，检漏池水浴的实时温度、伸缩气缸的实时位置、最近一次灌装液体和气体的时间、原料液面的实时高度、传送带电机的实时转速和表面温度和最近一次产品的称重情况；实时监测模块生成一段时间内这些数据量的动态变化趋势图，以便工程师实时了解灌装生产线的状况；

所述的产品质量SPC分析模块，用于对灌装产品的质量进行分析，根据云端数据计算得产品的皮重、净重、皮重均值和净重均值，实时更新一段时间内净重的直方图、单值移动极差图或均值极差图并计算过程能力指数，采用数学模型建立回归分析并生成分析报告；灌装现场根据报告预估当前的产量和合格率，调整灌装生产线上的各工作参数，提高生产效率和质量，保证稳定生产。

在线故障诊断模块，用于各远程应用端之间的在线交流，在灌装生产线出现故障时，远程的工程师们根据出现的问题结合采集的数据在远程应用端进行在线的故障诊断，从而避免了工程师一定要亲自到现场的查看检修麻烦，极大的减少了维修的成本。

所述灌装生产线数据采集端是独立于灌装生产线的PLC控制系统，根据灌装产线的长度采集端可采用多MCU同时工作；灌装生产线数据采集端以ARM处理器为控制中心且采用模块化设计，具有体积小，成本低，安装便捷，可移植性强等优点；所述的MCU模块以ARM最小系统为核心，并且搭载稳压电路、复位电路、下载电路及用于连接各个传感器的接口；所述的ARM处理器选用STM32F103ZET6芯片，编程时搭载μC/OS-II实时多任务操作系统，将各个检测模块的数据采集分任务调度，提高了采集的效率，保证了数据的实时性。

所述MCU模块通过本机计算机向云服务器端上传的各种类型的数据按照统一的编码方式进行打包，数据包以KS为数据头，JS为数据尾，每一种类型的数据以自己的英文名字缩写开头，以“/”结束，有利于数据的解析、存储和使用。

所述的通讯模块有Wifi通信、蓝牙通信和以太网通信3种方式，根据灌装现场的网络环境和通讯条件选择合适的通讯方式，实现本地的数据传输，具有通用性强的特点。

所述的Wifi通讯芯片选用ESP8266，蓝牙通讯芯片选用HC-05，以太网控制芯片选用DM9000AEP，模数转换模块的芯片采用16位精度的ADS1115，温度传感器选用3线制PT100，称重传感器型号选用西门子WL260SP-S AA，称重传感器变送器芯片型号为HX711。

所述远程应用端采用.NET框架搭建，利用ZedGraph控件绘制各种数据分析图，清晰直观，便于观察。

所述在线故障诊断模块基于TCP/IP网络通信协议，远程应用端之间采用Socket通信机制，结合云服务器端的消息中转模块实现多个远程应用端之间的消息相互传递、文件共享，实时性强，安全性高。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种灌装生产线的远程数据采集与实时分析系统，具备以下优势：

1)本系统完全独立于灌装生产线的控制系统，以ARM为控制器，通过压力、温度、激光等传感器对灌装过程的各个环节进行数据采集，完全不影响灌装生产；数据采集端采用模块化设计，体积小、拆装方便，有良好的可移植性；

2)本系统不仅局限于本地的数据采集，数据采集端将采集到的各种数据传送到云服务器端后，远程端登录后可以实时地监测灌装过程中设备的运行状况和产品的生产状况；

3)本系统可根据采集到的数据计算产品质量的皮重、净重、平均皮重、平均净重、合格率等，绘制直方图、极差图，计算灌装生产线的过程能力指数并生成分析报告，根据分析结果及时调整能够稳定生产，提高产品的质量和合格率；

4)本系统的各个远程分析端间能够进行在线交流，根据采集到的数据和分析报告进行故障诊断，极大的减少了灌装产线故障时的维修成本；

5)本系统自定义数据的编码规则，通过本地计算机将采集到的数据实时传送到云端，使得数据具有良好的实时性、共享性和安全性。

附图说明

图1是远程数据采集与实时分析系统的整体结构示意图；

图2是系统灌装生产线数据采集端MCU模块的整体框图；

图3是系统基于WiFi模块的数据采集端本地通讯示意图；

图4是系统灌装生产线进行数据采集的主要流程图；

图5是系统远程应用端工作的主要流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种灌装生产线的远程数据采集与实时分析系统，包括灌装生产线数据采集端1、云服务器端2和远程应用端3，灌装生产线数据采集端1、云服务器端2和远程应用端3之间通过以太网通讯传输数据，具有很强的实时性。其中，灌装生产线数据采集端1包括MCU模块10、通讯模块11、模数转换模块12、工作气压监测模块13、工作气缸位置监测模块14、检漏池水浴温度检测模块15、原料液面高度检测模块16、传送带电机工况检测模块17、灌装液体流量检测模块18和称重检测模块19；云服务器端2包括数据存储模块21和消息中转模块22；远程应用端包括实时监测模块31、产品质量SPC分析模块32及在线故障诊断模块33。

灌装生产线数据采集端1以MCU模块10为控制中心，工作气压监测模块13、检漏池水浴温度检测模块15和原料液面高度检测模块16通过模数转换模块12与MCU模块10相连，通讯模块11、工作气缸位置监测模块14、传送带电机工况检测模块17、灌装液体流量检测模块18和称重检测模块19均直接连接到MCU模块10。通讯模块11利用配备的蓝牙接口、Wifi模块接口和以太网接口实现MCU模块10和本地计算机之间的通信，帮助MCU将各个检测模块采集到的数据传送给本地计算机。根据灌装现场的通讯条件和网络环境，通讯模块11提供了多种通讯模式或接口选择，使得本发明系统具有很强的适用性。

工作气压监测模块13利用压力传感器分别检测工作气缸和压缩机的工作气压，检漏池水浴温度检测模块15利用热电偶式温度传感器检测检漏池的水浴温度，原料液面高度检测模块16通过压力传感器计算原料桶底和大气气压之间的压力差来检测桶内液体的液面高度，这三个传感器的输出信号分别连接至变送器(压力变送器、温度变送器)即可输出0-5V的模拟信号，然后再经过模数转换模块12即可将模拟信号转成数字信号传送给MCU模块10。

工作气缸位置监测模块14利用激光传感器检测伸缩气缸的当前位置，当气缸运动到规定位置时就能够触发激光传感器，改变ARM处理器上IO口的输入状态；与此同时，ARM处理器根据气缸伸缩的时间间隔，能够准确计量出每一次气体和液体的灌装时间。

传送带电机工况检测模块17利用霍尔传感器检测传送带电机的运转情况，测得电机的实时转速和启停次数，与此同时运用贴片温度传感器检测电机的表面温度，传送给MCU模块10。

灌装液体流量检测模块18利用霍尔流量计(脉冲流量传感器)检测每次灌装液体的实际流量，进液量越大，传感器输出相应的脉冲信号越多，MCU模块10根据在一次灌液过程中捕获到的脉冲信号数量可计算出实际流量。

称重检测模块19利用称重传感器检测每一瓶产品的皮量和毛重，经过称重传感器变送器将数据传送给MCU模块10，MCU模块10根据所得数据就可以计算出该产品的净重。本系统所用的称重传感器型号为WL260SP-S AA，称重传感器变送器芯片型号为HX711。

如图2所示，MCU模块10采用ARM处理器，具有稳压供电电路、复位电路、下载电路，RS232/485接口、Wifi模块通讯接口、以太网接口、蓝牙通讯接口和用于连接各个检测传感器的IO口。本系统所用ARM处理器为STM32F03ZET6，编程时搭载了μC/OS-II实时多任务操作系统，将各个检测模块的数据采集分任务调度，提高了采集的效率，保证了数据的实时性。

本发明系统数据采集现场的本地通信有Wifi通信、蓝牙通信、以太网通信3种方式可以选择，可以根据罐装现场的网络环境选择合适的通信方式。MCU模块10将各个检测模块采集到的数据通过通信模块传送到本地计算机，再由本地计算机上传到云服务器。

下面以Wifi通信方式为例进行说明，如图3所示，通过在MCU模块10上搭载Wifi模块就可以使得各个MCU模块10连接到本地的路由器，将本地计算机和路由器连接就能在灌装现场构成一个小型的本地局域网，使得MCU模块10能够发送数据给本地计算机了。本发明系统所用的WiFi模块型号为ESP8266。

此外，根据灌装现场的通讯条件，还可以选择蓝牙通讯或者以太网通讯的方式，在MCU模块10上也留有相应的接口，蓝牙通讯芯片选用HC-05，以太网控制芯片选用DM9000AEP。

一种灌装生产线的远程数据采集与实时分析系统的具体工作流程如下：

如图4所示，灌装现场的本地计算机通过通讯模块11发布数据采集的相关指令给MCU模块10，MCU模块10接受到指令后进行解析，然后根据指令要求开启相应检测模块的传感器，开始采集数据。各检测模块采集到的数据返回给MCU模块10，MCU模块10按一定格式进行数据打包后将其上传到本地计算机，本地的计算机接受到数据后直接上传到云服务器端2。

如图5所示，远程应用端3需要获得授权，成功登录后才能向云服务器端2发布数据请求指令，云服务器端2在接受数据请求指令后进行解析并返回相应的数据，远程的客户端接受到数据后进行数据解析，然后根据所得数据进行在线的SPC分析。

云服务器端2和远程应用端3之间的数据传输基于Web service技术，云服务器端2提供相应的数据请求服务以供远程应用端3使用，避免了复杂的协议转换，具有分布式应用的优点。

远程应用端3采用.NET框架搭建，利用ZedGraph控件绘制各种数据分析图，清晰直观，便于观察，在线故障诊断模块基于TCP/IP网络通信协议，远程应用端3之间采用Socket通信机制，结合云服务器端2的消息中转模块实现多个远程应用端之间的消息相互传递、文件共享，实时性强，安全性高。

为了便于数据传输，MCU模块10将各检测模块采集到的数据按照如下格式进行打包，数据包以KS为数据头，JS为数据尾，每一种类型的数据以自己的英文名字缩写开头，以“/”结束。如下表1所示：

表1各检测模块采集到的数据数据包格式

本系统所采集的数据有(括号内为英文名字和单位):气缸工作气压(Pressure ofWorking,kPa)、压缩机工作气压(Pressure of Compressor,kPa)、检漏池水浴温度(Temperature,℃)、伸缩气缸位置(Location,Up/Middle/Down)、灌装液体时间(Time ofLiquid,s)、灌装气体时间(Time of Gas,s)、原料液面高度(Height,m)、传送带电机工况(Motor temperature，℃；Motor Speed,m/s)、重量(Empty Weight,g；Net weight,g)，其格式如下表2所示：

表2采集的数据类型及格式