一种基于物联网的工业现场智能监控终端

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一种基于物联网的工业现场智能监控终端\n技术领域\n[0001] 本发明涉及工业现场监控技术领域，特别涉及一种基于物联网的工业现场智能监控终端。\n背景技术\n[0002] 物联网是工业化和信息化融合发展的关键和基础，也是两化深度融合的“内动力”。当前越来越多的物联网技术深入应用到工业现场，用户可以通过互联网对工业现场进行监测，并可对工业设备和生产过程实施远程控制。这种物联网技术和工业现场监控技术中的融合应用，为实现工业能耗监控，保障工业设备和生产过程的安全运行提供一个便捷的技术手段。然而，就目前物联网技术在工业现场监控中的应用现状看，还只处于一个成长期，好多技术机制还需不断完善，比如在发明专利“应用于传统工业现场实时质量监控的数据采集器”（公布号CN103647801 A）和实用新型专利“工业现场的远程无人值守监控系统”（公告号CN202795027 U）的现有技术方案中，都涉及到了利用公共移动通信网络实现对工业现场的远程监控，但两个专利均未考虑如何运用技术手段，来解决在利用公共网络通信时所面临的严重安全问题，同时两个专利只是实现对工业现场的数据采集，没有对现场数据的综合运算分析及智能控制功能，所以，工业现场监控终端作为在物联网现场层的数据感知、采集、控制节点亟待建立如下机制：\n[0003] 1、安全保障机制。由于物联网的应用层对工业现场层的监控大都是通过互联网来实现，所以必须要建立传输数据的防盗取及系统的非法侵入防范机制，这样才能通过互联网进行安全可靠的信息交互和共享。这就要求监控终端必须要有可靠的数据加密和身份“防伪”机制，防止非法窃取数据及山寨的“伪节点”侵入网络，对物联网系统造成安全损害。\n[0004] 2、可靠传输机制。物联网在很多远程或者无人值守应用中都是靠公共移动通信网络进行数据传输，特别在工业现场中，电磁干扰很大，无线传输模块内的程序会异常跑飞或者死机，必须要有能有效解决无线传输模块发生异常情况时的应对技术机制，避免由于传输故障而直接影响到物联网系统的正常运行。\n[0005] 3、智能控制机制。在现有技术中，虽然可以做到通过物联网远程对位于现场层的监控终端实施“四遥”功能，但这毕竟还是一种人机互交过程，离不开人的参与，而且当危险情况发生时，人的判断和操作往往是滞后的，所以，监控终端建立智能控制机制十分必要。\n作为工业现场的监控装置，不但要对现场的电力参数、设备的运行状态及一些环境状态进行实时在线监测，而且还要对所监测的各种变量参数进行综合运算分析，并能自主实现智能控制，除了要能够通过互联网实现正常的“四遥”人机交互功能外，还要能够在工业现场出现紧急情况时，无需人工干预，监控终端自动发出保护联锁信号，对工业现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。\n发明内容\n[0006] 为了建立以上技术机制，本发明提供了一种基于物联网的工业现场智能监控终端，旨在解决物联网技术和工业现场监控技术融合应用过程中，工业现场智能监控终端作为在物联网现场层的感知节点亟待解决完善的安全保障、可靠传输、智能控制等问题，从而使基于物联网技术的工业现场智能监控技术方案能够更安全、更可靠、更实时、更智能。\n[0007] 本发明的技术方案如下：\n[0008] 一种基于物联网的工业现场智能监控终端，包括：中央处理单元、RS485通信模块、无线传输模块、显示单元、音频警示单元、工作电源，所述中央处理单元通过RS485通信模块实现工业现场层的RS485总线通信，所述的无线传输模块可以是现场层无线自组网模块，也可以是公共移动通信模块，所述中央处理单元通过无线传输模块实现工业现场层或工业现场层与物联网应用层之间的无线通信，其特征在于：还包括加密单元、可控DC-DC电源和采集控制单元，\n[0009] 所述中央处理单元通过加密单元获取接入无线通信网络应用平台所需的身份认证密钥文件，所述加密单元还用于对中央处理单元的无线通信数据进行加、解密处理，所述中央处理单元将重要数据通过加密单元的算法加密，保存在加密单元内。\n[0010] 所述可控DC-DC电源和工作电源并联，所述中央处理单元连接可控DC-DC电源的使能端，为无线传输模块提供开关可控的专用电源。\n[0011] 所述中央处理单元通过连接采集控制单元，采集电力参数和开关量输入状态，所述中央处理单元还可以通过工业现场层的RS485总线通信，采集其它监测参数，所述中央处理单元还可以通过现场层无线自组网模块构建的无线网络采集工业现场层的其它监测参数。\n[0012] 所述中央处理单元可以对采集的各种参数进行综合运算分析，并通过采集控制单元实施智能控制，当工业现场出现紧急情况时，在无需人工干预情况下，中央处理单元自动发出保护联锁信号，通过采集控制单元对工业现场进行保护。\n[0013] 所述加密单元包括加密芯片和通信接口电路，所述加密芯片是内置有加密算法的微处理器，所述加密芯片通过通信接口电路和中央处理单元连接。\n[0014] 所述采集控制单元包括交流采样电路、电能计量芯片、开关量输入电路和控制输出电路。\n[0015] 所述采集控制单元的开关量输入电路由光电隔离输入电路构成，所述的采集控制单元的控制输出电路由光电隔离输出电路及功率场效应晶体管驱动电路构成。\n[0016] 本发明和现有技术对比的有益效果：\n[0017] 1、安全，物联网是通过互联网实现物理世界与信息世界的联系，所以安全问题是物联网应用中的核心问题，和现有技术相比，本发明不管是监控终端进行现场层的无线自组网应用，还是通过公共移动通信网络层实现现场层和应用层之间的无线网络通信应用，智能监控终端的加密单元都会产生相对应的身份认证密钥文件，用于不同网络的联网身份认证，而且终端进行无线通信时，数据可以进行加密处理，重要数据通过算法加密，保存在加密单元内，大大提高了物联网应用的安全性。\n[0018] 2、可靠，物联网技术在工业现场应用时，由于环境的电磁干扰很大，所以不管是现场层的无线通信，还是现场层到应用层之间的无线通信，都会经常会遇到无线传输模块内的程序异常跑飞或者死机现象，这时往往靠中央处理单元对其进行软件复位已不起作用，必须对无线传输模块彻底断电，然后重新启动来有效解决这一技术问题，为此，本发明的中央处理单元通过可控DC-DC电源，为无线传输模块提供开关可控的专用电源，为这类故障提供了有效的技术解决方案，从而提高了终端数据传输的可靠性。\n[0019] 3、智能，对比现有技术方案中的“四遥”功能，本发明具有智能控制模式，不需要人工干预，可以避免人为误动作，本监控终端的输入/输出端由8路光电隔离输入电路和8路光电隔离输出电路构成，监控终端能对现场的电力参数、设备的运行状态及一些环境状态进行实时在线监测，自主对所监测的各种变量参数进行综合运算分析，并实施智能控制，当工业现场出现紧急情况时，无需人工干预，监控终端自动发出保护联锁信号，控制现场执行部件，对工业现场进行保护，大大提高了响应速度，有效避免事故扩大。\n[0020] 本发明建立在安全、可靠、智能机制上，将智能电网技术、物联网技术、智能控制技术进行有效集成创新，使一种基于物联网的工业现场智能监控终端集智能电表、物联网网关、PLC功能于一身，在功能强大的同时，可大大节省用户成本。\n附图说明\n[0021] 图1为一种基于物联网的工业现场智能监控终结构示意图；\n[0022] 图2为采集控制单元结构示意图；\n[0023] 图3为采集控制单元的1路开关量输入电路图；\n[0024] 图4为采集控制单元的1路控制输出电路图；\n[0025] 图5为中央处理单元和加密单元连接电路图；\n[0026] 图6为可控DC-DC电源电路图；\n[0027] 图7为实施例1的系统结构示意图；\n[0028] 图8为实施例2的系统结构示意图；\n[0029] 图9为实施例3的系统结构示意图；\n[0030] 图10为实施例4的系统结构示意图；\n[0031] 图11为实施例5的系统结构示意图；\n[0032] 图12为实施例6的系统结构示意图；\n[0033] 具体实施方式：\n[0034] 如图1所示，一种基于物联网的工业现场智能监控终端，包括：采集控制单元、中央处理单元、加密单元、RS485通信模块、无线传输模块、显示单元、音频警示电路、工作电源，可控DC-DC电源。\n[0035] 中央处理单元通过串口1和RS485通信模块连接，实现现场层内的RS485工业现场总线通信，中央处理单元通过串口2和无线传输模块连接，实现工业现场层内的无线自组网通信或现场层与应用层间的无线通信。\n[0036] 无线传输模块可以是现场层无线自组网模块，也可以是公共移动通信模块，现场层无线组网模块包括Zigbee、433MHz或Wifi无线模块，公共移动通信模块包括GPRS或3G无线模块。\n[0037] 如图2所示，采集控制单元包括交流采样电路、电能计量芯片、开关量输入电路和控制输出电路。交流采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，电压采样电路实现被测电压安全隔离采样，电流采样电路实现被测电流安全隔离采样，电压采样电路和电流采样电路和电能计量芯片连接，电能计量芯片为ATT7022E，实现各种电量的测量，电能计量芯片通过SPI总线和中央处理单元连接，中央处理单元除了读取三相电的电压、电流、频率、电能、漏电流等基本指标外，还通过读取电能计量芯片的实时采样数据完成三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、电压、电流的总谐波畸变率、各次谐波含有率、幅值、有功、无功等高级指标监测。\n[0038] 如图3所示，采集控制单元的开关量输入电路由8路光电隔离器EL357N组成的开关量隔离输入电路构成，实现设备的运行状态及一些环境状态开关量的隔离输入。\n[0039] 如图4所示，采集控制单元的控制输出电路包括8路光电隔离器EL357N组成的开关量隔离输出电路及N-MOSFET功率场效应管IRF530N组成的大电流开关驱动电路构成，实现对现场执行部件的驱动。\n[0040] 中央处理单元通过采集控制单元对现场的电力参数、设备的运行状态及一些环境状态进行实时在线监测，对所监测的各种变量参数进行综合运算分析，并能通过采集控制单元自主实现智能控制。当监测的参数出现突变时，无需人工干预，中央处理单元自动发出保护联锁信号，控制现场执行部件，对工业现场进行保护。\n[0041] 所述加密单元包括加密芯片和通信接口电路，所述加密芯片采用安全等级为EAL5+的32位CPU智能卡芯片，内置有32位加密系统和用户数据存储区，如图5所示，为中央处理单元和加密单元连接的电路图，中央处理单元的P140口和加密单元的时钟CLK口连接，中央处理单元的P22口和加密单元的数据输入输出I/O口连接，中央处理单元的P24口和加密单元的复位RST口连接，中央处理单元通过加密单元获取接入无线通信网络应用平台所需的身份认证密钥文件，防范非法用户通过无线通信网络侵入系统；所述加密单元还用于对中央处理单元的无线通信数据进行加、解密处理，防范系统通过无线网络通信时数据被盗取，同时中央处理单元将重要数据通过加密芯片的算法加密，保存在加密单元内。\n[0042] 显示单元由LED显示电路构成，对8路输入状态、8路输出状态进行显示，并有电源指示灯、运行指示灯、及能量脉冲指示灯，音频警示电路用于终端运行时对发生的各种故障现象进行报警提示。\n[0043] 智能监控终端有两个电源，一个是为采集控制单元、中央处理单元、加密单元、RS485通信模块、显示单元、音频警示电路提供电源的工作电源，另一个是可控DC-DC电源，可控DC-DC电源和工作电源并联。\n[0044] 如图6所示，可控DC-DC电源由光电耦合器K11-EL357N、降压开关型集成稳压芯片U4-LM2596及分立元件构成，中央处理单元的P41口通过电阻R4和光电耦合器K11-EL357N的输入端相连，光电耦合器K11-EL357N的C、E输出端分别和R1、R2连接,构成分压电路，K11-EL357N的输出端E和U4-LM2596的使能端EN连接，当P41口高低电平转变时，可控DC-DC电源关闭或开启，为无线传输模块提供开关可控的专用电源，当中央处理单元监测到无线传输模块内的程序异常跑飞或者死机时，中央处理单元控制可控DC-DC电源对无线传输模块彻底断电，然后重新启动来有效解决这一技术问题。\n[0045] 下面是一种基于物联网的工业现场智能监控终端的几个代表性的实施例，但本发明不局限于以下的实施例，凡采用同等替换形式的技术方案，均在本发明要求的保护范围。\n[0046] 实施例1\n[0047] 如图7所示，在本实施例技术方案中，位于工业现场层的下位机A是一种基于物联网的工业现场智能监控终端。其通过RS485总线实现和上位机的工业现场总线通信，上位机可以是触摸屏或装有组态软件的计算机，下位机A的无线传输模块选取GPRS无线模块或3G无线模块，通过公共移动通信网络层还同时实现工业现场层和应用层之间的通信应用。\n[0048] 本实施例中，位于工业现场层的下位机A通过公共移动通信网络层进行应用平台的身份认证，下位机A的加密单元产生和应用平台身份认证所需的密钥文件，防范非法用户通过公共移动通信网络侵入应用平台，下位机A成功连接应用平台后，下位机A通过采集控制单元对现场的电力参数、设备的运行状态及一些环境状态进行实时在线监测和综合运算分析，并能通过采集控制单元自主实现智能控制。当工业用电设备和生产过程出现紧急情况时，下位机A的中央处理单元会自动发出保护联锁信号，通过采集控制单元的控制输出电路控制现场执行部件，现场层上位机通过RS485工业现场总线通信，做到对下位机A的实时现场监控，下位机A还会将监测数据通过公共移动通信网络层实时发送给应用平台，下位机A的加密单元对数据加密处理，防范系统通过公共移动网络通信时数据被盗取，应用平台可以对下位机A进行无线远程实时监控。\n[0049] 实施例2\n[0050] 如图8所示，在本实施例技术方案中，位于工业现场层的上位机A是一种基于物联网的工业现场智能监控终端。其通过RS485总线实现和下位机的RS485工业现场总线通信，下位机可以是温度检测模块B，也可以是具有RS485通信协议的其它监测模块C，上位机A的无线传输模块选取GPRS无线模块或3G无线模块，上位机A内的加密单元产生和应用平台通信所需的身份认证密钥文件，加密单元还用于对通信数据加密处理，位于工业现场层的上位机A通过公共移动通信网络层成功连接应用平台后，上位机A一方面通过自身的采集控制单元实时采集电力参数和外界的开关量输入状态，同时，还通过RS485工业现场总线通信实时采集下位机B和下位机C的监测数据，对所有监测的各种变量参数进行综合运算分析，并能通过采集控制单元自主实现智能控制。当工业用电设备和生产过程出现紧急情况时，上位机A的中央处理单元会自动发出保护联锁信号，通过采集控制单元的控制输出电路控制现场执行部件。同时上位机A会将加密后的监测数据通过公共移动网络层实时发送给应用平台，应用平台可以对上位机A进行无线远程实时监控。\n[0051] 实施例3\n[0052] 如图9所示，在本实施例技术方案中，位于工业现场层的下位机A是一种基于物联网的工业现场智能监控终端。其通过RS485总线实现和上位机的RS485工业现场总线通信，上位机可以是触摸屏或装有组态软件的计算机，下位机A的无线传输模块选择现场层Zigbee无线自组网模块，以实现和下位机B和下位机C的工业现场层内的无线自组网通信，下位机B可以是无线温度检测模块，下位机C也可以是其它无线参数监测模块。下位机A一方面通过自身的采集控制单元实时采集电力参数和外界的开关量输入状态，同时，还通过工业现场层内的无线自组网通信网络，定时采集下位机B和下位机C发送的监测数据，并对所有监测的各种变量参数进行综合运算分析，通过采集控制单元自主实现智能控制。当工业用电设备和生产过程出现紧急情况时，下位机A的中央处理单元会自动发出保护联锁信号，通过采集控制单元的控制输出电路控制现场执行部件。工业现场层上位机通过RS485工业现场总线可以实时监控下位机A，并通过下位机A获取无线下位机B和C的监测数据。\n[0053] 实施例4\n[0054] 如图10所示，在本实施例技术方案中，位于工业现场层的上位机A是一种基于物联网的工业现场智能监控终端。其通过RS485总线实现和下位机的RS485工业现场总线通信，下位机可以是温度检测模块B，也可以是具有RS485通信协议的其它监测模块C，上位机A的无线传输模块选择现场层Wifi无线组网模块，上位机A内的加密单元产生和Wifi网络应用平台通信所需的身份认证密钥文件，加密单元还用于对通信数据加密处理，位于工业现场层的上位机A通过现场层Wifi通信网络层成功连接应用平台后，上位机A一方面通过自身的采集控制单元实时采集电力参数和外界的开关量输入状态，同时，还通过RS485工业现场总线通信实时采集下位机B和下位机C的监测数据，并对所有监测的各种变量参数进行综合运算分析，通过采集控制单元自主实现智能控制。当工业用电设备和生产过程出现紧急情况时，上位机A的中央处理单元会自动发出保护联锁信号，通过采集控制单元的控制输出电路控制现场执行部件。同时上位机A会将加密后的监测数据实时发送给现场层应用平台，应用平台可以对上位机A进行无线实时监控。\n[0055] 实施例5\n[0056] 如图11所示，在本实施例技术方案中，位于工业现场层的终端A是一种基于物联网的工业现场智能监控终端。其无线传输模块选择GPRS无线模块或3G无线模块，终端A内的加密单元产生和应用平台通信所需的身份认证密钥文件，加密单元还用于对通信数据加密处理，位于工业现场层的终端A通过公共移动通信网络层成功连接应用平台后，终端A通过采集控制单元实时采集电力参数和外界的开关量输入状态，对监测的各种变量参数进行综合运算分析，通过采集控制单元自主实现智能控制。当工业用电设备和生产过程出现紧急情况时，终端A的中央处理单元会自动发出保护联锁信号，通过采集控制单元的控制输出电路控制现场执行部件。终端A还会将加密后的监测数据定时发送给应用平台，应用平台可以对终端A进行无线远程实时监控。\n[0057] 实施例6\n[0058] 如图12所示，在本实施例技术方案中，位于工业现场层的终端A一种基于物联网的工业现场智能监控终端，其无线传输模块选择现场层Wifi无线组网模块，终端A内的加密单元产生和现场层Wifi网络应用平台通信所需的身份认证密钥文件，加密单元还用于对通信数据加密处理，位于工业现场层的终端A成功连接应用平台后，终端A通过采集控制单元实时采集电力参数和外界的开关量输入状态，对监测的各种变量参数进行综合运算分析，通过采集控制单元自主实现智能控制。当工业用电设备和生产过程出现紧急情况时，终端A的中央处理单元会自动发出保护联锁信号，通过采集控制单元的控制输出电路控制现场执行部件。终端A还会将加密后的监测数据实时发送给应用平台，应用平台可以对终端A进行工业现场层的无线实时监控。