一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，包括了数据采集传输软系统、MTConnect adapter与Agent，以及MTConnect客户端。所述数据采集传输系统包括了数据采集模块以及数据传输模块，数据采集模块用来采集设备加工过程中的电流、电压以及能耗数据；数据传输模块利用了ARM处理芯片实现采集处理的数据传输，通过ATK模块基于TCP/IP协议实现数据与上位机的无线通讯方式。上位机则是基于MTConnect协议建立Adapter标准化数据并集成于Agent中，并向外界提供了统一的数据集成标准，客户端用于向Agent发出请求获得数据，并进行可视化显示。基于MTConnect标准协议实现了对多个设备能耗监测的组网应用功能，对车间设备工作状态监测、任务调度、节能减耗以及装备的智能化升级具有重要工程价值和巨大应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统
本专利技术涉及车间设备能耗数据采集处理装置，具体是一种基于MTConnect协议与多传感器融合的能耗数据采集处理装置，属于数控加工领域。
技术介绍
机床能耗数据作为数控装备的一个重要数据，可以用来对机床运行状态进行分析与诊断，为保障车间设备管理、提高加工效率和设备利用率、实现对多台设备的监测任务等提供有效的支撑保障。与此同时，数控机床行业缺乏统一数据集成标准，不同设备厂商存在设备间数据通信不兼容问题，从而造成了传统的数控设备监测系统更多关注单个数控设备加工过程中的运行状态，难以实现多台设备组网监控。因此，基于统一的数据集成标准对获取数控设备加工现场的能耗数据进行采集，并实现多台设备的组网应用，具有很高的工程应用价值。为了解决通信标准不统一的问题，美国制造技术协会提出了MTConnect通讯标准协议。MTConnect允许不同来源的数据间实现交流识别，并且通过互联网技术可以实现对车间不同设备工作数据的采集管理。由于其具有开放、免版税等特点，使其独到的优势，在推出之后受到了众多知名数控厂商的推崇，并在其新生产的设备中采纳了MTConnect通讯标准。MTConnect标准并没有推翻已有的互联网通讯标准，而是在已有的网络技术(HTTP，XML)上建立一套适用于不同结构设备通讯的协议。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题，提出一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，能够实时获取数控设备制造加工过程中电流、电压、功率和能耗信息，可以应用到车间管理系统中，实现对车间设备的工作状态的监测并进行任务调度，并可为后续智能制造升级提供数据获取支持，具有重要的工程价值和广泛的应用前景。本专利技术基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，包括由数据采集传输模块构成的下位机，以及由MTConnect适配器、MTConnect代理与MTConnect客户端构成的上位机。数据采集模块用来采集数控设备加工过程中的电流、电压以及能耗数据；数据传输模块利用微控制芯片，实现电压、电流、功率和能耗等数据的传输，并通过无线传输模块以无线的方式，将数据传输到上位机。上位机中，建立MTConnect适配器将数据标准化，并将MTConnect适配器集成于MTConnect代理中，通过MTConnect代理进行数据缓存，向外界提供统一的数据接口；MTConnect客户端通过访问接口向MTConnect代理发送HTTP请求，以便获得采集数据，实现对数据的访问及可视化显示。本专利技术的优点在于：1、本专利技术基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，基于MTConnect协议，能够实时获取数控设备制造加工过程中电流、电压、功率和能耗信息，且实现了对多个设备能耗监测的组网应用功能，对车间设备工作状态监测、任务调度、节能减耗以及装备的智能化升级具有重要的工程价值和巨大的应用前景。2、本专利技术基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，基于TCP/IP协议完成了数据采集传输模块与上位机之间的通信，上位机可以与多个数据采集传输模块连接，从而实现对多台设备的能耗监测，完成组网应用的功能。3、本专利技术基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，由于被测设备不提供MTConnect标准的数据，因此需要在上位机建立MTConnectAdapter，并将其集成与MTConnectAgent中，由MTConnectAgent向外界提供统一的数据接口，使基于Windows和Android系统的客户端，通过对HTTP进行数据访问就可以实现对该数据的可视化显示。附图说明图1为本专利技术基于MTConnect协议的能耗数据采集系统整体设计方案示意图；图2为本专利技术基于MTConnect协议的能耗数据采集系统中MTConnect标准的XML信息建模图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，按照数据流动的方式进行整体设计，包括由数据采集传输模块构成的下位机，以及由MTConnect适配器(MTConnectadapter)与MTConnect代理(MTConnectAgent)与MTConnect客户端构成的上位机，如图1所示。所述数据采集传输模块包括数据采集模块与数据传输模块。其中，数据采集模块用来采集数控设备加工过程中的电流、电压以及能耗数据。数据采集模块的硬件包括电压传感器和电流传感器，以及三相电能计量芯片。其中，电压与电流传感器将获得数控设备的采集数据经过模数转化后，通过RS-232串口线输入到电能计量芯片的输入端，由电能计量芯片实现对数控设备的功率和能耗数据的实时测量。本专利技术中，为了满足电压传感器与电流传感器对被采集数控设备电压、电流的测量范围，数据采集模块选用的电压传感器型号为TV31B02、电流传感器型号为TA32B11实现对电压与电流的采样后，利用ATT7022三相电能计量芯片将电压与电流的采样值进行分析处理，计算数控设备有功功率P为：其中，N表示采样次数；U(n)表示电压有效值；I(n)表示电流的有效值；n表示第n次计算得到的有效值。本专利技术中三相电能计量芯片采用二表法接线的方式，则可由二表法计算出数控设备对应的功率：其中，UAB(n)表示AB相电压的有效值；IA(n)表示A相线电流的有效值；n表示第n次计算得到的有效值；UCB(n)表示CB相电压的有效值；IC(n)表示C相线电流的有效值。由功率可得周期t的能量消耗E为：上述数据采集模块的插头与供电插座相连接，用于连接供电电压；数据采集模块的插头引出线分别接到电压传感器上。数据采集模块的插座引入导线分别穿过电流传感器，被测设备插头用于实现被测数控设备进行供电。整个数据采集传输模块由数据采集模块的插头到数控采集模块的插座，前端连接供电电源，后端为被测数控设备提供电源，同时监测被测数控设备的整体能耗数据，具有“即插即用”的功能。数据传输模块的硬件包括STM32F103微控制芯片和ATK-RM04无线传输模块。数据传输模块利用了微控制芯片，实现电压、电流、功率和能耗等数据的传输，并通过无线传输模块以无线的方式，将数据传输到上位机(数控系统/PC)。其中，微控制芯片与电能计量芯片间利用SPI协议通过串口完成数据传输，电能计量芯片输出端通过SPI的四个导线与微控制芯片进行连接，通过对电能计量芯片的寄存机进行访问，实现对应数据传输到微控制芯片中。微控制芯片通过串口将电能计量芯片的寄存机的数据发送给无线传输模块，且将无线传输模块设置为wifista模式，并基于TCP/IP协议将无线传输模块与PC同时连接到无线路由器设备上，通过路由器以TCP/IP协议实现数据与上位机的通信。在配置成功后，所采集的能耗数据通过无线传输模块传输到局域网，并通过对上位机的设置，连接统一局域网即可对此数据进行访问。本专利技术中下位机被设置为TCP客户端，上位机被设置为TCP服务器，其中TCP/IP协议的通讯是通过SOCKET实现的，由于TCP服务器可以同时被多个客户端访问，因此上位机可以同时连接多台数据采集传输设备，完成对多个设备的电流、电压、功率和能耗等的监测，实现多设备的组网应用功能。上位机中，MTConnect适配器与MTConnect代理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，其特征在于：包括由数据采集传输模块构成的下位机，以及由MTConnect适配器、MTConnect代理与MTConnect客户端构成的上位机；数据采集模块用来采集数控设备加工过程中的电流、电压以及能耗数据；数据传输模块利用微控制芯片，实现电压、电流、功率和能耗等数据的传输，并通过无线传输模块以无线的方式，将数据传输到上位机；上位机中，建立MTConnect适配器将数据标准化，并将MTConnect适配器集成于MTConnect代理中，通过MTConnect代理进行数据缓存，向外界提供统一的数据接口；MTConnect客户端通过访问接口向MTConnect代理发送HTTP请求，以便获得采集数据，实现对数据的访问及可视化显示。

【技术特征摘要】
1.一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，其特征在于：包括由数据采集传输模块构成的下位机，以及由MTConnect适配器、MTConnect代理与MTConnect客户端构成的上位机；数据采集模块用来采集数控设备加工过程中的电流、电压以及能耗数据；数据传输模块利用微控制芯片，实现电压、电流、功率和能耗等数据的传输，并通过无线传输模块以无线的方式，将数据传输到上位机；上位机中，建立MTConnect适配器将数据标准化，并将MTConnect适配器集成于MTConnect代理中，通过MTConnect代理进行数据缓存，向外界提供统一的数据接口；MTConnect客户端通过访问接口向MTConnect代理发送HTTP请求，以便获得采集数据，实现对数据的访问及可视化显示。2.如权利要求1所述一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，其特征在于：数据采集传输模块包括数据采集模块与数据传输模块；其中，数据采集模块的硬件包括电压传感器和电流传感器，以及三相电能计量芯片；电压与电流传感器将获得数控设备的采集数据经过模数转化后，通过RS-232串口线输入到电能计量芯片的输入端，由电能计量芯片实现对数控设备的功率和能耗数据的实时测量。3.如权利要求1所述一种基于MTConnect协议的能耗数据采集系统，其特征在于：数据采集模块选用的电压传感器型号为TV31B02、电流传感器型号为TA32B11实现对电压与电流的采样后，利用ATT7022三相电能计量芯片将电压与电流的采样值进行分析处理；三相电能计量芯片采用二表法接线的方式，由二表法计算出数控设备对应的功率。4.如权利要求1所述一种基于MTCo...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，肖瑶，王健，孙鹏鹏，刘启通，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11