基于UPnP构架的阀门现场工业监控系统研究和开发

基于UPnP构架的阀门现场工业监控系统研究和开发

宋荣

宋荣

（温州职业技术学院机械工程系，温州茶山325035）

[摘要]本文拟研究一种适合我国国情的、强实时、高可靠性的分布式阀门监测方法，提出一套面向阀门设备状态监测的嵌入式智能化网络系统实施方案，以较好地解决当前工业监测网络技术在应用过程中存在的通用性不强、可配置性差、不能提供足够的动态支持与自适应能力等问题。现场实验证明，本文方法具有较好的自适应能力，可有效提高分布式阀门监控的效率与可靠性。

[关键词]UpnP阀门分布式监控自适应

[作者简介]宋荣（1980-），男，浙江瑞安人，温州职业技术学院机械工程系讲师，主要研究方向：机械制造及自动化，在国内外核心期刊已发表论文10篇，SCI收录1篇。

[中图分类号]T-0[文献标识码]A[文章编号]0439-8041（2013）08-0126-03

阀门是石油化工、过程装备的必要构件，种类众多，功能不一，在实际工业起到非常重要的作用，尤其是对流程作业要求较高的场合。因此，对阀门工作状态进行实时监控是非常有必要的。此外，阀门还是是管路上的控制装置，在工业生产中发挥着重要的作用。在工业现场中，需要实时监测阀门的运行参数，比如流量、压力、温度和两个法兰之间的连接间隙等参数，以确保管道或设备的安全稳定运行。

当前日益成熟的传感器技术、嵌入式系统技术、网络技术给工业过程监控带来了稳定的技术支撑，使得开发分布式、柔性的、操作灵活的阀门监控系统成为可能。传统阀门现场工业监控网络系统（现场总线控制）存在的一些突出问题，如设备通用性不强、难于配置更新、实时性及自适应能力较差等，将新一代网络中间件技术--通用即插即用(UPnP)引入到工业监控领域中来，实现工业监测技术、计算机技术与网络技术的合理、有效交叉，从而解决传统阀门现场工业监控网络系统（现场总线控制）存在的上述固有问题。

一、嵌入式UPnP分布式监控网络

设备运行状态监测是保证设备安全运行的关键，随着工业生产规模的不断扩大，众多设备协同工作，网络化的工业监测系统就显得越来越重要。目前阀门监控系统普遍采用的方案是，针对每一个目标(阀门)，利用传感器把所需监测的物理量(温度、流量、伸长量、压力)转换成模拟电压或电流，通过专用信号处理与数据采集设备进行数据采集与相关预处理操作，再通过网络电缆传送到监控中心的计算机，由计算机完成设备的网络监测任务。传统的工业以太网监测系统是基于经典的服务器/客户机（Server/Client）架构的，其技术规范只定义了物理层与数据链路层，其自身数据结构特点不能对网络架构的变化提供足够的动态支持。如果网络架构发生变化，会带来大量的繁重的配置任务。另外，由于实IP地址以及企业内部网关的限制，难于实现真正的远程在线实时监测[1]。随着计算机与网络技术的发展，这样的应用模式越来越表现出其局限性，极大限制了网络监测系统在企业的推广和应用。

因此，如何针对不同的监控目标，采用统一的监测参数标准，提供统一的智能仪表接口，建立起通用的智能化监测系统，就显得十分迫切和必要。这样的标准和系统将使每台设备的数据采集与信号传输都处于同一种运行模式下，使其参数配置简单化，网络协议兼容通用，所不同的只是各监测传感器不同而已。随着嵌入式技术和计算机网络技术的发展，上述目标的实现已成为可能。限于篇幅，在此仅介绍通用即插即用（UPnP）技术，通用即插即用（UPnP）是微软推出的面向现代数字化家庭的网络中间件技术，由设备端(Device-end)、控制端(Control-end)、数据服务中心(DataServiceCenter,DSC)三个基本单元组成，如图1所示。

图1UPnP网络构架原理示意图

UPnP规范基于TCP/IP协议和针对设备彼此间通讯而制订的其它Internet协议，这就是它之所以被称作“通用”的原因所在。它的这一特点可以有效的解决工业网络专用性的协议壁垒以及因设备种类繁多而引起的PCT识别问题，实现不同设备以及网络之间无缝链接[2][4]。具备UPnP设备以物理形式连接到网络中之后，它们可以通过网络自动彼此连接在一起，而且连接过程无需用户的参与和使用中央服务器[5]。因此，基于UPnP的设备状态监测嵌入式系统，能够实现监测目标设备的自动识别、自主联网，使得设备或相关服务一旦接入网络，立即就可以使用。设备间能直接进行通信和互操作，并且可以平滑地、不留下任何不必要的信息地离开网络。通过它可以实现数据采集功能与监测诊断功能的分离，利用其中间件服务调用机制和时间订阅机制，实现目标设备的网络控制和设备状态监测网络的“零配置”化，以适应被监测设备的更新与变动[6-8]。

二、关键技术设计与系统开发流程

（一）关键技术设计

1、如图2所示，嵌入式实时监测网络节点的实现采用上下位机的双CPU结构，其中下位机为基于DSP的高速数据采集卡，完成数据的实时采集与预处理计算任务；上位机为基于ARM的实时数据诊断分析系统。监测信号的处理流程为：传感器测量监测目标的物理信号，传送至DSP数据采集卡，完成数字滤波、FFT变换的预处理操作，根据既定的数据传输协议进行打包，然后通过高速USB接口上传至上位机；

图2嵌入式设备监控节点

2、通过NS等网络设计软件建立复杂阀门现场工业监测系统的网络模型，并对其通用性、通信性能、负荷承担情况进行仿真计算与测试。在此基础上，将UPnP网络与传统网络技术的计算结果进行比对，进而对模型进行优化、调整。图3是本系统理想的现场拓扑结构模型。高速主干网将企业的具备UPnP服务的各个控制端（监控中心、总工办公室等职能部门）、设备端（监测点）以及数据服务中心连接在一起，管理操作人员通过系统人机接口调用UPnP规范接口、协议的系统服务程序，屏蔽底层物理结构的异构，实现整个网络的智能化管理。

图3基于UPnP的阀门现场工业监测网络架构模型

（二）技术开发流程

1、搭建可裁减、可配置的嵌入式实时Linux微内核为基础的软件开发平台，选择相应的开发工具库进行优化、裁减，测试其存储、运行速度、稳定性等方面性能，使其满足嵌入式运行环境的要求，并在此基础上进行相关嵌入式交叉编译环境的搭建工作。基于构件化思想，进行上位机软件系统各组成模块的设计与开发。其中底层数据采集构件、数据管理与分析构件、监测与诊断构件、远程访问构件、电源管理构件等通过GNU-ARM-Linux-gcc来编码与调试，图形用户构件则通过较为成熟的嵌入式图形工具库Qt/Embedded来完成。

2、搭建双CPU、上下位机结构的嵌入式数据采集与状态监测节点硬件试验平台。其中上位机以ARM为核心，负责数据存储、计算、显示、查询、监测诊断以及远程访问等功能，下位机则以DSP处理器为核心，完成高速数据采集与预处理，并根据已制定的相关通信标准打包上传至上位机，同时在此基础上进行相关的阀门现场工业监测实验。

3、根据不同功能硬件配套需求，基于UPnP内部接口规范，建立通用的设备状态的数据采集、预处理和通信构件库；设计实现LCD显示屏、USB、以太网等常见硬件模块的硬件驱动程序，使其能够较好的支持监测系统硬件，并提供通用的智能仪表接口；根据嵌入式系统运行环境要求，对UPnP进行实时性优化，并提供可裁减、配置的通信协议栈。

4、在以上基础上，自主设计开发具备UPnP接口的嵌入式机电设备监测仪器、无线便携式手持监测仪器，并组建仪器网络，进行相关实验测试。

三、现场实验验证

根据上述研究成果，结合相关技术支持，搭建实现了面向分布式阀门状态监测与故障诊断的嵌入式工业设备网络化监测系统。该系统主要由各个设备端监测节点与控制端嵌入式计算机构成，UPnP作为系统的核心组件，承担着各设备端节点、控制端相互通信桥梁的任务，通过其事件订阅等功能实现对以车间为单位的设备监控网络进行管理。监测点进行实时数据采集以及预处理计算，控制端可以根据UPnP提供的设备列表(见图4)对当前的任何一台目标设备进行监控，实现信号的时域处理、频域处理以及静态参数计算等功能。

图4监测系统主控界面

基于上述监控系统，在温州某企业进行的相关工业现场实验，实验的对象为高频脉动阀门，其实时波形图如图5所示。通过图5可以看出，系统能够准确的检测到阀门的脉动压力波峰；如果脉动波峰分布出现异常，系统将提供预警信息，提示工作人员对阀门进行检修。

图5阀门脉动实时波形图

四、结论

本研究基于UPnP技术，不仅提出一套面向阀门设备状态监测的嵌入式智能化网络系统实施方案，并给出了相应的关键技术设计方法与开发流程；而且现场实验证明。本研究方法具有较好的自适应能力，可有效提高分布式阀门监控的效率与可靠性；可以较好地解决当前工业监测网络技术在应用过程中存在的通用性不强、可配置性差、不能提供足够的动态支持与自适应能力等问题。

主要参考文献：

1.WANGL,LIPY,WUZHetal.AServiceOrientedImplementationofDistributedStatusMonitoringandFaultDiagnosisSystems.InternationalConferenceonComputationalScience,LNCS3514,2005,pp.568-575.

2.ANDREASB,HENDRIKB,FRANKG.Voice-basedgenericUPnPcontrolpoint.2ndIEEEInternationalConferenceonIndustrialInformatics:CollaborativeAutomation-OneKeyforIntelligentIndustrialEnvironments,2004,pp.487-492.

3.KANGDO,KANGK,CHOISGetal.UPnPAVarchitecturalmultimediasystemwithahomegatewaypoweredbytheOSGiplatform.DigestofTechnicalPapers-InternationalConferenceonConsumerElectronics,2005,pp.405-406.

4.KIMDS,LEEJM,KWONWHetal.DesignandimplementationofhomeserversystemusingUPnPmiddleware.DigestofTechnicalPapers-IEEEInternationalConferenceonConsumerElectronics,2002,pp.106-107.

5.OESTERDIECKHOFFB,LOESERC,JAHNICHetal.IntegrativeapproachofWebservicesanduniversalplugandplaywithinanAVscenario.3rdIEEEInternationalConferenceonIndustrialInformatics,2005,pp.123-128.

6.BOBEKA,BOHNH,GOLATOWSKIFetal.EnablingworkflowinUPnPnetworks.3rdIEEEInternationalConferenceonIndustrialInformatics,2005,pp.166-171.

7.许强,赵宏,江早.一种新颖的智能网络图像内容监测系统模型[J].软件学报,2002,13(3):78-81.

8.杨涛,王云莉,肖田元,张林骀.网络化制造环境下的资源发现研究[J].计算机集成制造系统-CIMS,2003,l9(1):133-136.

（责任编辑：周奇）

（本文系温州市科技计划资助项目(G20120009)。）

ResearchandDevelopmentofFieldMonitoringSystemforValveBasedonUPnPFramework

SongRong

Abstract:ThispaperintendstoinventakindofstrongandhighreliabilitydistributedvalvemonitoringmethodssuitableforChina.Itproposeasetofvalvesforequipmentconditionmonitoringofembeddedintelligentnetworksystemimplementationplaninordertobettersolvethecurrentindustrialmonitoringnetworktechnologyinapplication,inwhichthereareproblemasweakversatility,poorconfigurability,cannotprovideadequatesupportfordynamicandadaptivecapacityandotherissues.Fieldexperimentsshowthattheproposedmethodhasbetteradaptivecapacity.Itcaneffectivelyimprovethemonitoringefficiencyofdistributedvalvesandtheirreliability.

Keywords:UPnP,valve,distributedmonitoring,self-adapting