一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法

技术领域

本发明涉及智能制造领域，具体为一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法。

背景技术

惯性测量单元一般由三个轴向的加速度计和陀螺仪组成，用于测量搭载设备三个轴向的角速度和加速度信息。控制计算机接收惯性测量单元发出的加速度、角速度信息，通过导航算法解算，可计算出载体的速度、位置和姿态信息，其在系统精确导航和定位等应用上发挥了关键作用。惯测产品在设计研发、调试测试、环境试验、产品出厂阶段为保证产品功能的完整性、可靠性和全面性，需要采用专用的测试设备对产品性能进行全面考核，这个过程持续到产品的整个生命周期，通过考核测试形成产品的健康档案，实现产品性能的全寿命周期监测。

惯性产品具有高精度、高实时的特点，对测试系统实时性和可靠性有较高要求，现有测试系统生产测试以手工操作为主，无法实现一键式操作，常见故障智能识别，本地报警，数据自动记录等无人值守功能，并且单价昂贵，不满足产品测试规模化生产需要。同时在行业内，测试环节虽然普遍通过生产记录电子化实现了测试无纸化，但数据普遍存在“联网碎片化”特性，数据并未得到有效管理，无法实现产品生产全过程数据归集，整理、挖掘。同时在测试方面，行业针对惯性产品的高实时特性，普遍采用工控机外加测试板卡方案基于Windows系统实现测试，由于Windows系统的非实时特性，容易出现数据丢帧等问题；且该方案在结构上板卡采用镀金导电触片(金手指)，长期使用插拔、运输松动会导致触片导电性能降低，容易出现板卡接触不良等生产隐患。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明实现了通讯接口的多样性和高扩展性，同时也有效缩小了控制系统体积，降低了生产成本，实现对制造进度、现场操作等生产现场信息的深度采集、存储、分析，能够满足结构化数据存储高可靠要求。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台，在网络架构上包含信息网、控制网、设备网，平台架构上包含数据归集与分析系统，数据采集与监控系统,自动化测试系统，网络架构上包含星型、环形组网，覆盖区域上包含老化试验间、温循试验间、温度补偿试验间、稳定性测试间。

进一步的，所述自动化测试系统在结构上采用便携式计算机设计，在架构上包含控制通信单元和配电采集单元。

进一步的，所述控制通信单元采用核心板加底板方式实现构建，包含控制底板，ARTIX-7核心板，脉冲采集板，通信接口板。

进一步的，所述控制通信单元选用Xilinx公司的Artix-7系列FPGA芯片，通过构建软核，在逻辑端集成1553B，CAN总线，同步串口等总线控制器IP核的集成，与收发器配合，实现了通讯接口的多样性和高扩展性。

进一步的，通过在管控系统中构建实时数据库、非结构化数据库、结构化数据库，实现对生产数据的采集融合与处理；非结构化数据库主要用于存储生产过程中的各类非结构化数据，数据量大，满足高存储量，高并发量，高可用性应用需求；结构化数据库采用关系数据库，完成结构化数据存储，满足结构化数据存储高可靠要求。

进一步的，基于三种数据库构建数据采集与监视模块、产线数据归集与分析模块、过程制造执行模块，实现对制造进度、现场操作等生产现场信息的深度采集、存储、分析。

一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台测试方法，该方法基于如上述的无人值守平台上进行测试，该测试流程中，自动化测试系统在自动化方面，实现试验全过程一键式配置，实现测试设备与试验设备的联动，测试异常自动报警，交检记录自动生成；数据采集与监视系统主要实现对生产过程人员、设备、产品生产状态等数据的实时采集，存储，控制，可视化；数据采集与监视系统在监控层面可实现温箱采样温度的曲线拟合，数据库后台存储，历史回滚，设备状态巡查记录按需生成，分布式区域报警，测试场景网页监控。

进一步的，数据归集与分析系统可实现测试任务建立、任务的执行、任务信息维护、任务提醒、查询统计等业务流交检操作，同时具备整体迁移能力与数据、信息融合功能；数据归集与分析系统具备测试流程的管理功能，支持串行、并发、竞争方式等多种流程审批方式。同时可实现产线试验、测试等相关数据的归集、管理，包括对接测试仪数据，集中存储测试原始数据、测试过程数据、测试分析数据、故障数据、多媒体数据、配置信息。

进一步的，所述数据归集与分析系统在完成数据归集的基础上可实现测试数据的统计分析，构建分析报表，闭环前端设计；控制通信单元1路隔离以太网可实现三速(10M/100M/1000M)自适应，可实现快速实现组网设计；4路隔离1553B总线，可实现最大速率不小于4Mbps的数据收发，4路隔离串口可实现最大波特率不小于1M的数据传输，4路隔离RS422串口可实现最大波特率不小于921600的数据传输。

进一步的，控制通信单元可实现96路脉冲采集电路，输入电压0～+15V,并通过FPGA并发特性，实现分别对输入脉冲信号分压、整形、计算；配电采集单元可通过电压调理电路、电流调理电路，AD采集电路，实现对惯组配电电路输入输出控制，电压电流回采；实时数据库完成设备实时状态的采样，存储，它以极快的速度，极少的容量处理大点数工业系统的历史数据。

本发明的有益效果：

1.该面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法通过FPGA处理器的选用，在集成高性能处理器核心的同时也提供了FPGA器件的灵活性和可扩展性，通过在可编程逻辑端集成1553B总线控制器，CAN总线控制器，串口总线控制器，与收发接口电路的配合，实现了通讯接口的多样性和高扩展性，同时也有效缩小了控制系统体积，降低了生产成本，满足控制单机多接口扩展灵活性要求。

2.该面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法基于三种数据库构建数据采集与监视模块、产线数据归集与分析模块、过程制造执行模块，实现对制造进度、现场操作等生产现场信息的深度采集、存储、分析。

3.针对生产现场中普遍存在的实时数据、非结构化数据、结构化数据的特性和应用方向，通过在系统中构建实时数据库、非结构化数据库、结构化数据库，实现对生产数据的采集融合与处理，实时数据库完成设备实时状态的采样，存储，它以极快的速度，极少的容量处理大点数工业系统的历史数据；非结构化数据库主要用于存储生产过程中的各类非结构化数据，满足高存储量，高并发量，高可用性应用需求；结构化数据库采用关系数据库，完成结构化数据存储，满足结构化数据存储高可靠要求。

4.该面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法通过自动化测试系统主要实现本地自动化测试，实时报警监控，记录自动生成等功能，测试系统与温箱设备通过以太网实现数据交互，实现对温箱升温、降温、保持状态，当前温度、当前温度已运行时间的数据提取，实现测试系统与试验设备(温箱，真空箱、转台等)依托测试环境要求完成联动，满足惯性产品全工序自动化测试需要。

5.该发明通过数据采集与监视系统实现测试试验集中化实时监控，并构建多级报警管理系统，实现本地、区域、中心多级报警处理，通过系统中产线数据归集与分析系统实现测试系统数据自动归集、分析。通过自动化测试系统、数据采集与监视系统、产线数据归集与分析系统构建无人值守平台测试技术，实现惯性产品全工序测试试验无人值守，解决“测试无人化、监控离散化、数据碎片化”等生产痛点。

附图说明

图1为本发明测试系统组成框图；

图2为本发明环境试验间架构图；

图3为本发明自动化测试系统框图；

图4为本发明FPGAGTPBANK电气连接示意图；

图5为本发明控制通信单元上电时序图；

图6为本发明电源配置电路设计图；

图7为本发明可配置串口接口电路设计图；

图8为本发明1553B总线驱动电路图；

图9为本发明ModBus/TCP通信示意图；

图10为本发明自动试验流程图；

图11为本发明测试数据管理系统功能模块图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1至图11，本发明提供一种技术方案：一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法，平台将测控网分为三层：设备层网络，控制层网络，信息层网络，其中设备层网络实现惯性产品的全自动化测试，数据采集，后台数据存储等执行端操作，控制层网络基于工业以太网主机设备进行架构，主机设备实现对设备层网络数据的采集上传实时数据库，在控制层网络通过网络组态软件构建数据采集与监视控制系统，设备采样信息通过控制网前端机写入实时数据库中，C/S操作员站、B/S图形客户端通过工程师站的组态配置从实时库中提取有效数据实现对采样数据的图形化显示和设备层的控制。信息层网络主要实现对采集数据归集、分析、管理，网络架构通过星型方式实现组网，具有管理维护容易，节点扩展简单、移动方便，易于故障诊断隔离。平台架构上包含数据归集与分析系统，数据采集与监控系统,自动化测试系统)，区域上基本满足惯性产品试验测试全工序需要，覆盖老化试验、温循试验间、温度补偿试验、稳定性测试等多个场景。

本实施例采取的方案为：一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法，平台通过自动化测试系统实现测试设备与试验设备(温箱，真空箱、转台等)的联动；数据采集与监视系统实现测试试验集中化实时监控，并构建多级报警管理系统，实现本地、区域、中心多级报警处理；产线数据归集与分析模块实现测试系统数据自动归集、分析。通过自动化测试系统、数据采集与监视系统、产线数据归集与分析系统构建无人值守平台测试技术，实现惯性产品全工序测试试验无人值守。

本实施例，其中自动化测试系统针对惯性组件产品对测试系统提出的高可靠、高实时应用场景和自动化改造需求，设计测试系统采用标准工业测试架构规范进行设计，满足PXI测试系统电气、结构架构规范，在电气上扩展板卡通过高性能FPGA的选用，将多种总线控制器集成在处理器可编程逻辑端，实现了通讯接口的多样性和高扩展性，满足全品类惯性产品的应用需求，测试系统分为三个子模块，控制主板模块，控制通信单元，配电采集单元，其中控制通信单元，充分利用FPGA的可配置重构特性，通过底板加功能模块的模块化思想进行通信单元设计，通过子模块卡的不同组合，控制通信单元最多可分别实现96路脉冲采集电路和4路1553B总线，4路CAN总线、4路可配置串口通信测试，通过配电采集单元可实现不少于4路的回路断配电，电压、电流回采，模块之间通过SPI总线实现通信互联。通过以太网和串口两种方式实现与控制主板模块通信。

其中数据采集与监视系统主要实现对生产过程人员、设备、产品生产状态等数据的实时采集，存储。其基础功能模块主要包含设备接入模块、协议解析模块、边缘数据处理模块、实时数据采集模块、历史数据转储模块、用户安全模块、报警检测计算模块、事件存储模块、页面可视化模块，其中设备接入模块、协议解析模块主要实现接入设备的协议转换和接口连入，边缘数据处理模块实现采集数据的预处理，降低信息通道的压力负载，实时数据采集模块和历史转储模块实现数据的实时/历史存储，为后续实现实时历史数据查询构建数据基础，用户安全和报警检测计算模块实现用户的权限管理和报警信息的处理，事件存储模块实现对重要事件的历史存储，页面可视化模块实现对采集数据的可视化，实现对现场的操作管理。通过数据采集与监视模块实现对现场检测、装配、试验设备工位的采集、可视化。基于采集层基本单元实现数据采集与监视模块设计。

本实施例，其中产线数据归集与分析系统将功能划分为“任务管理”、“数据管理”、“流程管理”、“统计分析”四大功能模块。每个模块根据实现的功能不同又划分为多个子模块。任务管理模块主要提供任务总览功能，可以按型号、批次、产品代号等对任务进行分类导航与浏览，提供任务的资源与人员分配功能，提供任务查询、任务统计功能，满足试验人员、管理人员、申请人员，对各任务的进度进行掌控。同时对任务状态进行统计与浏览，实现按时间、负责人、部门等条件进行统计操作，掌握任务信息。数据管理模块主要提供数据对接功能，通过定义通用测试数据结构，实现各类测试仪数据传递到测试数据管理系统中，提供数据总览、数据查询及数据导入导出功能，方便业务人员对数据进行排查及分析。流程管理模块主要提供业务流程的设计、流程审批、流程配置、页面的绑定及流程的发布，支持在线图形化的流程设计器，可以以拖拽的形式实现试验、测试业务流程的定制，支持多种形式，支持多部门分支、跨节点回退、多部门合并。可实现角色、个人的自定义分配，并支持串行、并发、竞争方式等多种流程审批方式。统计分析模块主要提供在线处理数据及离线处理数据功能，根据业务需求提供各类报表及统计结果，为管理人员决策提供数据支撑。

本实施例中图1是测试系统组成框图，一种面向惯性产品规模化生产的无人值守平台及方法，其特征在于在网络架构上包含信息网、控制网、设备网，平台架构上包含数据归集与分析系统，数据采集与监控系统,自动化测试系统，网络架构上包含星型、环形组网，覆盖区域上包含老化试验间、温循试验间、温度补偿试验间、稳定性测试间。

本实施例中图2是环境试验间架构图，数据采集与监视系统基于管控系统中采集层基本模块单元实现构建，主要实现对生产过程人员、设备、产品生产状态等数据的实时采集，存储，控制，可视化。自动化测试设备通过连入数据采集与监视系统可实现对当前测试产品测试环境的重构，自动化测试设备软件内部集成技术条件测试要求，达到测试条件实现自动化测试，通过温箱-系统-测试设备-产品实现产品在环境试验间温循试验、温补试验的测试全自动化，在监控层面可实现温箱采样温度的曲线拟合，数据库后台存储，历史回滚，设备状态巡查记录按需生成，分布式区域报警，实现操作人员一键式自动化测试，测试场景网页监控，测试数据自动同步上传，分析，完成环境试验间测试场景的全自动化。

本实施例中图3是自动化测试系统框图，自动化测试设计方案基于ARTIX-7平台进行设计，方案通过将1553B、CAN总线、HDLC、异步串口总线控制器集成于ARTIX-7处理器可编程逻辑端实现设计，测试系统分为两个子模块：控制通信单元和配电采集单元，其中控制通信单元，充分利用ZYNQ处理器的可配置重构特性，通过底板加功能模块的模块化思想进行通信单元设计，通过子模块卡的不同组合，控制通信单元最多可分别实现96路脉冲采集电路和4路1553B总线，4路CAN总线、4路可配置串口通信测试，通过配电采集单元可实现不少于4路的回路断配电，电压、电流回采，实现对惯组产品不少于4路的同时测试，便携性强方便转运，可通过以太网和串口两种方式实现上位机通信。

本实施例中图4是FPGAGTPBANK电气连接示意图，方案选用Xilinx公司的Artix-7系列FPGA芯片，具有功耗低、速度快，资源多，体积小，可靠性高的特点，在国内外，长期应用于需要高可靠性芯片的汽车电子领域。对FPGA功能块(bank)进行划分，FPGAGTPBANK电气连接示意图如图所示，bank13、bank15、bank16作为自定义IO引脚引出，bank14作为bpiFlash接口引脚引出，bank34、bank35作为DDR3内存专用接口引出，PCIE总线由高速串行接口GTP专用bank216引出，总线支持PCIE2.0协议，单路最高速度可达5Gbps。

本实施例中图5是控制通信单元上电时序图，本模块中涉及上电时序的核心器件主要是FPGA芯片，根据Artix-7电气设计手册ds181，为实现FPGA以最小电流启动，并确保启动过程中IO口保持三态，对外无输出，推荐启动顺序：VCCINT、VVCCAUX、VCCBRAM、VCCO。其中VCCINT为FPGA内核供电，供电电压1V；VCCAUX为辅助供电电压，供电电压1.8V；VCCBRAM为FPGA内部存储器接口供电，供电电压1V；VCCO为FPGAIO口bank供电，供电电压3.3V，根据实际需要和降额设计。

本实施例中图6是ZYNQ电源配置电路设计，供电电源主要采用单路电源芯片TPS54620,双路电源芯片TPS62400,专用DDR终端电源芯片TPS51200,电源电路电气连接示意图见图3-8所示，由图可知通过配置上电完成POWER_GOOD引脚信号，芯片使能EN引脚信号，实现对上电时序控制。

本实施例中图7可配置串口接口电路设计，可配置串口接口电路设计需要实现针对串口电路的电气协议转换，兼容常用串口电气协议RS232、RS422、RS485，通过设计选型，选用maxim(美信)公司多协议收发器芯片max3160进行设计，可配置串口接口电路设计该芯片具有低功耗，抗电磁干扰能力强，总线协议配置灵活的特点，max3160支持RS232、RS422、RS485电气传输协议，通过引脚配置可实现两路RS232串口或单路RS422/RS485串口，其中RS422/RS485模式数据传输速率高达10Mbps。

本实施例中图8是1553B总线驱动电路，1553B总线接口电路需要满足1553B总线接口电气协议规范，实现方式有直接耦合和隔离变压器耦合两种方式，采用隔离变压器耦合方式进行设计，根据设计需求，对电路进行设计选型，采用771所开发的专用1553B总线4M驱动器芯片LRT2004进行设计。

本实施例中图9是ModBus/TCP通信示意图，自动温循试验系统通过交换机将测试系统、温度试验箱、SCADA监控系统连接,相互之间采用ModBus/TCP协议进行通讯，实现SCADA监控系统对测试系统与温度试验箱的远程实时监控，实现测试系统实时采集温度试验箱数据，根据设定试验条件，自动完成产品配电、断电及性能测试。

本实施例中图10是自动试验流程图，自动化温循试验过程中，测试系统通过温箱监控线程定时获取温箱状态，根据当前试验参数条件，判断温箱状态是否正常，判断产品是否通断电及单元测试，实现全程无人值守。温箱监控线程中，每15秒采集一次温箱状态，并保存在本地文件中，便于后续追溯回查。

本实施例中图11是测试数据管理系统功能模块图，测试数据管理系统功能模块图如图11，划分为“任务管理”、“数据管理”、“流程管理”、“统计分析”四大功能模块。每个模块根据实现的功能不同又划分为多个子模块。任务管理模块主要提供任务总览功能，同时对任务状态进行统计与浏览，实现按时间、负责人、部门等条件进行统计操作，掌握任务信息。数据管理模块主要提供数据对接功能，通过定义通用测试数据结构，实现各类测试仪数据传递到测试数据管理系统中，流程管理模块主要提供业务流程的设计、流程审批、流程配置、页面的绑定及流程的发布，角色、个人的自定义分配，并支持串行、并发、竞争方式等多种流程审批方式。统计分析模块主要提供在线处理数据及离线处理数据功能，根据业务需求提供各类报表及统计结果，为管理人员决策提供数据支撑。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。