探究離散制造業(yè)的數(shù)據(jù)采集之路

陳麗珍，傅江成（廣東省電子技術(shù)研究所，廣東 廣州 510630）

1 引言

設(shè)備層是產(chǎn)品加工制造的載體，也是現(xiàn)場信息產(chǎn)生的源頭。然而遺憾的是現(xiàn)有離散制造業(yè)MES與設(shè)備層的集成還少有實現(xiàn)。其主要原因是與設(shè)備層的集成實現(xiàn)難度較大。主要難度包括：制造設(shè)備種類繁多，大多數(shù)設(shè)備與信息化系統(tǒng)集成困難；設(shè)備層人員主體是工人，信息交互平臺需要面向工人操作；離散制造車間環(huán)境相對比較惡劣，對軟硬件一體化的集成平臺要求較高等[2]。

設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集是本項目實施的重點和難點，也是合作方的重要需求，是提高制造業(yè)自動化水平和精細化管理的重要手段。生產(chǎn)現(xiàn)場有大量自動化設(shè)備，大多采用DCS、PLC來進行控制，設(shè)備自身能自動準確記錄各種生產(chǎn)信息，理論上只要能與這些自動化設(shè)備做好數(shù)據(jù)接口，就能準確采集所需要的數(shù)據(jù)，但是實際上設(shè)備種類繁多、協(xié)議與接口類型差別很大，給數(shù)據(jù)采集工作增加了難度。以手工作業(yè)的工序，易受到人工因素的影響，如果采集方式設(shè)計繁瑣，操作者不把信息反饋作為一個必不可少的動作來執(zhí)行，就不能保證上報數(shù)據(jù)的及時性和準確性，這使得手工作業(yè)的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)起來變得異常的困難復雜。

本論文探究了多種方式、多種模式的數(shù)據(jù)采集之路，以滿足不同類型離散制造型企業(yè)的多種設(shè)備和人工操作的數(shù)據(jù)采集需求。項目實施的系統(tǒng)物理部署圖簡易示范如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)物理部署圖

2 嵌入式信息代理終端

在探究數(shù)據(jù)采集之路之前，先介紹其配套的終端，即嵌入式信息代理終端。該終端是由基于嵌入式處理器的硬件系統(tǒng)和基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成。嵌入式處理器采用目前主流的ARM核處理器，如ATMEL的at91rm9200，cirrus logic 的ep93xx系列，TI的tms320dm644x。

嵌入式信息代理終端的硬件總體設(shè)計采用“核心板”和“接口擴展板”的模塊化設(shè)計思想，“核心板”可以脫離“接口擴展板”獨立工作，“接口擴展板”要依賴于“核心板”工作。核心板和接口擴展板的設(shè)計方案具體如圖2、圖3所示。

圖2 核心板的設(shè)計方案

圖 3 接口擴展板的設(shè)計方案

嵌入式操作系統(tǒng)可選用商用的嵌入式系統(tǒng)如vxWorks或者開源嵌入式Linux系統(tǒng)，前者對內(nèi)存等資源消耗小，實時性相對較高；后者則功能強，并且容易移植很多開源組件，如AppWeb w eb服務(wù)器，samba CIFS文件共享，libxm l XM L處理庫，QTE嵌入式圖形庫等，并且支持Python、Perl、PHP、Java等多種高級腳本語言，方便嵌入式信息代理設(shè)備上應用軟件開發(fā)。不過前者也可以向w indriver公司購買相應的嵌入式軟件中間件實現(xiàn)，如Web Server、Web Service、OPC、Fieldbus、CORBA等相關(guān)中間件。

3 數(shù)據(jù)采集之路

按照不同的分類原則，數(shù)據(jù)采集可以有不同的種類。按照采集方式的不同，可以分為自動、手動和半自動。前者在整個過程中不需要人工干預，一旦安裝便能采集預先設(shè)定的數(shù)據(jù)采集對象（人、設(shè)備、原材料等生產(chǎn)數(shù)據(jù)）；第二種在采集過程中需要不斷地人工輸入實時信息，一旦停止輸入，便得不到需要采集的信息；最后一種是結(jié)合條形碼、RFID等半自動化采集技術(shù)。

3.1 自動數(shù)據(jù)采集之路

該方式以軟件技術(shù)為主要手段、硬件技術(shù)為輔助手段。具體還可以分以下幾種實現(xiàn)模式。

（1）自動之路1：監(jiān)控模式

對于無通信接口但有HM I的生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)設(shè)備的主控器和HM I之間并一根電纜線，嵌入式信息代理設(shè)備通過監(jiān)控主控器和HM I的數(shù)據(jù)流獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，接線示范如圖4所示。

圖4 監(jiān)控模式

（2）自動之路2：直接通信模式

對于帶通信接口的生產(chǎn)設(shè)備，直接通過生產(chǎn)設(shè)備通信接口可以獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，接線示范如圖5所示。

圖5 直接通信模式

（3）自動之路3：植入轉(zhuǎn)發(fā)模式

針對不帶通信接口的經(jīng)濟型生產(chǎn)設(shè)備，我們研究出利用“植入轉(zhuǎn)發(fā)”的采集方法，即在轉(zhuǎn)發(fā)HM I（Human Machine Interface）與生產(chǎn)設(shè)備的通信數(shù)據(jù)的同時植入有用的監(jiān)控信息，能適用于大部分生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，如圖6所示。

圖6 植入轉(zhuǎn)發(fā)模式

以上三種模式都需要分析相關(guān)的通信協(xié)議，包括通信接口方式、報文格式等分析。報文格式舉例如圖7所示。

圖7 報文格式

某種命令的請求幀數(shù)據(jù)格式舉例如圖8所示。

圖8 請求幀數(shù)據(jù)格式

對應的應答幀數(shù)據(jù)格式舉例如圖9所示。

圖9 應答幀數(shù)據(jù)格式

（4）自動之路4：硬件信號監(jiān)控

對于不滿足以上3種模式的情況，生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)置了各種傳感器，這種情況可以采用硬件信號點監(jiān)控方式來自動獲取相應的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（5）自動之路5：機器視覺

對于紙質(zhì)文檔文件，可以利用OCR（光學位置識別）技術(shù)進行自動采集，其基本原理是利用攝像頭或掃描儀對文檔進行數(shù)字化，然后再進行圖像處理（包括文字區(qū)域定位、字符提取、特征提取、分類算法設(shè)計及識別處理幾個部分），自動生成各種類型的文檔數(shù)據(jù)；對于印刷基片的外觀識別，可以采用CCD圖像識別技術(shù)。

3.2 半自動數(shù)據(jù)采集之路

對于含條碼（一維或二維）的生產(chǎn)設(shè)備或產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以利用條形碼掃描槍輸入相關(guān)信息；對于移動的物體（如倉庫）或條件惡劣的環(huán)境（如電鍍線）可以采用RFID技術(shù)。

3.3 手動數(shù)據(jù)采集之路

以手工作業(yè)的工序，可以結(jié)合條形碼、RFID等半自動化方式進行完工、物料、質(zhì)量等信息的采集。對于純手工的工序，采用嵌入式信息代理終端及配套簡易的嵌入式HM I，來提高手工輸入的效率。

針對半自動化和手動之路，都需要在嵌入式信息代理終端設(shè)計配套的、人性化嵌入式HM I，具體操作流程舉例如圖10所示。

4 探究問題

在項目實施過程中，以下幾種情況的數(shù)據(jù)采集仍遇到一些棘手問題，還需繼續(xù)深入研究。

模擬儀表的數(shù)據(jù)采集；

沒有HM I的生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；

自適應波特率的生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

圖10 HM I操作流程

5 結(jié)語

本論文結(jié)合項目的實際需求，提出了多種方式、多種模式可行的數(shù)據(jù)采集之路。在項目執(zhí)行過程中，也遇到了一些困撓（在第4章節(jié)有所提及），希望今后有機會和廣大同仁們一起探究這些情況的數(shù)據(jù)采集之路。

[1] 2011 Desran compressor development target and main task [DB/OL]. http://www.desran.com/en/news-230.html, 2012-03-27.

[2] 劉飛. 離散制造業(yè)MES需要實現(xiàn)與設(shè)備層的集成[J]. 中國制造業(yè)信息化,2007 (9) : 14.