電力機(jī)車裝配線智能節(jié)拍系統(tǒng)設(shè)計

楊 晨,孫 麗

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116021)

0 引言

隨著軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展以及鐵路電氣化程度的逐漸加深，對于各類電力機(jī)車的需求也在逐漸增加。當(dāng)前機(jī)車車間需要面臨諸多的挑戰(zhàn)：對不同機(jī)車車型需求的響應(yīng)程度，多品種小批量的生產(chǎn)方式，電力機(jī)車裝配周期長。這些挑戰(zhàn)都需要現(xiàn)代機(jī)車車間具有更高的自動化程度。單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的CPU、RAM、ROM、多種I/O口以及中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計算機(jī)系統(tǒng)，在許多工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)大范圍使用[1]。本文設(shè)計的電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)，依據(jù)制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)[2]對應(yīng)的電力機(jī)車車型的型號和對應(yīng)的電力機(jī)車車型的生產(chǎn)節(jié)拍時間，通過無線傳輸技術(shù)導(dǎo)入至設(shè)計的電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)中，通過電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)顯示當(dāng)前制造的電力機(jī)車車型和節(jié)拍時間計時功能，實(shí)現(xiàn)多電力機(jī)車車型的生產(chǎn)節(jié)拍提示作用，保證電力機(jī)車裝配線能夠順利工作，不出現(xiàn)裝配線堵塞情況。而將本電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)融入MES系統(tǒng)當(dāng)中，可以增加電力機(jī)車總裝線的自動化水平，消除MES和機(jī)車總裝車間實(shí)際作業(yè)情況的斷層，提高了生產(chǎn)效率，進(jìn)一步提高機(jī)車總裝車間的自動化水平。

1 當(dāng)前機(jī)車總裝車間情況

當(dāng)前機(jī)車總裝車間工作區(qū)主要為10個電力機(jī)車工作臺位和5個內(nèi)燃機(jī)車工作臺位以及座輪臺區(qū)和稱重臺區(qū)。電力機(jī)車總裝區(qū)之間的作業(yè)是并行且互不影響的。電力機(jī)車總裝過程全部通過人工裝配來實(shí)現(xiàn)。通過MES下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)，電力機(jī)車構(gòu)體從噴漆車間到達(dá)裝配第一臺位，在10個工作臺位分別完成獨(dú)自的加工任務(wù)。當(dāng)前機(jī)車總裝車間由于組裝完成一輛電力機(jī)車需要4個小時左右，生產(chǎn)周期時間較長。在作業(yè)過程中可能會由于作業(yè)時間長，工人時間觀念不強(qiáng)，到達(dá)生產(chǎn)節(jié)拍時間時，不能夠保證在裝配工位的電力機(jī)車連續(xù)移動，從而可能會導(dǎo)致電力機(jī)車總裝線堵塞情況，影響電力機(jī)車的生產(chǎn)效率。圖1所示為當(dāng)前機(jī)車總裝車間布局簡圖，看板放置位置(橢圓標(biāo)注處)為本設(shè)計系統(tǒng)所在位置。

圖1 機(jī)車總裝車間布局簡圖以及本系統(tǒng)所在位置

2 電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)介紹和分析

本電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)主要由AT89S51芯片作為核心控制器，選擇DS12CR887-33時鐘芯片、蜂鳴器以及發(fā)光二極管兩者作為聲光提示。通過獨(dú)立鍵盤對生產(chǎn)時間的數(shù)值進(jìn)行修改，利用單片機(jī)I/O口連接LCD1602液晶模塊，實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車總裝線當(dāng)前生產(chǎn)車型和生產(chǎn)時間的顯示，當(dāng)?shù)竭_(dá)對應(yīng)車型的節(jié)拍時間時，通過聲光電路進(jìn)行報警，提示相關(guān)工作人員進(jìn)行工位的機(jī)車車體向下一個工位移動，保證電力機(jī)車生產(chǎn)平穩(wěn)進(jìn)行，進(jìn)而保證產(chǎn)量。同時利用無線傳輸電路PTR2000傳輸MES中的數(shù)據(jù)，在出現(xiàn)總裝線車型切換時對不同車型的生產(chǎn)節(jié)拍提示時間進(jìn)行更改。

將電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)應(yīng)用于當(dāng)前機(jī)車總裝車間，將其作為MES的生產(chǎn)過程管理模塊[3]，便于將MES系統(tǒng)中的生產(chǎn)任務(wù)實(shí)時傳遞至機(jī)車總裝車間，可以提升電力機(jī)車作業(yè)過程中的控制能力，能夠有效地管理和控制當(dāng)前機(jī)車總裝車間的作業(yè)過程。與MES結(jié)合可以提升當(dāng)前車間的自動化和信息化水準(zhǔn)，保證電力機(jī)車總裝線實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時化生產(chǎn)，有效提升當(dāng)前機(jī)車總裝車間的作業(yè)水平，提高生產(chǎn)效率，具有很高的應(yīng)用價值。

3 電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

3.1 電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)總體的設(shè)計

本系統(tǒng)采用AT89S51芯片作為核心控制器，選擇DS12CR887-33時鐘芯片進(jìn)行節(jié)拍計時，蜂鳴器以及發(fā)光二極管進(jìn)行聲光提示。以獨(dú)立鍵盤作為生產(chǎn)時間數(shù)值的修改，利用單片機(jī)I/O口連接LCD1602液晶模塊，實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車總裝線當(dāng)前生產(chǎn)時間的顯示。根據(jù)MES中的生產(chǎn)計劃，通過無線傳輸電路將對應(yīng)電力機(jī)車車型的節(jié)拍數(shù)據(jù)發(fā)送至節(jié)拍系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)拍智能提示。將所設(shè)計的系統(tǒng)放于看板處(圖1所示)，同時機(jī)車車間內(nèi)為手工裝配，沒有其他干擾，能夠正常運(yùn)行。機(jī)車車間系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)的總體框圖

3.2 電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

3.2.1核心單片機(jī)控制電路

控制器選用芯片AT89S51作為核心芯片[4]。AT89S51是一種低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)。本芯片內(nèi)部含有4 KB的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，兼容MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。因其功能多、性價比高，可以滿足本電力機(jī)車節(jié)拍智能提示系統(tǒng)的基本要求，所以本系統(tǒng)選擇此芯片作為機(jī)車生產(chǎn)節(jié)拍提示系統(tǒng)的核心單片機(jī)。整體來說AT89S51的P1口與時鐘芯片數(shù)據(jù)口相連，P2口與1602液晶的數(shù)據(jù)口相連，其余控制接口在圖3所示模塊電路中說明。圖3所示為AT89S51的接口連接。

圖3 AT89S51單片機(jī)對應(yīng)接口連接

3.2.2節(jié)拍計時模塊電路的設(shè)計

本電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)選擇性能優(yōu)越的DS12CR887-33芯片作為節(jié)拍計時電路的核心部分[5]，可計算到秒、分、小時、星期、日期、月、年七種信息；DS12CR887-33在25°的環(huán)境下運(yùn)行每月誤差為1 min左右。此芯片自帶晶體振蕩器和鋰電池。在沒有外部電源的情況之下可以工作10年左右。時鐘芯片DS12CR887-33選擇Intel總線進(jìn)行寫時序和讀時序。AD數(shù)據(jù)端口和AT89S51的P1口相連接，RST口置高電平，MOD端口置低電平，IRQ與單片機(jī)P3.2端口相連，當(dāng)IRQ端發(fā)出中斷請求時，AT89S51來讀取DS12CR887-33的數(shù)據(jù)工作。DS12CR887-33后端口連接如圖4所示。

圖4 DS12CR887-33的端口連接

3.2.3LCD1602液晶模塊電路設(shè)計

LCD1602[6]液晶模塊電路和AT89S51單片機(jī)連接圖如圖5所示，LCD1602液晶數(shù)據(jù)口D0～D7分別和AT89S51單片機(jī)的P2.0～P2.7端口相連，R/W端置低電平只需將數(shù)據(jù)寫入1602液晶。V0端為液晶對比度調(diào)節(jié)口，連接一個10 kΩ的電位器。RS端作為1602液晶的寫數(shù)據(jù)/寫命令端口與P0.7相連，E端口作為使能信號端口與P0.3端口相連。

3.2.4時間調(diào)整電路

電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)設(shè)計選擇獨(dú)立鍵盤模塊對生產(chǎn)節(jié)拍計時進(jìn)行調(diào)整。每個功能鍵的功能分別為：SW2為時、分、秒三個位置的選擇，按第一次時時鐘停止，光標(biāo)顯示于秒的位置；按第二次時光標(biāo)顯示與分位置；按第三次為時位置；按第四下時光標(biāo)消失，開始計時。鑒于本智能節(jié)拍提示系統(tǒng)只需要計時至對應(yīng)車型生產(chǎn)節(jié)拍時間，當(dāng)?shù)竭_(dá)對應(yīng)車型生產(chǎn)節(jié)拍時間時進(jìn)行提醒，之后進(jìn)行計時初始化。所以只需要時間調(diào)整減少按鍵，設(shè)置SW3為減少按鍵，按一次對調(diào)整時間的位置進(jìn)行減1來進(jìn)行處理。

3.2.5聲光提示電路

為使提示效果最佳，本提示系統(tǒng)選擇三個發(fā)光二極管[7]和蜂鳴器[8]兩個模塊進(jìn)行聲光提示電路的設(shè)計，電路接口分別如圖6、圖7所示。三個發(fā)光二極管為使功率最大，每個發(fā)光二極管陽極串聯(lián)的電阻為300 Ω，陰極與單片機(jī)的P3.1相連；蜂鳴器電路通過單片機(jī)P0.6接口進(jìn)行控制。

圖6 發(fā)光二極管電路接口

圖7 蜂鳴器電路接口

3.2.6無線傳輸電路

為使機(jī)車總裝車間實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，當(dāng)出現(xiàn)電力機(jī)車車型改變的時候，從機(jī)車車間MES中找到對應(yīng)車型相關(guān)數(shù)據(jù)，通過無線傳輸電路從MES中發(fā)送當(dāng)前生產(chǎn)電力機(jī)車車型的類型以及當(dāng)前電力機(jī)車車型的生產(chǎn)節(jié)拍時間到本電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對不同機(jī)車車型的生產(chǎn)節(jié)拍智能提示。無線傳輸電路使用433 MHz頻段，采用PTR2000芯片作為無線傳輸電路核心[9]。PTR2000芯片的DO端口和DI端口分別與AT89S51單片機(jī)的P3.0端口和P3.1端口相連，單片機(jī)連接的PTR2000芯片始終處于接收PC傳輸信號狀態(tài)。具體接口圖如圖8所示。

圖8 PTR2000芯片電路和AT89S51單片機(jī)接口連接

3.3 電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)軟件設(shè)計

本軟件部分采用單片機(jī)C語言進(jìn)行編程，軟件的編程是在Keil Uvision2集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的[10]。本智能節(jié)拍軟件系統(tǒng)主要包含以下幾個部分：智能節(jié)拍系統(tǒng)初始化子程序，LCD1602液晶顯示模塊子程序，DS12CR887-33時鐘模塊讀寫子程序，獨(dú)立按鍵掃描模塊子程序，聲光提示模塊子程序，無線傳輸模塊子程序。將以上幾個子程序結(jié)合就構(gòu)成了本系統(tǒng)的主程序，本文主要介紹系統(tǒng)的主要程序。主程序程序框圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

4 電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)和MES的結(jié)合

如圖10所示，將機(jī)車車間已有的MES和設(shè)計的電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)相結(jié)合，無線傳輸模塊采用433 MHz頻段，MES提供當(dāng)前生產(chǎn)的電力機(jī)車車型和電力機(jī)車車型的生產(chǎn)節(jié)拍時間數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊將生產(chǎn)的電力機(jī)車車型和電力機(jī)車車型的生產(chǎn)節(jié)拍時間數(shù)據(jù)傳遞到電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)中，系統(tǒng)顯示當(dāng)前生產(chǎn)電力機(jī)車車型和計時到達(dá)當(dāng)前電力機(jī)車車型的生產(chǎn)節(jié)拍時間。無線傳輸模塊電路的工作頻道號選擇1，利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，串口的傳輸速率為9 600 b/s[11]。同時設(shè)計的系統(tǒng)記錄完成節(jié)拍計時的次數(shù)，統(tǒng)計電力機(jī)車完成的產(chǎn)量，將完成的電力機(jī)車數(shù)量也通過無線傳輸模塊電路傳輸?shù)組ES中，便于對電力機(jī)車產(chǎn)量的統(tǒng)計。

圖10 MES和電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)結(jié)合的示意圖

5 PCB的設(shè)計和整體系統(tǒng)的調(diào)試

5.1 PCB的設(shè)計

電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)的PCB設(shè)計利用Altium Designer 10軟件進(jìn)行[12]。本軟件包含電路圖設(shè)計、PCB設(shè)計、自動布線等功能。在電路圖中對各個芯片原件進(jìn)行編號和選擇封裝，AT89S51芯片采用DIP-40雙列直插式封裝，時鐘芯片DS12CR887-33采用DIP-24雙列直插式封裝。PCB采用雙層板設(shè)計，頂層放置元器件和封裝，底層進(jìn)行器件引腳部分的焊接，來對設(shè)計的電路進(jìn)行布線。

5.2 整體系統(tǒng)的調(diào)試

為保證設(shè)計智能節(jié)拍系統(tǒng)可正常運(yùn)行，本系統(tǒng)分為硬件電路調(diào)試、軟件調(diào)試以及利用開發(fā)板調(diào)試三部分。硬件電路調(diào)試檢測電路是否出現(xiàn)短路以及未連接等故障，主要檢查單片機(jī)和時鐘芯片之間的連接以及單片機(jī)和顯示模塊的連接。軟件調(diào)試是利用Keil Uvision2集成開發(fā)軟件進(jìn)行在線調(diào)試。前兩部分調(diào)試完成后，進(jìn)行開發(fā)板的調(diào)試，將程序燒錄至系統(tǒng)中運(yùn)行檢測工作效果。多次調(diào)試后，所設(shè)計系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能正常，顯示效果良好。

6 結(jié)論

本次系統(tǒng)設(shè)計將MES和電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)相結(jié)合，電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)采用AT89S51芯片作為控制核心，讀取時鐘芯片DS12CR887-33的數(shù)據(jù)，通過LCD1602液晶模塊顯示。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)度的計時，到達(dá)生產(chǎn)節(jié)拍時間時自動聲光提示，運(yùn)用433頻段無線傳輸電路將MES中裝配的對應(yīng)電力機(jī)車車型和對應(yīng)電力機(jī)車生產(chǎn)節(jié)拍時間發(fā)送到電力機(jī)車智能節(jié)拍系統(tǒng)當(dāng)中，保證電力機(jī)車總裝線平穩(wěn)工作，同時也可以記錄節(jié)拍時間完成次數(shù)，通過本系統(tǒng)統(tǒng)計電力機(jī)車產(chǎn)量。設(shè)計的智能節(jié)拍系統(tǒng)經(jīng)過硬件調(diào)試、軟件調(diào)試以及開發(fā)板實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明本設(shè)計系統(tǒng)方案可行，在機(jī)車總裝車間內(nèi)具有很大的實(shí)用價值。