基于MES 平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)

徐東，黃海艇，肖楠

（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心（上海）有限公司，上海 200232）

隨著機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械生產(chǎn)的合格率由于受到多方面影響而逐漸下降，為了提升產(chǎn)品的合格率，需要加強(qiáng)機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)線加工數(shù)據(jù)的采集。在機(jī)械加工過程中，生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的影響非常關(guān)鍵，因此需要設(shè)計(jì)一種采集系統(tǒng)采集機(jī)械生產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)，以此評(píng)估機(jī)械生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)[1-2]。機(jī)械生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)采集在MES 平臺(tái)中起著重要的作用，MES 是制造執(zhí)行系統(tǒng)，在機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中解決系統(tǒng)硬件和軟件連接上的問題[3-4]。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集，相關(guān)學(xué)者對(duì)此問題進(jìn)行了研究。有學(xué)者設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在采用LabVIEW 技術(shù)后，通過系統(tǒng)硬件中的射頻芯片對(duì)機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，該系統(tǒng)雖實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，但系統(tǒng)的采集靈敏度較低。有學(xué)者設(shè)計(jì)了基于ZigBee 的機(jī)械生產(chǎn)線嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，但是在采集時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的誤碼率，同時(shí)也很容易出現(xiàn)丟包問題[5-6]。

為了解決以上出現(xiàn)的問題，該文設(shè)計(jì)了基于MES 平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件和軟件環(huán)境，系統(tǒng)硬件主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)，軟件方面給出了系統(tǒng)的采集流程，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文系統(tǒng)的實(shí)際使用效果。

1 生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的基于MES 平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于MES平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是基于MES 平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備，為提升系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集效率和精度，該系統(tǒng)采用STM32F103VE微處理器作為數(shù)據(jù)采集器的核心控制器和數(shù)據(jù)處理器。STM32F103VE單片機(jī)本身集成AD轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要功能是對(duì)采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析，確定數(shù)據(jù)處理器的處理方式[7]。數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換器利用12次逐漸逼近，設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸通道共有16 個(gè)，單通道的AD 平均數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1.17 μs，利用最慢數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定時(shí)鐘周期，能夠?qū)⒉杉哪M信號(hào)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，大大提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率和處理速度。除此之外，該文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)據(jù)分類等預(yù)處理，針對(duì)部分生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，可自定義數(shù)據(jù)采集范圍，數(shù)據(jù)采集誤差低于1%[8-9]。

1.2 PLC控制器

設(shè)定可編程邏輯控制器以及數(shù)字電子設(shè)備，從而替代傳統(tǒng)的大型機(jī)電設(shè)備，其主動(dòng)控制是系統(tǒng)運(yùn)行的核心之一，被廣泛應(yīng)用于我國的工業(yè)控制領(lǐng)域[10-13]?？紤]到系統(tǒng)功能的復(fù)雜化，采用STC89C52RC 型微處理器作為PLC 控制器的核心處理器，實(shí)現(xiàn)PLC 控制器低功耗的同時(shí)，提升控制器的性能，從而提高PLC 控制器數(shù)據(jù)處理運(yùn)算能力和功能數(shù)量，借助STC89C52RC 型微處理器的8 kB 系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，利用邏輯運(yùn)算法和定時(shí)時(shí)鐘等操作滿足用戶的控制需求，同時(shí)，其較強(qiáng)的可編譯性支持多種語言的運(yùn)行，通過修改運(yùn)行腳本可擴(kuò)展PLC 的控制功能，提升其應(yīng)用的靈活性。PLC 控制器電路圖如圖3 所示。

圖3 PLC控制器電路圖

1.3 OPC接口

為解決系統(tǒng)各硬件設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸和通信方面的困難，該文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)的OPC 接口為現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備、應(yīng)用軟件、控制應(yīng)用之間統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口[14-15]。OPC 接口建立在對(duì)象連接和嵌入的基礎(chǔ)上，OPC 接口的應(yīng)用使得系統(tǒng)內(nèi)的每一設(shè)備和服務(wù)器之間能夠自由地通信和連接。每一個(gè)設(shè)備端可看作是OPC 的客戶端，通過連接OPC 接口，可忽略不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式差異，直接提取設(shè)備信息，這種存在于客戶端和開發(fā)端之間的規(guī)則，使傳輸數(shù)據(jù)對(duì)二者來說是透明的，在這種情況下，開發(fā)者不必了解系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和功能，只需考慮接口嵌入和連接需求和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等。其次，利用OPC 接口建立系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，一般需對(duì)PLC 控制器進(jìn)行協(xié)議匹配，即在PLC控制器允許的前提下通過特定的組態(tài)完成各設(shè)備端的接口設(shè)計(jì)。

2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Linux驅(qū)動(dòng)程序移植

Linux驅(qū)動(dòng)程序移植的關(guān)鍵在于讀懂?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)所用操作系統(tǒng)內(nèi)核原有的驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)硬件平臺(tái)的需求和運(yùn)行特性，修改驅(qū)動(dòng)程序代碼，移植RS232 串口，實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)的運(yùn)行[16]。針對(duì)該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件平臺(tái)，Linux驅(qū)動(dòng)程序移植步驟如圖4 所示。

圖4 Linux驅(qū)動(dòng)程序移植步驟

1）設(shè)定系統(tǒng)操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)中引入arch目錄，在硬件平臺(tái)對(duì)文件進(jìn)行初始化操作。

2）讀懂對(duì)應(yīng)硬件的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序，了解程序架構(gòu)框架，結(jié)合該文設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行修改，通常情況下，修改只針對(duì)關(guān)鍵性的代碼語句，設(shè)定硬件參數(shù)，修改參數(shù)內(nèi)部的源碼driver 目錄。

3）修改系統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核配置目錄，添加相應(yīng)硬件設(shè)備的軟件支持。

2.2 Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

Linux 驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序從無到有的過程，從本質(zhì)上講，Linux 驅(qū)動(dòng)程序利用系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)，設(shè)定內(nèi)核，Linux 驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)能夠完善系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)種類更多、包含面更廣泛的系統(tǒng)功能。在了解系統(tǒng)硬件原理的基礎(chǔ)上，Linux驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)步驟如圖5 所示。

圖5 Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)步驟

首先，了解按鍵驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)體，明確程序支持所需的文件操作，查看驅(qū)動(dòng)程序源代碼的結(jié)構(gòu)初始化，實(shí)現(xiàn)按鍵打開、按鍵關(guān)閉、按鍵讀取、按鍵測(cè)驗(yàn)等基礎(chǔ)按鍵操作。

其次，初始化按鍵驅(qū)動(dòng)，卸載key-int 和key-exit函數(shù)，初始化按鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)，調(diào)用module 函數(shù)注冊(cè)初始化函數(shù)。

然后，將編寫完成的驅(qū)動(dòng)程序加入到系統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核源碼中，修改內(nèi)核文件，執(zhí)行編譯操作。

最后，將經(jīng)過配置修改和編譯完成的程序投入硬件平臺(tái)中進(jìn)行運(yùn)行，利用編碼程序分析工作數(shù)據(jù)，確定異常數(shù)據(jù)，并重新編寫異常數(shù)據(jù)，使檢驗(yàn)通過的程序允許運(yùn)行[17]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于MES 平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)的實(shí)際工作效果，將基于LabVIEW 的機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與該文系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

首先對(duì)比兩種系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏度。實(shí)驗(yàn)中，選用一部分材料均勻的毛坯，一部分材料不均勻的毛坯，分別在機(jī)械加工生產(chǎn)線上進(jìn)行加工操作，記錄兩種采集系統(tǒng)的機(jī)床主軸振動(dòng)情況。兩種采集系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。

圖6 采集系統(tǒng)靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，通過兩種系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，但機(jī)床主軸的振動(dòng)情況不同，當(dāng)采用材料均勻的毛坯進(jìn)行加工時(shí)，該文系統(tǒng)的機(jī)床主軸振動(dòng)正常，生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集較為順利，而采用基于LabVIEW 的機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的機(jī)床主軸振動(dòng)出現(xiàn)了一處波動(dòng)，造成生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集緩慢，采集的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)不完整，這是由于基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)毛坯的材料識(shí)別精度較低，反應(yīng)較慢。當(dāng)采用材料不均勻的毛坯進(jìn)行加工時(shí)，該文系統(tǒng)的機(jī)床主軸振動(dòng)異常，在機(jī)床剛開始對(duì)毛坯進(jìn)行加工時(shí)，機(jī)床異常振動(dòng)一次，在加工的第300 s 時(shí)，機(jī)床又異常振動(dòng)一次，在第500 s 時(shí)，機(jī)床發(fā)生了較大頻率的振動(dòng)，并且機(jī)床上的報(bào)警裝置自動(dòng)報(bào)警，提示機(jī)床中的材料出現(xiàn)問題，需要作出響應(yīng)；而基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，機(jī)床只出現(xiàn)了一次異常振動(dòng)，并且沒有進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，反應(yīng)靈敏度較低，由此可驗(yàn)證該文系統(tǒng)的靈敏度優(yōu)于基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靈敏度，這是由于在該文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)具有MES 平臺(tái)，它為采集系統(tǒng)提供了較為完善的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床的振動(dòng)情況，以此判斷機(jī)床生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，可以將生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)上報(bào)給工作人員，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

基于以上得到的系統(tǒng)靈敏度對(duì)比結(jié)果，對(duì)兩種采集系統(tǒng)的誤碼率和丟包率進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

在生產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化采集的過程中，在采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤碼和丟包的情況，這會(huì)影響生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集效果，造成生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的部分丟失，不能保證生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的完整性。為了更準(zhǔn)確地對(duì)比出兩種采集系統(tǒng)的誤碼率和丟包率，設(shè)定生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的初始采集速率為1.5 pkts/s，使系統(tǒng)同時(shí)采集兩臺(tái)機(jī)床上的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，隨著采集速率的不斷提升，記錄兩種采集系統(tǒng)采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的數(shù)量，通常情況下采集的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)越多，數(shù)據(jù)的丟包率越低，其中，誤碼率=數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)/采集速率×100%。兩種系統(tǒng)的丟包率對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 丟包率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，隨著采集速率的不斷升高，該文系統(tǒng)和基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)數(shù)量均逐漸升高，兩種系統(tǒng)均出現(xiàn)了誤碼和丟包的現(xiàn)象，但該文設(shè)計(jì)的基于MES 平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)采集的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量，在任何一個(gè)采集速率下，數(shù)據(jù)量都較高，因此該文系統(tǒng)的丟包率低于基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的丟包率，通過對(duì)誤碼率的計(jì)算，可得出該文系統(tǒng)的誤碼率低于基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤碼率，說明該文系統(tǒng)的采集效果更好，可以采集更多的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)。

綜上所述，該文設(shè)計(jì)的基于MES 平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)優(yōu)于基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該文系統(tǒng)的采集靈敏度更好，數(shù)據(jù)的丟包率和誤碼率更低，采集效果更佳。

4 結(jié)束語

綜上所述，該文為了了解生產(chǎn)線情況、確定生產(chǎn)線內(nèi)部的管理水平、確保生產(chǎn)效率可以得到提高，利用硬件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，設(shè)置軟件程序執(zhí)行硬件操作，最后通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)的基于MES平臺(tái)的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)優(yōu)于基于LabVIEW 的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。