基于ZigBee 和RFID 的CNC 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

劉忠凱 段富海

(①深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518100;②大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024)

隨著數(shù)控技術在我國的大規(guī)模應用，數(shù)控加工車間的信息化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)持續(xù)發(fā)展的必然選擇。數(shù)控機床是數(shù)控加工車間的主要設備，是MES(manufacturing execution system)重要的研究對象，對其高效利用是提高數(shù)字化車間生產(chǎn)效率的根本保障。MES系統(tǒng)是面向車間級的生產(chǎn)信息管理一體化系統(tǒng)，為車間工人及管理者提供生產(chǎn)加工、決策管理等信息［1-4］。隨著MES 的逐步應用，智能化的數(shù)控機床相關數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為制造企業(yè)信息化的重要環(huán)節(jié)，采集系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接決定著制造企業(yè)的生產(chǎn)效率。

按照功能組成，MES 系統(tǒng)包含生產(chǎn)設備的管理與現(xiàn)場生產(chǎn)信息的管理［5］，具體到數(shù)控機床則可分為數(shù)控機床狀態(tài)數(shù)據(jù)和數(shù)控機床生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)兩部分。目前，對于數(shù)控機床狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集研究較為成熟，如基于宏命令、PLC 電器電路、外接傳感器、嵌入式OPC 及Internet 遠程監(jiān)控等采集方法已經(jīng)得到了較為全面的研究［6-8］。雖然很多數(shù)控機床狀態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都受數(shù)控系統(tǒng)本身開放性的影響，多數(shù)接口不能直接獲得機床的狀態(tài)［9］，但通過對多種采集方法的靈活綜合應用，基本可以實現(xiàn)對數(shù)控機床狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集。但只采集數(shù)控機床的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)并不能全面反映加工過程數(shù)據(jù)，必須要結(jié)合數(shù)控機床現(xiàn)場生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)，而目前對于這一方面的研究缺乏一定的實用性，很難反應加工現(xiàn)場狀態(tài)。所以對數(shù)控機床生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究具有重要意義。

通過對數(shù)控機床現(xiàn)場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析，提出了基于RFID 與ZigBee 技術的數(shù)控機床生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)。系統(tǒng)在采集層及傳輸層進行了系統(tǒng)性設計，可以實現(xiàn)智能無接觸式采集和組網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸，對加工人員信息與在制品工序信息實現(xiàn)智能化采集。該方法具有便捷、高效、準確率高等優(yōu)點，不但能實現(xiàn)車間內(nèi)數(shù)據(jù)采集，還可以通過更大范圍的組網(wǎng)實現(xiàn)廠級甚至更大級別的數(shù)據(jù)采集。

1 系統(tǒng)總體設計

數(shù)控機床生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)分為3 個層次:采集層、傳輸層、管理層，如圖1 所示。

RFID 采集層負責與數(shù)控機床有關的數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)編寫為相應的數(shù)據(jù)幀格式。采集層信息包括工人信息、在制品工序信息、質(zhì)量信息、批次信息等。

ZigBee 傳輸層負責將采集層數(shù)據(jù)幀進行解析與打包處理，并通過ZigBee 無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C端，由上位機端進行集中管理。

上位機管理端將傳輸層數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)解析數(shù)據(jù)類型決定執(zhí)行動作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與人機交互。上位機管理端提供數(shù)據(jù)庫操作，管理者可對歷史數(shù)據(jù)進行查詢。

采集系統(tǒng)結(jié)合RFID 與ZigBee 技術實現(xiàn)采集層數(shù)據(jù)采集與傳輸層數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)采集層采用RFID 高低頻搭配的方案，低頻RFID 對讀寫頻率較低、周期時間較長的工人信息進行采集，高頻RFID 對讀寫頻率較高、周期時間較短的在制品信息進行采集，避免兩者信息之間干擾的同時降低了系統(tǒng)設計難度。傳輸層利用CC2530 無線射頻芯片設計了傳輸模塊，無線模塊與RFID 模塊采用組合式設計，兩種模塊可以靈活地進行組合，形成采集傳輸一體化模塊，CC2530 模塊與RFID 模塊之間采用串口通訊，保證通訊效率。采集與傳輸一體化模塊通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與上位機進行通訊，ZigBee 協(xié)調(diào)模塊與上位機之間采用RS232 進行通訊，完成了數(shù)控生產(chǎn)信息的集中管理功能。圖2 為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件包括采集工人信息的低頻RFID 模塊、采集在制品信息的高頻RFID 模塊及ZigBee 無線信息傳輸模塊。

(1)工人信息采集模塊。低頻工人考勤信息采集采用MCU+射頻基站芯片的方式，MCU 與射頻芯片通過控制引腳相連。主控芯片采用STC 公司的51 內(nèi)核單片機STC F1104E，射頻芯片采用U2270B 芯片，U2270B 通過2 個線圈驅(qū)動引腳外接電容與線圈組成振蕩電路，產(chǎn)生射頻場載波可以提供100～150 kHz 的射頻載波，典型的載波頻率為125 kHz。圖3 為工人信息采集模塊總體結(jié)構(gòu)框圖。

(2)在制品信息采集模塊。在制品信息采集數(shù)據(jù)量大，讀寫頻繁，并且要求有一定的讀寫距離，故采用高頻13.56 MHz 的RFID。該模塊支持對ISO15693、ISO14333A 協(xié)議射頻卡的讀寫操作，可快速地完成對標簽卡內(nèi)部資源的訪問與存儲。MCU 采用低功耗16位高性能MSP430f2370 處理器，射頻模塊采用低功耗非接觸式讀寫器射頻芯片TRF7960。

圖4 中線圈匹配電路決定天線負載，從而調(diào)整實際品質(zhì)因數(shù)Qantenna使其更加接近最佳品質(zhì)因數(shù)Qrequred，提高天線性能。天線采用PCB 天線，具有體積小、電路簡單的優(yōu)點。該方案設計射頻模塊讀卡距離可達6～10 cm，可滿足在制品加工中的讀寫要求。

(3)ZigBee 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線模塊采用市場上應用較為成熟的CC2530F256 芯片，該芯片集成了基于2.4 GHz 的IEEE802.15.4 標準的RF 無線收發(fā)器與增強型的8051 內(nèi)核。CC2530 通訊模塊采用插針的方式接入底板，在底板預留相應的插槽，可以靈活地更換通訊模塊。該模塊的供電電路、DEBUG 接口及按鍵、LED 指示燈、I/O 接口等外設也全部通過插針引到相應的底板上。CC2530 節(jié)點與射頻模塊底板MCU之間通訊是通過UART 接口交叉連接的。圖5 為CC2530 與MCU 連線示意圖。

本文中的設計采用PCB 倒F 天線。倒F 天線具有尺寸小、設計方便等優(yōu)點，并且在不用增加任何尺寸的情況下將阻抗匹配到50 Ω。

3 傳輸格式定義

低頻125 kHz 工人信息采集模塊針對EM4100 射頻卡進行讀取，卡內(nèi)存儲10 位卡號信息，其數(shù)據(jù)傳輸只需將卡號信息采集發(fā)送即可。高頻RFID 為TI 標準的ISO15693 標簽應答器，標簽卡最小讀寫單位是塊，也就是每次讀寫至少要4 個字節(jié)，可以分塊讀寫，也可以連續(xù)多塊讀寫。工件物流及在制品的工序信息都存儲在2 084 bits 的用戶數(shù)據(jù)區(qū)中，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同存儲在不同的塊區(qū)中。工件工序卡分為單件工序卡和批次工序卡，塊1 的第1 字節(jié)存儲卡類型信息，當?shù)? 字節(jié)為0×01 表示該卡為批次工序卡，當?shù)? 字節(jié)為0 ×02時表示該卡為單件工序卡。如圖6 所示。

卡片其他用戶數(shù)據(jù)區(qū)存儲內(nèi)容包括:工件或批次編號、訂單號、批次或工件數(shù)量、工件類型、工序總數(shù)、已完成工序數(shù)、加工開始標志及加工結(jié)束標志、質(zhì)量信息、設備信息。RFID 卡存儲信息定義如表1 所示。

表1 數(shù)控機床加工信息卡數(shù)據(jù)區(qū)定義

生產(chǎn)信息采集卡信息共用15 塊卡內(nèi)數(shù)據(jù)存儲空間，讀卡器根據(jù)卡內(nèi)信息狀態(tài)編輯空間信息。其中，工件及批次編號、訂單號、工件類型、總工序數(shù)信息是在工件進入加工區(qū)之前寫入，系統(tǒng)將這些工件生產(chǎn)信息與卡號之間進行綁定，并錄入數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中可以查詢其對應信息。但為提高整體系統(tǒng)的實時性，避免在上位機數(shù)據(jù)庫中搜索數(shù)據(jù)，所以將這些固定信息提前錄入卡內(nèi)，以便實時、快速地將數(shù)據(jù)傳達到上位機管理端。

數(shù)控機床現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)最終要通過ZigBee 網(wǎng)絡進行傳輸，在傳輸之前需要對數(shù)據(jù)包進行一定的格式規(guī)定，形成統(tǒng)一標準數(shù)據(jù)幀，便于上位機對數(shù)據(jù)的管理。表2 為數(shù)控機床生產(chǎn)信息采集數(shù)據(jù)傳輸幀格式。

表2 數(shù)控機床生產(chǎn)信息采集數(shù)據(jù)傳輸幀格式

工人信息及在制品信息都嵌入表2 中的數(shù)控機床生產(chǎn)信息采集傳輸數(shù)據(jù)幀，其中第6 字節(jié)用于區(qū)分是工人信息還是在制品信息，而讀取的射頻卡數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)幀的7 到20 字節(jié)。第21 字節(jié)和校驗值為數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)之和對256 取余的運算結(jié)果，和校驗能夠在一定程度上保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，防止外接電磁干擾導致的數(shù)據(jù)錯誤。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 RFID 采集程序設計

采集程序設計分為工人信息低頻采集程序設計與在制品信息高頻采集程序設計。

(1)工人信息采集程序。采集程序采用輪詢的方式，實時檢測是否有卡片進入射頻區(qū)，對進入射頻區(qū)的卡片讀取其卡號?？ㄌ柍绦蚓帉懸凑誆M4100 數(shù)據(jù)傳輸格式進行編寫，在程序開頭要對9 位1 的字頭進行檢測，并且需要對每一行及每一列的數(shù)據(jù)進行奇偶校驗，保證傳輸?shù)臏蚀_率。

(2)在制品信息采集程序。通過RFID 讀寫模塊對射頻卡的操作實現(xiàn)在制品工序信息的管理，加工人員只需在加工開始及結(jié)束后對工件對應RFID 標簽卡進行刷卡，并根據(jù)查看工件質(zhì)量選取相應的質(zhì)量信息錄入，其余工序信息數(shù)據(jù)管理由RFID 讀卡器自動完成。圖8 為數(shù)控機床在制品信息采集程序流程。

在制品信息工序及質(zhì)量等信息都對應不同的位，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換也是通過對位進行操作實現(xiàn)的，采集過程中需要對位狀態(tài)轉(zhuǎn)換進行設計。加工狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程如圖9 所示。

4.2 CC2530 模塊程序設計

CC2530 節(jié)點軟件設計基于TI 公司設計的Z-stack協(xié)議棧。Z-stack 的網(wǎng)絡建立是由協(xié)調(diào)器來完成的，協(xié)調(diào)器分配網(wǎng)絡中各個節(jié)點的地址，在一個子節(jié)點加入網(wǎng)絡時，協(xié)調(diào)器就會分配一個網(wǎng)絡16 位地址，這個地址在該ZigBee 網(wǎng)絡中是唯一的。本文中全部采用RFD 設備，即一個協(xié)調(diào)器和多個路由器設備，各路由節(jié)點自動以多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器［10］，車間生產(chǎn)信息采集節(jié)點根據(jù)自身位置自動進行組網(wǎng)，通過PC 對路由節(jié)點的添加，可以確定其網(wǎng)絡短地址，并將短地址與設備編號相對應。當在制品或人員信息進行刷卡操作時，路由子節(jié)點就會將帶有生產(chǎn)或人員信息的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。圖10 為路由器節(jié)點工作流程圖。

協(xié)調(diào)器節(jié)點在創(chuàng)建網(wǎng)絡后，監(jiān)視整個網(wǎng)絡是否有節(jié)點加入，當節(jié)點有數(shù)據(jù)上傳時，協(xié)調(diào)器通過RS232 接口將數(shù)據(jù)上傳給上位機。協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖如圖11 所示。

4.3 上位機設計

系統(tǒng)上位機完成對數(shù)控機床狀態(tài)信號及生產(chǎn)信息的集中監(jiān)控及管理工作，同時對采集層部分數(shù)據(jù)進行解析處理，完成一定量的數(shù)據(jù)分析任務。本系統(tǒng)上位機系統(tǒng)采用C++進行設計，通過界面及通訊接口的設計，構(gòu)建底層采集系統(tǒng)與人之間的信息交互平臺。采集系統(tǒng)通訊不是單一線程可以完成的，要采用多線程的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。圖12 為上位機系統(tǒng)線程框架。

5 系統(tǒng)測試

生產(chǎn)信息采集測試是基于RFID 及ZigBee 的采集及傳輸?shù)木C合測試，RFID 的高低頻模塊分別采集工人及工件工序卡射頻卡中的信息，并通過ZigBee 網(wǎng)絡進行上傳，通過對信息讀取正確率評定系統(tǒng)性能。圖13和圖14 為測試上位機界面。

將測試分為3 組，分別對工人信息與在制品信息進行測試，并讀寫相應RFID 卡片50 次，觀察上位機測試結(jié)果。測試結(jié)果如表3 所示。

CC2530 通訊距離對于系統(tǒng)傳輸性能有很大影響，所以需要針對不同功率、不同距離情況下的CC2530通訊效率進行測試。經(jīng)測試，系統(tǒng)采用默認通訊功率1dBm(1.26 mW)以點對點的方式發(fā)送1 000 個數(shù)據(jù)包時，室外120 m 左右通訊丟包率基本為0，在室內(nèi)25 m范圍內(nèi)通訊基本無損失，滿足一般車間的通訊要求。

表3 數(shù)控機床生產(chǎn)信息讀卡50 次測試結(jié)果

6 結(jié)語

對數(shù)控機床生產(chǎn)信息采集方法進行了研究，提出了基于RFID 的采集方案與基于ZigBee 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸方案。分別設計了工人信息采集低頻RFID 模塊、在制品工序信息采集高頻RFID 模塊及基于CC2530的ZigBee 網(wǎng)絡傳輸模塊。通過對數(shù)控機床現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，定義了車間采集系統(tǒng)的通訊規(guī)約，并對生產(chǎn)加工信息的采集流程進行了設計。對系統(tǒng)性能進行了測試，測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有通訊效率高、讀寫速度快、準確率高的特點，能夠滿足數(shù)控機床生產(chǎn)信息的采集要求。

［1］楊海成，祁國寧.制造業(yè)信息化技術的發(fā)展趨勢［J］.中國機械工程，2004(19):1693 -1712.

［2］杜平安.制造業(yè)信息化的發(fā)展與現(xiàn)狀研究［J］.中國機械工程，2003，14(13):1126 -1130.

［3］趙群，張翔，杜呈信.基于物聯(lián)網(wǎng)時代的我國制造業(yè)信息化發(fā)展趨勢［J］.機械制造，2012 (4):1 -5.

［4］MESA International，White Paper Number 3，Controls Definition ＆MES to Controls Data Flow Possibilities，Pittsburgh:MESA International，1997.

［5］付林云.MES 中數(shù)控車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和應用［D］.杭州:浙江大學，2008.

［6］Ao Maoyao，Zhao Yan.The research of heterogeneous CNC machine tool DNC integration system based on OPC technology［J］.Applied Mechanics and Materials，2013(246):1031 -1034.

［7］王加興.離散制造車間數(shù)據(jù)采集及其分析處理系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.杭州:浙江大學，2010.

［8］Mori M，F(xiàn)ujishima M.Remote monitoring and maintenance system for CNC machine tools［C］.8thCIRP Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering，2013.

［9］SrinivasaPrasad B，SivaPrasad D，Sandeep A，et al.Condition monitoring of CNC machining using adaptive control［J］.International Journal of Automation and Computing，2013(3):202 -209.

［10］梁龍，王春雪.基于RFID 和Zigbee 網(wǎng)絡的分布式考勤系統(tǒng)設計［J］.制造業(yè)自動化，2012，34(7):14 -17.