注射機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉　帥，趙連軍，李　彬，張龍波（山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東淄博255049）

注射機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉帥，趙連軍，李彬，張龍波
（山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東淄博255049）

為了幫助企業(yè)提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和原材料的有效利用率，開發(fā)了基于C/S架構(gòu)的注射機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對注射機設(shè)備工作參數(shù)的實時監(jiān)控。系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議ZigBee進行小型局域網(wǎng)內(nèi)組網(wǎng)，通過改進的硬件設(shè)備無線數(shù)據(jù)采集模塊實時發(fā)送注射機的工作參數(shù)，并在客戶端接收數(shù)據(jù)信息，由軟件系統(tǒng)繪制即時有效的數(shù)據(jù)監(jiān)控波形圖。實際運行結(jié)果顯示：本系統(tǒng)安全可靠，實現(xiàn)了對注射機設(shè)備的智能監(jiān)控。

注射機；監(jiān)控系統(tǒng)；實時監(jiān)控；無線數(shù)據(jù)采集模塊

注射機在復(fù)合絕緣子行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，其工作狀態(tài)直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。目前我國的復(fù)合絕緣子生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)檢控制主要采用人工檢測方法，這種檢測方法有許多缺點，包括增加工人勞動力、增加產(chǎn)品的工時和生產(chǎn)成本、無法有效監(jiān)督質(zhì)檢操作等。同這種傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測方法相比［1］，直接對注射機設(shè)備進行監(jiān)控可解決以上問題，從而代替人工質(zhì)檢，具有非常高的實用價值。系統(tǒng)采用的硬件設(shè)備無線數(shù)據(jù)采集模塊以及軟件開發(fā)平臺的技術(shù)都較成熟，為本系統(tǒng)開發(fā)提供了強有力的技術(shù)支持，增加了系統(tǒng)的可行性和實用性。系統(tǒng)運行于安全可靠、不宜受外網(wǎng)攻擊的企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)，數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收采用加密的無線傳輸信號，增強了系統(tǒng)的健壯性。本研究根據(jù)企業(yè)的實際需求，開發(fā)了一套較為實用的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時監(jiān)控，對于不合格產(chǎn)品具有及時提示以及數(shù)據(jù)記錄等功能。同時，本系統(tǒng)在原有硬件設(shè)備基礎(chǔ)上進行了改進，實現(xiàn)了直流電壓和交流電壓的混合使用，無需改動下位機站號。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)劃分成3層：服務(wù)管理層、客戶服務(wù)層和無線數(shù)據(jù)采集層?；镜南到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

服務(wù)管理層由系統(tǒng)服務(wù)器、管理主機和企業(yè)局域網(wǎng)組成。該層屬于系統(tǒng)的最高領(lǐng)導(dǎo)層，通常被單獨放置在機房中，為其營造良好的運行環(huán)境。在管理主機上安裝系統(tǒng)軟件，管理人員可對分布在車間內(nèi)的每臺設(shè)備進行管理和系統(tǒng)維護升級。系統(tǒng)服務(wù)器為數(shù)據(jù)信息存放和各種數(shù)據(jù)操作提供了方便，它通過局域網(wǎng)與客戶端相連，接收來自不同客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)請求信息，在進行相關(guān)的數(shù)據(jù)操作后即時應(yīng)答，將處理后的數(shù)據(jù)信息回傳到客戶端，為客戶端提供強大的后臺支持。

客戶服務(wù)層由客戶端、USB數(shù)據(jù)線、無線數(shù)據(jù)采集模塊和企業(yè)局域網(wǎng)組成?？蛻舳藶橛脩籼峁┯押萌藱C界面、可視化操作的計算機，以企業(yè)局域網(wǎng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)與系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，并通過USB數(shù)據(jù)線連接無線數(shù)據(jù)信號接收器，接收下位機（注射機）發(fā)送器發(fā)送的無線數(shù)據(jù)信號以監(jiān)控車間內(nèi)各臺設(shè)備的工作參數(shù)。在每臺計算機上存放本系統(tǒng)軟件，用戶可通過授權(quán)的用戶賬號和口令登錄系統(tǒng)，對整個軟件系統(tǒng)進行操作，實時監(jiān)控設(shè)備的運行參數(shù)。

無線數(shù)據(jù)采集層處于最底層，由車間內(nèi)的下位機、RS-485數(shù)據(jù)總線和無線數(shù)據(jù)采集模塊組成。設(shè)備的工作參數(shù)由RS-485數(shù)據(jù)總線實時傳輸給無線數(shù)據(jù)采集模塊，再由無線數(shù)據(jù)采集模塊將數(shù)字信號通過無線傳播向上位機發(fā)送。

1.2無線數(shù)據(jù)通信方式

本系統(tǒng)使用低功耗的局域網(wǎng)協(xié)議Zig-Bee［2-9］。理論上無線信號的傳輸范圍為100 m，但根據(jù)車間內(nèi)部的實際環(huán)境，采用3～5個無線客戶端為一組，其中1個作為主機，其他作為從機，以實現(xiàn)近距離的局域網(wǎng)內(nèi)無線組網(wǎng)的通信。該方式可節(jié)省硬件成本，實現(xiàn)方法簡單，只需將同一組的無線數(shù)據(jù)采集模塊修改成統(tǒng)一的波特率（通常設(shè)置為9 600 bit）、信道、校驗方式（偶校驗）、站號。主機連接在客戶端上，從機連接下位機，可實現(xiàn)一對多的組播通信。

1.3硬件連接原理

硬件的連接方式較簡單，且操作方便。與下位機通信的RS-485數(shù)據(jù)總線的9個針腳使用了2個：3號針腳（TXD/RXD+）串行數(shù)據(jù)發(fā)送端連接無線數(shù)據(jù)模塊的黃色線；8號針腳（TXD/RXD-）串行數(shù)據(jù)接收端連接無線數(shù)據(jù)模塊的藍色線。與上位機通信的連接計算機的USB數(shù)據(jù)線不僅可與無線數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)通信，還可為其充電。無線數(shù)據(jù)采集模塊的引腳使用了4個，其接線參數(shù)如表1所示。

表1　無線數(shù)據(jù)模塊接線參數(shù)

1.4系統(tǒng)硬件改進

無線數(shù)據(jù)采集模塊的核心部件采用CC2530模塊［10］加工制作。同時對該模塊進行了改進，為無線數(shù)據(jù)采集模塊添加可充放的電池模塊，使得無線數(shù)據(jù)采集模塊擁有兩種供電模式：直流電供電模式和交流電供電模式。添加該模塊的目的是防止無線數(shù)據(jù)采集模塊交流電源接觸不良導(dǎo)致斷電，造成數(shù)據(jù)信號不能發(fā)送而產(chǎn)生監(jiān)控誤差。之前的下位機站號更改需要專業(yè)人員采用對應(yīng)的軟件下載下位機信息，手動更改站號后將信息上載給下位機，操作較繁瑣，而且使用的無線數(shù)據(jù)采集模塊也不具備更改站號的功能。因此，本系統(tǒng)在硬件設(shè)計時添加了多個站號開關(guān)，使用時只需將相應(yīng)的站號開關(guān)打開即可，普通工人就可完成操作，為系統(tǒng)實施帶來便利。圖2為新增的直流電池電路，在交流電工作時該電池處于充電或不活動狀態(tài)，當(dāng)交流電不工作時直流電池開始工作。圖3是新添加的站號開關(guān)電路，硬件開發(fā)完成后將編譯好的程序?qū)懭隒C2530模塊，即可靈活應(yīng)用X0～X7的8個站號開關(guān)。

圖2　直流電池電路

圖3　站號開關(guān)電路

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

在注射機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計中，以VS2010作為軟件的客戶端開發(fā)環(huán)境，SQL2008作為服務(wù)器端的數(shù)據(jù)操作平臺。系統(tǒng)實現(xiàn)語言是C#，整體架構(gòu)為C/S架構(gòu)［11-14］。系統(tǒng)軟件設(shè)計從功能上可劃分為3個模塊：登錄模塊、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。系統(tǒng)的邏輯功能見圖4。

圖4　系統(tǒng)邏輯功能

登錄模塊是保證系統(tǒng)安全可靠性的必不可少的部分，只有經(jīng)過授權(quán)的用戶才能使用系統(tǒng)。每位工人工作時登錄系統(tǒng)即可完成一天的工作記錄和數(shù)據(jù)信息監(jiān)控，使每一個產(chǎn)品都有負責(zé)人，方便不合格產(chǎn)品的責(zé)任追究。系統(tǒng)同時為人員考勤和工資結(jié)算提供了方便，避免了繁瑣的人工記錄。

實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊是整個系統(tǒng)的核心模塊，實現(xiàn)了對設(shè)備工作參數(shù)的實時監(jiān)控。設(shè)備工作時的運行參數(shù)將記錄在此模塊中。經(jīng)過軟件程序與后臺數(shù)據(jù)庫的交互操作，設(shè)備的工作參數(shù)被及時有效地以可視化的波形圖反饋給用戶，方便用戶即時查看，可提醒用戶不合格產(chǎn)品的存在［15-20］。

數(shù)據(jù)管理模塊由歷史數(shù)據(jù)管理和人員信息管理兩個功能模塊組成。因為該模塊的操作與后臺數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，涉及信息安全，所以只有擁有管理權(quán)限的用戶才能操作。歷史數(shù)據(jù)的管理包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)還原4種操作。數(shù)據(jù)查詢方便管理用戶查詢某一產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)記錄，便于尋找不合格產(chǎn)品的問題根源，找出解決問題的辦法，同時也可統(tǒng)計每一位工人的工作量。數(shù)據(jù)刪除功能確保數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)不會超出其存儲量。由于工廠每天的數(shù)據(jù)流量較大，如果沒有足夠的數(shù)據(jù)存儲空間，系統(tǒng)將無法完成數(shù)據(jù)記錄，失去其工作意義。數(shù)據(jù)刪除功能方便管理用戶將存儲時間過長的數(shù)據(jù)信息或者已經(jīng)備份的數(shù)據(jù)信息刪除，釋放數(shù)據(jù)庫存儲空間，為新數(shù)據(jù)的存儲提供足夠的容量。但是該功能也存在一定的弊端，可能會由于錯誤操作而產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息誤刪現(xiàn)象。數(shù)據(jù)備份功能可有效保證數(shù)據(jù)的安全性，防止數(shù)據(jù)丟失造成損失，同時為歷史數(shù)據(jù)的追溯提供保障。數(shù)據(jù)還原功能與數(shù)據(jù)備份功能增強了系統(tǒng)的安全性，例如當(dāng)錯誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失時，只需將備份的數(shù)據(jù)信息重新還原到數(shù)據(jù)庫中即可。人員信息管理模塊可方便管理用戶分配人員小組劃分和調(diào)動、新工作人員信息錄入，以及個人信息變更和密碼維護［21-28］。

3　運行結(jié)果

實際運行結(jié)果表明：本系統(tǒng)可有效地監(jiān)控設(shè)備運行參數(shù)，并及時提醒工人不合格產(chǎn)品的存在，方便了工人的二次質(zhì)檢，同時也節(jié)省了質(zhì)檢人力，提高了生產(chǎn)效率。系統(tǒng)運行的實時數(shù)據(jù)波形圖如圖5所示。

圖5實時數(shù)據(jù)波形圖

圖5中：X軸上的每一段實線表示一個產(chǎn)品；Y軸表示設(shè)備運行時間參數(shù)；Y1表示設(shè)備運行的標(biāo)準(zhǔn)時間參數(shù)；Y2表示設(shè)備運行的時間上限參數(shù)（注射機的開合模時間差值）。設(shè)備運行時，軟件程序開始工作，即繪制波形圖；設(shè)備停止運行時，軟件程序停止工作，得出圖5所示的波形圖。波形圖的高度如果位于Y1和Y2區(qū)間（包括這兩個點值），則認為產(chǎn)品在這個工序上是合格的；如果未達到Y(jié)1值（提前開模）或超過Y2值（超時開模），則認為產(chǎn)品是不合格的，此時系統(tǒng)會發(fā)出警告，提示該產(chǎn)品不合格。雙擊波形圖的每一段可查看該產(chǎn)品的歷史記錄信息。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計的注射機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)較好地達到了預(yù)期效果，具有較高的可實施性，操作簡單，且只需較低的開發(fā)費用即可實現(xiàn)。目前該系統(tǒng)已在河北、江蘇等多家絕緣子生產(chǎn)廠家投入使用，在為工廠解決實際問題的同時實現(xiàn)了對工人工作質(zhì)量的監(jiān)督，防止工人不按工時生產(chǎn)產(chǎn)品，從而極大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了資源浪費現(xiàn)象的發(fā)生，具有較高的推廣使用價值。本系統(tǒng)的不足是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流量大，在處理大量數(shù)據(jù)方面有一定的局限性，這也是下一步研究的內(nèi)容。

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（責(zé)任編輯楊黎麗）

Design and Imp lementation of Injection M olding M achine Equipment M onitoring System

LIU Shuai，ZHAO Lian-Jun，LIBin，ZHANG Long-Bo
（College of Computer Science and Technology，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

In order to help enterprises to improve the quality of products and the effective utilization rate of rawmaterials，we developed a setofmonitoring system of injectionmachine based on C/Sarchitecture to realize the real-timemonitoring of the injection machine equipmentoperating parameters. The system was based on the wireless data communication protocol ZigBee and the small LAN network.Its operating parameterswere sent in real-timewith the improved wireless data acquisitionmodule in hardware equipment.And on the client it received data and information，meanwhile，the software system draw datamonitoring waveform maped timely and effectively.This system was proved to be safe and reliable by the actual operation.It realized the intelligentmonitoring of the injection machine equipment.

injection molding machine；monitoring system；real time monitoring；wireless data acquisition module

TP399

A

1674-8425（2015）05-0082-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.015

2014-12-28

山東省自然科學(xué)基金資助項目（ZR2011FL013）

劉帥（1989—），男，山東人，碩士研究生，主要從事計算機信息化研究；趙連軍，男，山東人，博士，主要從事計算機信息化研究。

劉帥，趙連軍，李彬，等.注射機設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（5）：82-86.

format：LIU Shuai，ZHAO Lian-Jun，LI Bin，et al.Design and Implementation of Injection Molding Machine E-quipment Monitoring System［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：82-86.