基于STM32和uCOS-II的注塑車間MES數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

麥源振，谷 剛，王志平

MAI Yuan-zhen1 ,GU Gang1 ,WANG Zhi-ping2

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510006；2.廣東省自動(dòng)化研究所，廣州 510070）

0 引言

2009年我國塑料制品總產(chǎn)值達(dá)到1.1萬億元，成為全球最大的塑料制品生產(chǎn)和消費(fèi)國。但自金融危機(jī)以來，注塑加工企業(yè)面臨日益激烈的國內(nèi)外競爭，訂單減少，利潤下降。目前，特別是注塑加工企業(yè)中的中小型企業(yè)，普遍存在生產(chǎn)數(shù)據(jù)難以實(shí)時(shí)采集，生產(chǎn)過程監(jiān)控困難，質(zhì)量問題追溯困難，設(shè)備利用率難以有效提高等問題，導(dǎo)致以上原因的一個(gè)重要因素是注塑車間是沒有建立一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)信息控制平臺(tái)[1]。

注塑行業(yè)是以離散制造為主，流程制造為輔的行業(yè)。擁有大量的機(jī)床和數(shù)控設(shè)備，這些機(jī)床和數(shù)控設(shè)備種類多、品牌雜、新老并存。設(shè)備的協(xié)議與接口種類差別很大，通訊接口之間兼容性差，數(shù)據(jù)采集難度大。針對(duì)以上特點(diǎn)，文獻(xiàn)[2]只從管理的角度提出了注塑行業(yè)的調(diào)度模型，文獻(xiàn)[3～5]提出了離散制造業(yè)MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方案，采集機(jī)床、模具與員工等基礎(chǔ)信息，但缺少人機(jī)交互設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[6]利用ClickOnce技術(shù)提出了MES人機(jī)交互方案，但此方案并不適用與離散制造業(yè)特別是注塑車間設(shè)備種類多，通信兼容性差等特點(diǎn)。因此本文針對(duì)注塑行業(yè)特點(diǎn)，利用嵌入式技術(shù)與人機(jī)交互技術(shù)，基于STM32及uCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出一套針對(duì)注塑行業(yè)特點(diǎn)，具有生產(chǎn)及管理信息交互的注塑車間MES數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 注塑車間MES系統(tǒng)總架構(gòu)

1.1 主控制器

圖1為注塑車間MES系統(tǒng)總架構(gòu)，其中包括采集監(jiān)控系統(tǒng)和上位機(jī)管理系統(tǒng)兩大部分。其中采集監(jiān)控系統(tǒng)部分負(fù)責(zé)采集員工信息，注塑機(jī)狀態(tài)信息，模具信息，觸摸屏交互信息以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。因此，系統(tǒng)需要豐富的USART接口、SPI接口以及豐富的定時(shí)器，由于本系統(tǒng)采用uCOS-II操作系統(tǒng)，對(duì)主控芯片的頻率和存儲(chǔ)資源有較高的要求，因此本系統(tǒng)控制模塊主芯片采用基于Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103系列微處理器。作為最新一代的嵌入式ARM處理器，STM32F103系列微處理器為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的引腳數(shù)目、降低了系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供了卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)[7]。

1.2 模具信息采集模塊

文獻(xiàn)[8]分析了使用RFID技術(shù)改造后的模具管理流程，突出了RFID技術(shù)在模具管理中的重要作用。本系統(tǒng)針對(duì)模具信息采集采用RFID技術(shù)。RFID技術(shù)具有防水、耐高溫、使用壽命長、讀取距離遠(yuǎn)、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量大、存儲(chǔ)信息可以隨意修改、可以識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)中的物體，可識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，可以在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)[9]。RFID技術(shù)主要分為RFID閱讀器和RFID電子標(biāo)簽兩大部分，本系統(tǒng)采用C216023頻率為860MHz～960MHz的超高頻中距離一體式讀寫器。電子標(biāo)簽采用UHF耐高溫抗金屬標(biāo)簽，工作溫度-40℃～300℃。

1.3 注塑機(jī)信息采集模塊

文獻(xiàn)[10]提出采用采集PLC信號(hào)點(diǎn)信息的方式來進(jìn)行機(jī)床狀態(tài)的監(jiān)控方案，針對(duì)前言提到的中小型注塑企業(yè)設(shè)備特點(diǎn)，本系統(tǒng)通過注塑機(jī)PLC信號(hào)點(diǎn)檢測注塑機(jī)的狀態(tài)。使用STM32F103的輸入捕獲功能采集注塑機(jī)控制板上的I/O信號(hào)點(diǎn)，通過I/O信號(hào)的組合得到注塑機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，電路如圖2所示，使用PS2805-4光耦，控制器能穩(wěn)定的采集PLC信號(hào)點(diǎn)的狀態(tài)。

圖2 輸入信號(hào)采集電路

1.4 通信模塊

大多數(shù)專業(yè)的協(xié)議棧都是由BSD TCP/IP協(xié)議棧派生出來，但BSD協(xié)議棧比較龐大，大多數(shù)小型嵌入式設(shè)備不宜使用。本系統(tǒng)選擇LwIP作為通信協(xié)議棧，基于LwIP，在硬件上選擇嵌入式以太網(wǎng)控制器ENC28J60芯片，通過SPI接口與STM32連接。ENC28J60兼容IEEE802.3的以太網(wǎng)控制器，集成MAC控制器和10BASE-T PHY控制器，自帶緩沖區(qū)、DMA。其工作電路圖如圖3所示。通過嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，可以將注塑車間設(shè)備及其他傳感器的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到服務(wù)器，有效解決了通信協(xié)議不統(tǒng)一的問題。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

圖3 ENC28J60電路

本系統(tǒng)采用uCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。uCOS-II是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬實(shí)時(shí)(Hard Real Time)多任務(wù)內(nèi)核。它的內(nèi)核精簡，多任務(wù)管理功能相對(duì)完善，實(shí)時(shí)性能好，可裁剪，可固化，源碼開放，可移植性強(qiáng)。uCOS-II應(yīng)用廣泛，適應(yīng)性強(qiáng)，從8位到64位處理器都可以移植[11]。針對(duì)uCOS-II系統(tǒng)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的分配，本文使用單調(diào)執(zhí)行率調(diào)度發(fā)RMS(Rate Monotonic Scheduling)，這種方法基于任務(wù)的執(zhí)行率，執(zhí)行最繁重的任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，如圖4所示。

圖4 uCOS-II任務(wù)執(zhí)行率

給出一系列n值，表示系統(tǒng)中的不同任務(wù)數(shù)。要使所有的任務(wù)滿足硬件實(shí)時(shí)條件，必須使不等式(1)成立。

不等式中Ei是任務(wù)i的最長執(zhí)行時(shí)間，Ti是任務(wù)i的執(zhí)行周期。Ei/Ti是任務(wù)i所需要的時(shí)間。當(dāng)n趨向無窮大的時(shí)候，CPU的極限時(shí)間值為ln2，即0.693，所以對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，任務(wù)i的總的CPU利用的時(shí)間應(yīng)該小于70%。

圖5 主程序流程圖

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示，主程序開始前，把外設(shè)數(shù)據(jù)處理函數(shù)設(shè)置成需要執(zhí)行的任務(wù)，然后設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)及堆棧大小。初始化硬件資源后，調(diào)用OSInit函數(shù)以建立兩個(gè)任務(wù)：空閑任務(wù)和CPU利用率統(tǒng)計(jì)任務(wù)。在開始多任務(wù)之前，必須建立至少一個(gè)任務(wù)，這里先建立了一個(gè)TaskStart()任務(wù)，最后執(zhí)行OSSStart()，將控制權(quán)移交給uCOS-II內(nèi)核，開始執(zhí)行多任務(wù)，其中關(guān)鍵代碼如下：

2.2 人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

交互設(shè)計(jì)流程如圖6所示，注塑機(jī)旁邊的觸摸屏通過Modbus協(xié)議與嵌入式控制器進(jìn)行通信，嵌入式控制器通過以太網(wǎng)控制器ENC28J60與服務(wù)器通信，系統(tǒng)交互的內(nèi)容包括工人權(quán)限管理、質(zhì)量管理、模具管理以及排產(chǎn)調(diào)度四大部分。

Modbus協(xié)議有兩種通信模式：ASCII模式和RTU模式。本系統(tǒng)采用RTU模式，在RTU模式下，數(shù)據(jù)幀中的每個(gè)字節(jié)用2個(gè)十六進(jìn)制字符來表示?？梢钥闯鲈撃Ｊ皆谕瑯拥膫鬏斔俾氏?，能傳輸比ASCII模式更多的數(shù)據(jù)[12]。其中RTU模式下的主站查詢數(shù)據(jù)幀如表1所示。

本系統(tǒng)采用TK6070iP觸摸屏，使用宏指令的方式進(jìn)行編程，在宏指令里的關(guān)鍵程序如下：

圖6 人機(jī)交互設(shè)計(jì)流程圖

3 應(yīng)用結(jié)果

本系統(tǒng)在現(xiàn)場的應(yīng)用如圖7所示，在每一臺(tái)注塑機(jī)旁邊安裝了一套采集監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，注塑機(jī)狀態(tài)、員工狀態(tài)、模具信息以及交互信息能從現(xiàn)場車間直接通過以太網(wǎng)傳送到后臺(tái)服務(wù)器，放置在現(xiàn)場的看板可以顯示其中相關(guān)的信息。

圖7 現(xiàn)場應(yīng)用

圖8顯示的是放置現(xiàn)場的看板，主要顯示的功能為：1）現(xiàn)場每一臺(tái)注塑機(jī)的狀態(tài)。包括生產(chǎn)、維修、待機(jī)、試模等。2）工人的工作狀態(tài)。3）模具狀態(tài)。4）員工生產(chǎn)數(shù)量累、生產(chǎn)周期及生產(chǎn)效率；5）排產(chǎn)調(diào)度信息。通過應(yīng)用表明，由于本系統(tǒng)的使用，現(xiàn)場信息統(tǒng)計(jì)及生產(chǎn)調(diào)度的工作量減少了最少2/3。提高了整個(gè)MES系統(tǒng)執(zhí)行的效率，每年可以為企業(yè)節(jié)省幾十萬元的成本，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

表1 RTU模式主站查詢數(shù)據(jù)幀格式

圖8 現(xiàn)場看板

4 結(jié)論

本文提出的基于STM32與uCOS-II的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)注塑車間不同種類注塑設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能，通過觸摸屏，使系統(tǒng)具有了靈活的交互性，通過嵌入式和以太網(wǎng)技術(shù)，采集和監(jiān)控系統(tǒng)和上層服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了有效的通信，并有效解決了通信協(xié)議不統(tǒng)一的問題。而且本系統(tǒng)的定制性較強(qiáng)，靈活性較高，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，能適用于其他注塑、五金車間的MES系統(tǒng)。

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