基于物聯(lián)網(wǎng)的瓦楞紙箱印刷機生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計

王 健，陳蘭生，陳平生，李芝年

(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.紹興高得軟件有限公司，浙江 紹興 312000)

0 引言

“工業(yè)4.0”的概念一經(jīng)提出，就受到廣泛關(guān)注，并在全球范圍內(nèi)拉開了工業(yè)轉(zhuǎn)型的序幕。我國作為制造業(yè)大國，也相繼提出“智能制造”、“數(shù)字工廠”等概念，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型提供了參考。這些概念的提出均是為了提升制造業(yè)的智能化水平、提高生產(chǎn)效率，其基礎(chǔ)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)[1]。

瓦楞紙箱印刷產(chǎn)業(yè)[2]是我國傳統(tǒng)制造業(yè)的典型代表，其生產(chǎn)規(guī)模隨著電子商務(wù)的發(fā)展逐年提升，但是生產(chǎn)效率并沒有顯著提高。其主要原因是：①我國目前瓦楞紙箱印刷機的自動化水平較低，計數(shù)、計時等操作均需人工干預(yù)[3]；②排程信息無法直接在印刷設(shè)備上顯示，生產(chǎn)人員操作隨意性較大；③印刷設(shè)備不能存儲運行過程中的停機、故障等信息，不利于管理人員進行過程管理，一定程度上降低了生產(chǎn)效率[4]。

針對上述問題，本文研究并設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5]的瓦楞紙箱印刷管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感網(wǎng)、嵌入式、組態(tài)軟件等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使印刷設(shè)備和制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)相連接，從而實現(xiàn)了印刷精準(zhǔn)計數(shù)、排程信息顯示、停機信息存儲、歷史訂單存儲以及生產(chǎn)實時管控等功能，提高了生產(chǎn)效率和印刷質(zhì)量[6]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)瓦楞紙箱印刷機作為獨立的印刷設(shè)備[7]，不能與企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(enterprise resource planning,ERP)或MES連接，無法在設(shè)備端查看非程信息；機器生產(chǎn)自動化水平低，計數(shù)、計時等操作均需要人工干預(yù)。本系統(tǒng)致力于解決傳統(tǒng)設(shè)備亟需的信息傳輸、自動控制等問題。

系統(tǒng)由終端控制單元、信息傳輸單元和系統(tǒng)管理單元[8]3部分組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)采用STM32F103芯片作為終端設(shè)備的核心控制器，以光電開關(guān)進行印刷計數(shù)，以PLC控制器控制印刷設(shè)備的開啟和關(guān)閉，以人機界面(human machine interface,HMI)組態(tài)屏進行排程和生產(chǎn)信息的顯示以及數(shù)據(jù)輸入。各個終端通過網(wǎng)絡(luò)模塊與ERP服務(wù)器或MES服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)絡(luò)模塊提供WiFi和有線局域網(wǎng)兩種傳輸模式。設(shè)備可以通過配置直接在局域網(wǎng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過Internet實現(xiàn)遠程傳輸[9-10]。

系統(tǒng)功能管理涵蓋試機、開始、暫停、繼續(xù)、完工、設(shè)置、報表等功能。設(shè)備運行后，終端設(shè)備會自動采集印刷設(shè)備的當(dāng)前車速、生產(chǎn)張數(shù)、停機次數(shù)、停機時間、生產(chǎn)班次、生產(chǎn)開始時間、生產(chǎn)完工時間等信息，并可實現(xiàn)上道缺數(shù)、試機張數(shù)、本機報廢、補單數(shù)量等信息的手動輸入，具有一定的智能化水平。此外，系統(tǒng)還具有存儲3個月以上的歷史數(shù)據(jù)、生成停機日志以及數(shù)據(jù)查詢分析等功能，大大提高了生產(chǎn)管理效率。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)終端控制單元(下位機)采用STM32F103芯片作為核心控制芯片，以E18-D80NK外掛常開式光電開關(guān)作為計數(shù)采集設(shè)備，以電阻觸摸屏(DC10600A101_01TF)作為系統(tǒng)顯示和輸入設(shè)備，以ATK-RM04網(wǎng)絡(luò)模塊進行系統(tǒng)信息傳輸，可支持WiFi、有線兩種模式，且能自由切換，通信較為穩(wěn)定。

2.1 STM32F103控制器

STM32F103是一款32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。此款芯片自帶3個USART接口、2個串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)，最高工作頻率可達72 MHz，在工業(yè)控制上具有非常廣泛的應(yīng)用。由于終端系統(tǒng)的主要工作為數(shù)據(jù)通信，在具體操作時，系統(tǒng)利用2個USART接口分別與組態(tài)屏和網(wǎng)絡(luò)模塊進行通信，并利用SPI接口擴展外部存儲空間。由于系統(tǒng)對程序存儲空間有較大的需求，所以選擇STM32F103ZET6，具有144個引腳以及512 KB的Flash存儲空間。

2.2 ATK-RM04網(wǎng)絡(luò)模塊

系統(tǒng)終端控制單元會根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的差別和實際安裝難度選擇不同通信網(wǎng)絡(luò)，所以設(shè)備在設(shè)計時就需要對有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)進行綜合考量?；诖诵枨?，系統(tǒng)選擇ATK-RM04作為設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信模塊。它是ALIENTEK推出的一款高性能UART-ETH-WiFi(串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng))模塊。該模塊采用串口(RS-232/LVTTL)與其他串口設(shè)備通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)(WiFi)3個接口之間的轉(zhuǎn)換。只需要進行簡單的配置，便可以讓設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，一定程度上加快了開發(fā)進度、降低了開發(fā)成本。

2.3 HMI組態(tài)顯示屏

系統(tǒng)采用HMI組態(tài)屏作為顯示和外部輸入設(shè)備，考慮到工廠環(huán)境中顯示信息要清晰明顯、觸摸操作要穩(wěn)定，選擇了DC10600A101_01TF顯示屏作為系統(tǒng)的顯示設(shè)備。其分辨率為1 024×600，能夠滿足系統(tǒng)的顯示需要。電阻觸摸較為穩(wěn)定，能夠有效防止誤操作。圖2為組態(tài)屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。組態(tài)屏內(nèi)部主要由一個Cortex-M3控制器和一塊現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)組成。Cortex-M3控制器主要負責(zé)指令的收發(fā)和解析，F(xiàn)PGA負責(zé)數(shù)據(jù)的讀取和顯示刷新。此設(shè)計大大提高了系統(tǒng)的工作效率。由于組態(tài)屏不需要設(shè)計復(fù)雜的硬件電路，只需要利用串口對其指令控制即可，使得操作較為便利。通過組態(tài)屏自帶的上位機Visual-TFT軟件，即可進行界面排版和控件設(shè)計。設(shè)計完成后，通過USB/UART或SD卡等方式，將整個工程圖片和配置信息下載到串口屏內(nèi)部存儲器中。

圖2 組態(tài)屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括嵌入式平臺程序和人機交互界面兩部分。采用STM32編寫嵌入式程序，主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和顯示控制；使用組態(tài)屏自帶的Visual-TFT軟件來實現(xiàn)人機交互界面。本系統(tǒng)通過所設(shè)計接口模塊，可實現(xiàn)與企業(yè)原有的ERP軟件或者MES軟件的無縫對接。

3.1 系統(tǒng)運行流程

系統(tǒng)接收到ERP/MES軟件所發(fā)出的指令后，解析指令獲得有效訂單信息，并將訂單信息排序后傳輸?shù)斤@示屏顯示；當(dāng)訂單開始生產(chǎn)后，系統(tǒng)自動記錄開始時間，STM32控制外接光電開關(guān)并進行計數(shù)；顯示屏的生產(chǎn)信息能夠?qū)崟r更新。當(dāng)生產(chǎn)過程間斷時，設(shè)備能夠根據(jù)間斷時間自動判斷機器是否暫停生產(chǎn)，并自動記錄暫停時間。系統(tǒng)整體運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體運行流程圖

當(dāng)光電開關(guān)檢測到有瓦楞紙過片時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為生產(chǎn)狀態(tài)，無需人工切換。當(dāng)生產(chǎn)結(jié)束時，用戶將報廢數(shù)量、上道缺數(shù)等信息填寫完整，系統(tǒng)自動存儲訂單生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及停機日志，并將下一條待生產(chǎn)的訂單自動置頂。

在整個生產(chǎn)過程中，ERP/MES軟件可以發(fā)送相關(guān)指令來進行查詢生產(chǎn)信息或者修改、刪除訂單等操作。設(shè)備歷史生產(chǎn)記錄和停機日志等信息可以進行在線查詢，也可以直接在計算機上進行讀取，操作較為便捷。

3.2 系統(tǒng)人機交互界面設(shè)計

人機界面是系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵部分，它承擔(dān)著信息顯示和輸入的功能。本系統(tǒng)的人機界面主要分為四個部分：標(biāo)題欄、當(dāng)前訂單生產(chǎn)狀態(tài)、排程信息以及按鈕操作區(qū)域。

標(biāo)題欄主要包括班次選擇和時間日期兩部分內(nèi)容。當(dāng)前訂單生產(chǎn)狀態(tài)欄主要包括當(dāng)前數(shù)量、當(dāng)前車速、開始時間、完成時間以及停機信息等。上道缺數(shù)、本機報廢、補單數(shù)量以及實際試機數(shù)等信息需要在完工后手工輸入。排程信息欄主要是根據(jù)系統(tǒng)所接收的訂單進行排序顯示，ERP/MES系統(tǒng)發(fā)出撤單、修改等指令后，訂單信息將會實時更新。按鈕操作區(qū)域包含試機、開始、暫停、繼續(xù)、完工、記錄等操作按鈕。通過按鈕，用戶能夠控制系統(tǒng)的運行，以及查詢相關(guān)的生產(chǎn)記錄。

3.3 系統(tǒng)接口模塊設(shè)計

①系統(tǒng)與ERP/MES軟件接口設(shè)計。

系統(tǒng)提供基于以太網(wǎng)Winsock方式，采用TCP/IP協(xié)議的接口模塊與工廠ERP/MES軟件連接，接收來自ERP/MES系統(tǒng)的機臺排程信息和控制指令。系統(tǒng)指令解析流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)指令解析流程圖

為保證系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確性，接口數(shù)據(jù)還設(shè)置了起始/終止符、包頭標(biāo)志等多重數(shù)據(jù)驗證方式，系統(tǒng)成功解析數(shù)據(jù)后還會有指令返回。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)回收指令后，通過數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)拼接，將數(shù)據(jù)發(fā)回ERP/MES系統(tǒng)。系統(tǒng)當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)回收流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)回收流程圖

②系統(tǒng)內(nèi)部接口設(shè)計。

為提供系統(tǒng)功能的可擴展性，系統(tǒng)還預(yù)留了多個RS-232/RS-485通信接口和多個GPIO管腳，可以為系統(tǒng)接入更多的傳感器或PLC設(shè)備提供可能。

4 測試結(jié)果與分析

為驗證系統(tǒng)工作的可靠性和準(zhǔn)確性，將系統(tǒng)安裝到印刷機上進行計數(shù)測試。為保證計數(shù)測試的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，印刷機車速逐步升高，在每種車速情況下測試10次，以10 000張紙板為一組進行計數(shù)測試，對計數(shù)結(jié)果求平均值得到實際測試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)車速與計數(shù)誤差關(guān)系如圖6所示。從圖6可知:車速低于13張/s時,能夠保證計數(shù)100%準(zhǔn)確；高于13張/s后，誤差逐步增大。傳統(tǒng)印刷機和糊盒機的車速一般在1～7張/s，遠低于13張/s。由此可見，系統(tǒng)在準(zhǔn)確率和反應(yīng)速度方面，完全能夠滿足實際生產(chǎn)需求。

圖6 系統(tǒng)車速與計數(shù)誤差關(guān)系圖

此外，本生管系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)ERP/MES系統(tǒng)所發(fā)送的指令，通信較為穩(wěn)定。在具體生產(chǎn)過程中，排程信息和生產(chǎn)狀態(tài)能夠正常在組態(tài)顯示屏顯示。觸摸屏按鍵響應(yīng)較為可靠，能夠有效防止誤觸碰操作，在具體生產(chǎn)過程中界面顯示正常穩(wěn)定。STM32作為系統(tǒng)核心控制器，其穩(wěn)定性、實時性完全達到了系統(tǒng)設(shè)計要求。模塊化的軟硬件設(shè)計能夠在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上，增強系統(tǒng)的可擴展性，效果顯著。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的瓦楞紙箱印刷管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了印刷精準(zhǔn)計數(shù)、排程信息顯示、停機信息存儲、歷史訂單存儲以及生產(chǎn)實時管控等功能，提高了生產(chǎn)效率和印刷質(zhì)量。測試表明，系統(tǒng)傳感器計數(shù)精準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定、組態(tài)屏界面友好且顯示美觀，特別適合與傳統(tǒng)印刷設(shè)備搭配使用，能夠滿足管理人員對于工廠印刷生產(chǎn)的過程管理，為我國傳統(tǒng)制造業(yè)工廠智能化改造提供方向。通過本設(shè)計可知，充分利用以傳感器、嵌入式技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)機電系統(tǒng)是實現(xiàn)中國智能制造的一種有效途徑，具有重要的實踐意義。