基于WinCC的PCBA模塊監(jiān)控系統(tǒng)研究

朱肖謠 范秋華 黃凡

摘要：針對傳統(tǒng)的印刷電路板組裝件檢測流水線存在的問題，設(shè)計(jì)了一種電表PCBA模塊功能檢測的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用WinCC內(nèi)置的全局腳本編輯器對MSComm控件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制和上行數(shù)據(jù)的讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)存放在WinCC內(nèi)部變量中，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、判斷、歸檔、導(dǎo)出等操作，提高了WinCC的組態(tài)效率。該系統(tǒng)解決了WinCC沒有集成串口通訊驅(qū)動(dòng)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了WinCC與具有串行通訊接口的智能儀器儀表直接通訊，在PCBA模塊功能檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)已在實(shí)際項(xiàng)目中正常運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對檢測過程的監(jiān)控和控制，滿足企業(yè)對生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確度的要求。

關(guān)鍵詞：印刷電路板組裝件; 監(jiān)控系統(tǒng); 視窗控制中心; 全局腳本編輯器; 串口通訊

隨著國家智能電網(wǎng)的發(fā)展，為了滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的需求，智能電表的功能越來越多樣化[1-3]。電表中印刷電路板組裝件（printed circuit board assembly，PCBA）的精度和復(fù)雜度也不斷隨之提高。因此，為了保證智能電表的功能性完備，在智能電表PCBA模塊批量生產(chǎn)過程中，根據(jù)最初設(shè)計(jì)的功能和要求，對PCBA模塊進(jìn)行功能測試[4-5]十分必要，而傳統(tǒng)的檢測流水線主要靠人工操作檢測裝置，并需要人工目檢[6]來判斷模塊電源指示燈的狀態(tài)，不僅消耗人力，效率低，而且會(huì)隨著人眼的疲勞導(dǎo)致誤判率升高。尋求一種能夠代替人工目檢的方法，減少對勞動(dòng)力的需求，降低誤判率，實(shí)現(xiàn)檢測過程的自動(dòng)化、可視化是目前最重要的研究內(nèi)容之一。為解決人工目檢的問題，閆夢濤等人[7]基于機(jī)械視覺，實(shí)現(xiàn)對PCBA元器件的實(shí)時(shí)檢測;陳臣[8]利用自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)，通過元器件的顏色特征，準(zhǔn)確判定是否存在插件錯(cuò)誤，降低了誤判率;倪晨鴻等人[9]利用光敏電阻，實(shí)現(xiàn)對發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）指示燈的檢測。但考慮模塊電源指示燈處于不停閃爍的工作狀態(tài)，通常是10塊模塊一起檢測，存在電源指示燈閃爍不統(tǒng)一，檢測難度高等問題。目前，尚未見到多塊PCBA模塊同步識(shí)別檢測的文獻(xiàn)?；诖耍疚囊孕峭玂penMV3 CamM7作為視覺識(shí)別裝置，采用顏色識(shí)別的方式來捕捉閃爍的紅綠電源指示燈，能夠在模塊進(jìn)行功能測試的時(shí)間段內(nèi)對所有模塊的電源指示燈進(jìn)行檢測，并利用WinCC組態(tài)軟件內(nèi)置腳本編程調(diào)用MSComm控件，實(shí)現(xiàn)串口通訊，對檢測過程中的上行數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、解析、存儲(chǔ)，并建立人機(jī)交互界面。該研究滿足企業(yè)對生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確度的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以裝有WinCC的研華工控機(jī)為主站，以視覺識(shí)別裝置和功能檢測裝置為從站。視覺識(shí)別裝置負(fù)責(zé)識(shí)別測試過程中紅綠LED指示燈是否正常;功能測試裝置用來檢測PCBA的靜態(tài)電源、載波抄表、靜態(tài)弱電引腳等是否存在異常;下位機(jī)接受到上位機(jī)指令對模塊進(jìn)行檢測、測試，完成后將得到的數(shù)據(jù)通過串行接口上傳至計(jì)算機(jī)。通過西門子WinCC組態(tài)軟件開發(fā)上位監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理歸檔、報(bào)警記錄等功能。上位系統(tǒng)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，對上傳的結(jié)果進(jìn)行解析、判斷完成模塊是否存在不良，對判斷結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過人機(jī)界面進(jìn)行展示。系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件組成

2.1 視覺識(shí)別裝置

選用深圳市星瞳科技有限公司的OpenMV3CamM7，處理器為ARM32bitCortexM7，鏡頭焦距為28 mm，視野角度為115°，具有紅外濾光功能，檢測范圍足夠覆蓋所有PCBA模塊，且在光照條件下仍可正常運(yùn)行。現(xiàn)場調(diào)試捕捉的畫面如圖2所示。接收到PC端的指令后，OpenMV通過顏色追蹤，確定PCBA模塊在功能測試過程中LED指示燈產(chǎn)生的色塊中心坐標(biāo)，待功能測試結(jié)束，PC端發(fā)送停止檢測上傳指令，然后將檢測的坐標(biāo)上傳至PC端，PC端將坐標(biāo)與坐標(biāo)庫中的值進(jìn)行比對，確定指示燈異常的模塊。

2.2 功能測試裝置

該裝置主控單片機(jī)選擇基于ARMCortexTMM3為核心的STM32F101微控制器。STM32F101包含帶高80 KB的SRAM、高達(dá)1 MB的閃存及36 MHz的中央處理器（central processing unit，CPU）。STM32 ARM CortexM332位閃存的低密度系列MCU產(chǎn)生的低功率和低電壓相結(jié)合，具有實(shí)時(shí)功能的可靠性能。該裝置能夠?qū)CBA模塊進(jìn)行功能測試（functionalcircuit test，F(xiàn)CT），即模擬正常投入使用時(shí)的工作環(huán)境，讓測試目標(biāo)板（unit under test，UUT）正常運(yùn)行從運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)中判斷測試目標(biāo)板的狀態(tài)是否存在功能缺陷[10-11]。功能檢測裝置的命令提示符（Command，CMD）定義如表1所示。

機(jī)和下位機(jī)之間通過RS 232串行通訊接口連接，采用串口通訊的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，將大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，有利于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和監(jiān)控，并可充分利用PC機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力[12-15]。系統(tǒng)硬件設(shè)備通訊協(xié)議基本參數(shù)設(shè)置如表2所示。

3.1 基于MSCOMM控件的串口通訊

Microsoft公司提供的ActiveX控件MSComm，為應(yīng)用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法[16-18]。因此，本文通過組態(tài)軟件內(nèi)置腳本編輯器，編寫串口通訊程序，調(diào)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)對串口的訪問。該方法不僅解決了WinCC組態(tài)軟件沒有集成串口通訊控件的缺點(diǎn)，還能夠減少對WinCC外部變量的占用，能夠有效提高WinCC的運(yùn)行效率。

3.2 串口通訊編程實(shí)現(xiàn)

1） 初始化打開串口。為確保建立的連接能夠正常通訊，通訊兩端的參數(shù)設(shè)置必須保持完全一致，因此要根據(jù)下位機(jī)的串口號(hào)、波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)等串口參數(shù)，設(shè)置控件的相應(yīng)參數(shù)，并對串口觸發(fā)事件（OnComm事件）和讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行設(shè)置。串口初始化程序如下：

4 WinCC人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的監(jiān)控系統(tǒng)，在擁有人性化人機(jī)界面的同時(shí)，還應(yīng)具備合適的硬件和軟件程序。而視窗控制中心（windows control center，WinCC）[19-20]，作為一個(gè)功能強(qiáng)大全面開放的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)上述要求。操作工人可以通過人機(jī)界面隨時(shí)了解和掌握整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并可根據(jù)實(shí)際的工作要求對其進(jìn)行人工干預(yù)。本文利用WinCC組態(tài)軟件功能編輯器主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

1） 圖形設(shè)計(jì)編輯器。根據(jù)該系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)了不同的界面，包括主界面、手動(dòng)界面、監(jiān)控界面、報(bào)警記錄界面、檢測結(jié)果界面和數(shù)據(jù)歸檔界面。能夠展示現(xiàn)場工作狀態(tài)，工人也可通過人機(jī)界面進(jìn)行人工干預(yù)。

2） 全局腳本編輯器。通過VBS編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送讀取、報(bào)警、變量歸檔、圖形動(dòng)態(tài)化等控制。

3） 報(bào)警存檔編輯器。監(jiān)控系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否在正常的范圍內(nèi)，可以將錯(cuò)誤點(diǎn)顯示在報(bào)警記錄界面，待工作人員查看處理。

4） 變量存檔編輯器。將檢測結(jié)果和下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，可供工作人員進(jìn)行查看審核是否存在誤報(bào)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的信息化管理。

5） 用戶管理和項(xiàng)目安全編輯器。設(shè)置不同的用戶，操作人員具有操作和查看等權(quán)限;瀏覽用戶僅可進(jìn)行查看運(yùn)行狀態(tài);管理員能夠?qū)Σ僮魅藛T、瀏覽用戶進(jìn)行增加刪除。

4.1 系統(tǒng)串口通訊測試

在圖形界面中加入2個(gè)裝置的串口操作按鈕，將32章對應(yīng)的代碼按照表2中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊按鈕控制對應(yīng)動(dòng)作。接收數(shù)據(jù)程序?qū)懺贛SComm控件OnComm事件中，當(dāng)緩沖區(qū)字符達(dá)到“RThreshold”接收屬性設(shè)置的數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生OnComm事件讀取數(shù)據(jù)。通訊測試及數(shù)據(jù)顯示畫面如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)報(bào)警組態(tài)測試

通過在界面中加入I/O輸入輸出域，并連接需要監(jiān)控的變量，通過手動(dòng)修改變量數(shù)值來模擬正常運(yùn)行方式，觀察當(dāng)數(shù)值發(fā)生改變時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，再將數(shù)值改回報(bào)警是否會(huì)自動(dòng)解除。報(bào)警記錄界面如圖5所示，圖5中紅色為產(chǎn)生的報(bào)警點(diǎn)，綠色為解除的報(bào)警點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本文運(yùn)用WinCC組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了上位監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合視覺識(shí)別裝置和功能測試裝置，實(shí)現(xiàn)對電源指示燈的檢測和模塊功能的測試。上位機(jī)調(diào)用MSComm控件實(shí)現(xiàn)與智能儀器的通訊，解決了WinCC組態(tài)軟件沒有集成串口通訊控件的缺點(diǎn)，該方法在其它具有智能儀器儀表的監(jiān)控系統(tǒng)中同樣適用。利用OpenMV檢測電源指示燈的異常，在提高效率的同時(shí)，還能減少資金的投入，OpenMV還支持紅外熱成像等功能，可在識(shí)別人和動(dòng)物、夜晚視覺、檢測溫度熱量等方面應(yīng)用。該研究具有一定的實(shí)際工程意義。

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