基于STM32的工業(yè)智能摘掛牌控制系統(tǒng)設(shè)計

耿樹巧 王力超

摘?要：設(shè)計一種工業(yè)智能摘掛牌控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對廠內(nèi)電氣設(shè)備的權(quán)限控制.設(shè)計主要包括中央控制模塊、繼電器模塊、顯示模塊、讀卡模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、存儲器和電源模塊.該控制系統(tǒng)可以避免人為因素造成設(shè)備異常通電或啟動，有效降低工廠安全生產(chǎn)事故發(fā)生概率.

關(guān)鍵詞：摘掛牌;工業(yè)控制;STM32

[中圖分類號]TP23?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Design?of?an?Industrial?Intelligent?List?andDelist?Control?System?Based?on?STM32

GENG?Shuqiao1，2，?WANG?Lichao1

（1.Anhui?Polytechnic?University，School?of?Electrical?Engineering，Anhui，Wuhu?241000，China;2.University?of?Science?and?Technology?of?China，School?ofEngineering?Science，Anhui，Hefei?230026，China）

Abstract：An?industrial?intelligent?list?and?delist?control?system?is?designed，which?can?control?the?power?of?electrical?equipment?in?the?factory.?The?design?mainly?includes?central?control?module，?relay?module，?display?module，?card?reading?module，?network?module，?memory?module?and?power?module.?The?control?system?can?avoid?abnormal?power-on?or?start-up?of?equipment?caused?by?human?factors，?and?effectively?reduce?the?probability?of?accidents?in?factory?safety?production.

Key?words：list?and?delist;?industrial?control;?STM32

保障安全生產(chǎn)是現(xiàn)代工廠制定管理制度的重中之重.在正常生產(chǎn)過程中，各種設(shè)備會經(jīng)歷生產(chǎn)、檢修和停機(jī)3個過程.為了控制生產(chǎn)和檢修工作的安全風(fēng)險，尤其是預(yù)防因設(shè)備的異常通電或啟動而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，許多工廠制定并實施了設(shè)備電氣柜摘掛牌管理制度[1]，就是操作工在操作設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)時，在設(shè)備電氣柜規(guī)定位置掛上一個操作牌，提示其他工人禁止關(guān)閘;檢修工在檢修設(shè)備時，在設(shè)備電氣柜規(guī)定位置掛上一個操作牌，提示其他工人禁止合閘.傳統(tǒng)的摘掛牌管理制度依靠人為遵守，存在弊端：工人在操作設(shè)備前如果忘記掛牌，很可能造成嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故;工人在完成相關(guān)工作后忘記摘牌，導(dǎo)致其他工種按照管理制度無法進(jìn)行后續(xù)操作，很可能影響工廠的生產(chǎn)效率;操作牌掛在設(shè)備電氣柜規(guī)定位置上，容易被“別有用心”的人故意取走，從而造成安全生產(chǎn)事故.如若安排管理人員值守，又會增加大量的人力成本.因此，設(shè)計一套全自動化的工業(yè)智能摘掛牌控制系統(tǒng)非常有必要.本文設(shè)計一款摘掛牌控制系統(tǒng)，可以有效減少因人為疏忽導(dǎo)致發(fā)生安全生產(chǎn)事故的概率，通過科技手段確保工廠摘掛牌管理制度能夠貫徹執(zhí)行.

1?硬件部分

工業(yè)智能摘掛牌控制系統(tǒng)的主要設(shè)計思想：通過微型控制單元根據(jù)事先設(shè)定好的控制邏輯關(guān)系對繼電器進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對電氣設(shè)備的合閘/關(guān)閘動作.系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為以下幾個部分：中央控制模塊、繼電器模塊、顯示模塊、讀卡模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、存儲器和電源模塊.系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示.

1.1?中央控制模塊

中央控制模塊是意法半導(dǎo)體的STM32F407.[2]中央控制模塊主要負(fù)責(zé)與顯示模塊、讀卡模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和存儲器之間的信息交互，并按照工廠的摘掛牌管理制度實現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的邏輯判斷功能，從而控制對應(yīng)繼電器模塊的通斷.

1.2?繼電器模塊

繼電器模塊由中央控制模塊直接控制其通斷.[3]由于繼電器模塊外接各種電氣設(shè)備，所以必須用光耦做好強(qiáng)電和弱電之間的隔離，防止因外部故障反向擊穿中央控制模塊，燒壞摘掛牌全自動控制系統(tǒng).繼電器模塊的設(shè)計如圖2所示.

圖2?繼電器模塊原理圖

1.3?顯示模塊

顯示模塊選用北京迪文科技有限公司生產(chǎn)的迪文DGUS屏.[4]該顯示屏把GUI分解成控件并按照頁面來配置，控件顯示直接由變量控制，中央控制模塊僅僅需要通過串口改寫變量值即可實現(xiàn)控件顯示的相應(yīng)改變.當(dāng)觸摸屏或鍵盤錄入時，中央控制模塊僅需要通過參數(shù)改變時的串口中斷觸發(fā)來讀取錄入變量值即可，使用非常方便.

1.4?讀卡模塊

讀卡模塊設(shè)計以工牌作為摘掛牌操作的唯一身份識別方式.硬件選用RC522?RFID射頻IC卡感應(yīng)模塊，該模塊具有低電壓、體積小、低成本的優(yōu)點.[5]模塊采用3.3?V工作電壓，通過SPI接口直接與中央控制模塊相連接通信，有利于減少連線，縮小PCB板體積.

1.5?網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊主要負(fù)責(zé)與服務(wù)器之間進(jìn)行TCP/IP通信[6]，實現(xiàn)從服務(wù)器端下發(fā)設(shè)備控制權(quán)限，從設(shè)備端上傳操作記錄等功能.由于中央控制模塊選用的STM32F407內(nèi)部自帶網(wǎng)絡(luò)MAC控制

圖3?網(wǎng)絡(luò)模塊原理圖

器，因此，只需要外加一個PHY芯片即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能.本設(shè)計選擇LAN8720A[7]，該芯片采用RMII接口與STM32F407通信，占用IO口較少，另加上網(wǎng)絡(luò)變壓器RJ45頭（HR91105A）一起組成一個10?M/100?M自適應(yīng)網(wǎng)卡.網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計如圖3所示.

1.6?存儲器

采用SD卡作為權(quán)限數(shù)據(jù)、設(shè)備名稱數(shù)據(jù)和操作記錄數(shù)據(jù)的存儲器.SD卡采用4位SDIO方式驅(qū)動，理論上最大速度可以達(dá)到24?MB/S，非常適合高速存儲.存儲器的設(shè)計如圖4所示.

1.7?電源模塊

電源模塊輸入為24?V直流，同時輸出三路，分別是12?V直流和兩路5?V直流，這三路輸出是分離的.12?V直流供顯示模塊使用，5?V直流供繼電器模塊使用，另一路5V直流經(jīng)過穩(wěn)壓芯片后轉(zhuǎn)為3.3?V，供其他模塊使用.電源模塊的設(shè)計如圖5所示.

2?軟件部分

摘掛牌全自動控制系統(tǒng)軟件部分主要有主函數(shù)、初始化函數(shù)、顯示函數(shù)、讀卡函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信函數(shù)、存儲函數(shù)、權(quán)限判斷函數(shù)和繼電器控制函數(shù)等.

2.1?讀卡函數(shù)

讀卡模塊采用SPI方式與中央控制模塊相通信.SPI是一種串行外圍設(shè)備接口，是一種高速的、全雙工、同步的通信總線[8]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示.SPI接口一般使用4條線通信，分別是：MISO，主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出;MOSI，主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入;SCLK，時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生;CS，從設(shè)備片選信號，由主設(shè)備控制.

圖6?SPI內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2?網(wǎng)絡(luò)通信函數(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信函數(shù)使用LWIP[9]，是TCP/IP的一種實現(xiàn)方式，輕量級IP協(xié)議，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，因此非常適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用.基本的TCP

處理過程被分割為6個功能函數(shù)來實現(xiàn)，如圖7所示：tcp_input（），tcp_process（）及tcp_receive（）函數(shù)與TCP輸入有關(guān)，tcp_write（），tcp_enqueue（）及tcp_output（）則用于TCP輸出.

2.3?存儲函數(shù)

采用SD卡作為存儲器，其中STM32F409的SDIO控制器包含SDIO適配器模塊和APB2總線接口兩個部分，其功能如圖8所示.

工業(yè)智能摘掛牌控制器外觀如圖9所示.操作工和維修工在某工位上進(jìn)行掛牌操作，設(shè)備的操作記錄欄會有相應(yīng)的顯示，工位狀態(tài)也有相應(yīng)的變化，如圖10所示.

3?總結(jié)

設(shè)計了一款全自動化的工業(yè)摘掛牌控制系統(tǒng)，可以有效實現(xiàn)工廠內(nèi)對電氣設(shè)備操作的權(quán)限

控制，避免因人為因素造成設(shè)備異常通電或啟動導(dǎo)致的安全事故的發(fā)生，對保證工廠內(nèi)安全生產(chǎn)具有非常重要的意義.

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編輯：琳莉

收稿日期：2019-09-11

基金項目：安徽省自然科學(xué)基金項目（1808085QE169）;安徽工程大學(xué)青年科研基金項目（自然科學(xué)類）（2017YQ03）;安徽省高等教育提升計劃自然科學(xué)研究一般項目（TSKJ2017B24）;安徽工程大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動基金項目（2016YQQ017）

作者簡介：耿樹巧（1987-），女，江蘇淮安人.博士?，主要從事電子技術(shù)研究;王力超（1986-），男，安徽蕪湖人.博士，主要從事電子技術(shù)研究.