CN107168256B - 面向中小企业离散制造车间的数据采集终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了面向中小企业离散制造车间的数据采集终端，包括微处理器、电平转换电路、开关量输入输出电路、网络通讯模块和触摸屏；所述的微处理器还设有串口模块和存储单元模块，通过串口模块与电平转换电路连接，通过通用输入/输出接口与开关量输入输出电路连接，通过网络通讯模块对外进行有线/无线通讯，通过LED接口与触摸屏连接。将离散的员工信息、产品信息在时间维度、数量、品种、设备运行状态等各种信息在微处理器中进行比对、处理、存储和进一步分析工作效率等。同时上位机可以通过网络通讯模块对微处理器中的存储信息进行查询，而微处理器也实时将每一台生产设备的开关情况通过不同的指示灯直观显示，对设备的信息化进行有效改进。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集设备，尤其涉及一种面向中小企业离散制造车间的数据采集终端。
背景技术
如图1所示，企业的信息集成三层体系包括ERP层、MES层和PCS层。随着人们对商品的需求日趋多样化和生产成本的不断上升，中小型企业的竞争越来越激烈，实施企业信息化战略势在必行。MES系统是企业信息化解决方案中的关键元素，但是目前生产现场数据采集系统所面临的缺陷，特别是数据采集终端已无法满足当前企业的发展要求，企业的生产模式正在由传统的以企业为主导、客户被动接受产品的状态，逐渐演变为以满足客户需求为动力的大规模定制形式。而国内现有的针对中小型企业离散制造车间的MES数据采集终端大多是由高校等科研单位开发的常规控制器。这些控制器一般局限于MES单一功能或部分功能，多数只为解决生产中某个特定领域出现的问题，普遍存在价格成本偏高、人机交互性差、数据采集不及时、可维护性和稳定性有待提高等不足。
纵观我国的离散制造业信息化应用现状，建设重点普遍放在ERP系统和PCS系统两个方面。现场的过程控制系统PCS主要采用自动化生产设备、自动化检测仪器、自动化物流搬运储存设备等解决具体生产过程的单个生产工序的瓶颈，实现生产现场的自动化控制；ERP系统用于整合企业现有的生产资源和编制生产计划，通过对企业的资源进行规划，优化企业的资源配置和管理为企业带来了经济效益。但是，这些系统不能够将企业资源计划和制造单元的生产有效连接起来，导致ERP不能及时获得PCS的数据，使得ERP制定的生产计划与实际情况存在偏差，同时PCS也不能及时获得ERP下达的指令来调整生产状态，从而使得离散制造企业生产管理的自动化和信息化建设受到严重的影响。
离散制造是指：由车间工人通过机械的手段或方法，将产品所需要的各个零部件经过加工、组合和装配而成的过程。离散制造的生产过程通常被拆分成很多加工任务来完成，每项任务仅占用企业的一小部分系统资源，工件从一个工作中心转移到另外一个工作中心进行不同类型的工序加工。离散制造具有多个方面的属性，在产品形态方面，离散制造的产品相对较为复杂，它由多个零部件构成，具有比较固定的产品结构框架和零部件配套关系。在产品种类方面，离散制造企业在多品种变批量的生产模式下生产出来的系列产品相关性并不明确，这就要求企业的存储物料必须具有多样性。在加工过程方面，离散制造企业生产过程是由多个加工子过程串联或并联组成的复杂过程，这一过程中涉及更多的变化性和不确定性。从这个意义上来说，离散制造型企业的过程控制更为复杂和多变。离散制造企业的产能不同于流程制造企业那样主要由设备产能来决定，而是主要以加工要素的配置合理性来决定，且离散制造系统有众多要素。因此，同样规模和硬件设施的不同离散制造企业因其配置要素的差异导致的结果可能有天壤之别。
目前中小企业离散制造车间的数据采集方式主要还是以手工抄写的方式为主，或者结合条形码等半自动采集技术对生产信息进行采集；生产作业指令的下达一般采用派工单的方式来组织生产人员进行生产；过程控制也主要依赖工序卡在车间各个工序之间流转；对于投入工作现场的数据采集设备软、硬件的集成研究较少。这些状况容易直接导致以下几个问题：
①缺乏高效和异构的数据采集方法
离散制造车间现场生产数据的采集一直是一个难题，传统的以纸质文档作为载体、手工记录的数据采集方式存在着很明显的缺陷，人工记录容易出错，数据追踪比较困难；条形码技术又因其识别距离很短，读取速度慢，能携带的数据量小且不可重写等缺点，限制了其在离散制造车间的广泛使用。
②车间生产进度信息得不到及时反馈
车间的实时生产信息不能及时反馈到上层生产管理系统，造成生产计划、资源调度无法根据生产车间的实时情况做出调整，由于缺乏对车间生产过程信息的准确掌控，车间生产管理会出现迟滞性，不能对临时插单或者突然取消订单等状况做出快速的响应。
③生产设备得不到有效的控制和管理
生产过程的主要载体是机床设备，但它通常是一个独立的封闭系统，导致企业管理人员不能及时、准确地获取车间设备状态信息，造成信息断层。当车间机床突发故障导致停止生产时，不能及时有效地了解到机床的具体运行状态来保障生产的正常运营。
④缺乏对生产人员的信息监控
对于离散制造业，每一个零件都有一个标准的生产周期，生产时间的不准确会造成加工零件的质量问题。不同的生产人员的熟练程度是有差异的，人员的素质水平也是参差不一，由于对生产人员信息缺乏监控，很难保证每一个零件的生产时间符合标准周期，从而影响到生产过程的各个环节。
⑤采集设备的集成性和通用性差
在离散制造车间里，拥有大量的机床和数控设备，由于这些装备可能来源于不同的厂家，品牌不一，新老并立，具有不同的通信协议和接口种类，数据采集难度大，软、硬件系统也越来越复杂，为了适应采集系统的功能需求，需要一个集成化较高的嵌入式系统平台来进行任务调度和资源配置
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种面向中小企业离散制造车间、解决企业信息中MES层信息各异的数据采集终端。
本发明所述的面向中小企业离散制造车间的数据采集终端，其特征在于，包括微处理器、电平转换电路、开关量输入输出电路、网络通讯模块和触摸屏；所述的微处理器还设有串口模块和存储单元模块，通过串口模块与电平转换电路连接，通过通用输入/输出接口(GPIO)与开关量输入输出电路连接，通过网络通讯模块对外进行有线/无线通讯，通过LED接口与触摸屏连接；
所述的电平转换电路连接外置的低频ID读卡器和超高频RFID读卡器，所述的低频ID读卡器用于从员工ID卡中读取员工信息，所述的超高频RFID读卡器用于从模具电子标签中读取模具信息；
所述的开关量输入输出电路连接外置的生产设备，采集生产设备控制板上PLC的I/O信号并根据I/O信号驱动对应的指示灯。
所述的开关量输入输出电路包括开关量采集电路和开关量驱动电路，所述的开关量采集电路采集端连接生产设备控制板上PLC的I/O信号端，通过光耦转换输入到微控制器；所述的开关量驱动电路将微处理器的驱动信号输出至对应的指示灯。
所述的串口模块设有三路串口接口，第一路串口接口经过USB转TTL小板连接PC机、第二路串口接口经过电平转换电路连接低频ID读卡器、第三路串口接口经过电平转换电路连接超高频RFID读卡器。
所述的微处理器通过超高频RFID读卡器读取模具信息后进行如下运算：检查返回数据长度是否正确，检查模具条码是否有效，检查新旧模具条码是否相同，更新模具条码信息；采用轮询的方式循环读取串口数据，将模具条码变化记录于存储单元模块。可以准确记录生产过程中模具的变化情况，并及时记录在微处理器的存储单元模块以便上位机查询。
所述的微处理器通过低频ID读卡器读取员工信息后进行如下运算：检查当前是否有员工条码，若当前没有员工条码再检查当前生产计数是否为零，若为零则判断为新员工上岗，若不为零则判断为不同员工上岗并上报上位机和将当前生产信息存储于存储单元模块再替换上岗员工信息；若已存在当前员工条码，依次检查员工条码长度和内容是否一致，一致时判断为当前员工打卡下岗，不一致时判断为不同员工上岗并上报上位机和将当前生产信息存储于存储单元模块再替换上岗员工信息。
本发明所述的面向中小企业离散制造车间的数据采集终端，其优点在于，将离散的员工信息、产品信息在时间维度、数量、品种、设备运行状态等各种信息在微处理器中进行比对、处理、存储和进一步分析工作效率等。同时上位机可以通过网络通讯模块对微处理器中的存储信息进行查询，而微处理器也实时将每一台生产设备的开关情况通过不同的指示灯直观显示，对设备的信息化进行有效改进。在信息发送矛盾冲突时首先在微处理器中进行既定的逻辑分析，然后再上传至上位机进一步检验工时和生产关系的正确性。使生产量不会重复计算虚高，也不会少算生产量导致成本升高。
附图说明
图1是企业信息集成三层体系结构示意图；
图2本发明所述数据采集终端的结构示意图；
图3是本发明所述开关量采集电路结构示意图；
图4是本发明所述开关量驱动电路结构示意图；
图5是本发明所述串口通过电平转换电路对外连接示意图；
图6是本发明所述微处理器对模具信息处理算法流程示意图；
图7是本发明所述微处理器对员工信息处理算法流程示意图。
具体实施方式
根据图2-7所示，本发明所述的面向中小企业离散制造车间的数据采集终端主要包括微处理器、电平转换电路、开关量输入输出电路、网络通讯模块和触摸屏。其中网络通讯模块包括AR9271USB无线网卡和DM9000有线网卡，网络通讯模块用于微处理器与上位机进行通讯交换。所述的触摸屏设有人机交互界面，连接微处理器的LCD接口，用于实现数据采集终端与操作人员的信息交互。微处理器主要包括串口模块、GPIO和存储单元模块等。所述的串口模块设有UART0/1/2三路串口接口，第一路UART0通过USB转TTL小板连接PC机串口终端，第二路UART1通过电平转换电路连接低频ID读卡器，第三路UART2通过电平转换电路连接超高频RFID读卡器。
微处理器通过GPIO连接开关量输入输出电路后接入生产设备的控制器PLC I/O信号端，开关量输入输出电路包括开关量采集电路和开关量驱动电路两个互不相关的模块。
开关量采集电路主要完成外部生产设备开关量的采集，并把采集数据传输到微处理器；开关量驱动电路主要是接收上位机的指令，根据相应的开关量状态点亮不同颜色的LED指示灯，从而直观地将采集到的设备状态反馈到工业现场。因此，无论是开关量采集电路还是开关量驱动电路都必须采取一定隔离措施，都要外接光电隔离器件。这些光电隔离器件在电路中能够有效的抑制尖脉冲，防止终端控制器收到摧毁性损坏；同时完成逻辑电平的转换，将工业控制中的电气信号转换为嵌入式处理器所能接受的电平信号；除此之外，还可以隔离电磁噪声，抑制共模信号。
(1)开关量采集电路
本发明所述数据采集终端的主要目的是对离散制造车间实施信息化改造，实施对象基本都是一些比较老旧的机床设备，有的甚至是上世纪生产的机器，很难找到机床主控与外围设备的通讯协议，所以，不能依赖于通过直接连接串口线或者网线到机床主控上来采集状态信息。机床设备的控制系统主要以PLC为核心，因此，本数据采集终端使用开关量采集电路输入捕获功能采集机床主控制板上PLC的I/O信号点，通过I/O信号点组合就可以得知机床设备的实时运行状态。
一个数据采集终端可以设计多路开关量采集电路以对应多个机床设备。开关量采集电路中选用光电隔离器件是东芝公司生产的TLP627芯片，这款芯片数据传输迅速，抗干扰能力强。由于它的输入阻抗比较小，干扰源的阻抗较大，根据分压原理，输入端的噪声电压将很小，从而有效的抑制了噪声干扰和尖脉冲。二极管用来防止反向电流击穿光耦。
(2)开关量驱动电路
与开关量采集电路同理，一个数据采集终端可以设计多路开关量驱动电路以对应多个机床设备，开关量驱动电路的主要功能是将微处理器处理好的信号反馈到被控对象，以LED指示灯作为该机床设备状态的指示灯。开关量的驱动与采集设计思路相同，只是方向反，同样需要采取光电隔离措施，选用的光电隔离器件依然是TLP627芯片。光电隔离芯片输入端工作电压是+3.3V，输出端需要的电压是+24V，这两个电压源必须相互独立才能够起到良好的绝缘效果。开关量驱动电路还可实现对机床设备运行状态的显示作用。
本发明所述数据采集终端包括硬件设计和程序设计，低频ID读卡器对员工ID卡读取员工信息，超高频RFID读卡器对模具电子标签读取模具信息，上述的员工信息和模具信息输入微处理器后进行逻辑处理。离散制造车间里的员工有操作员、质检员、调试员和维修员，且各工种的人员众多，如何快速而准确地确定某个员工的信息是一项艰难的任务。企业为每一个员工配备了一张拥有唯一编号的ID卡，通过RS-232串行通信接口上的低频ID读卡器读取ID卡可以成功获得员工条码，完成员工信息的认证。本发明所选用的ID读卡器是EM系列的非接触式射频ID读卡器，该读卡器性能稳定，工作温度范围广，适合应用在工业控制环境中。
一般情况下，不同的产品对应不同的模具，这也意味着知道了模具条码也即获得产品信息。本发明使用超高频RFID读卡器采集模具条码时，需要与RFID电子标签搭配完成，需预先将RFID电子标签嵌入到模具里，作为模具的唯一标识。微处理器通过超高频RFID读卡器读取出RFID电子标签上的模具条码信息，也即确定了产品信息。车间的模具一般固定的时间比较长，且位置固定，当模具更换的时候，超高频RFID读卡器很容易地识别出模具条码的变化。
微处理器在收到模具信息时进行算法运算，此算法的核心在于判断新旧模具条码是否一致的问题，为此，设置了buff[]与display_buff[]两个缓冲区和data与data_old两个局部变量。buff用来存储串口接收到的原始数据，原始数据过于冗长，不利于数据处理与显示；display_buff用来保存从buff第6位开始截取的数据；data是表示display_buff缓冲区中的数组转化后的字符串；data_old是表示上一次display_buff缓冲区中的数组转化后的字符串。根据RFID的技术特点，程序运行之后，采用轮询的方式读取串口数据，随着时间变化这些数据不断刷新，程序中通过多次比较分析，最终确定模具条码变化情况并记录于储存单元模块，以供上位机查询监控。
在正常工作情况下，离散制造车间的机床设备具有唯一占有性，即从工人打卡开始到工人打卡结束这期间，每一台机床只能配有一名工人在岗工作。车间人员机动性比较大，可能会出现当前存在员工条码的时候，又接收到新的员工条码，或者由于工人疏忽大意在没打卡的情况，操作机器设备进行生产。员工条码处理算法的核心就在于如何保证机床设备的唯一占有性和可容错性，确保生产活动正常进行。此算法有两个要点，其一，当前存在员工条码的时候，处理器又接收到新的员工打卡请求，这对应在实际的生产过程中，就是上一个员工下班的时候没有打卡，新的员工又来打卡上班。对于这种情况，不能直接把上一个员工的生产信息忽略或者覆盖掉，而是要将上一个员工的模具计数、在岗时间等完整信息保存好，并通过网络发给上位机，才可以进行下一个员工上班的操作。其二，当前不存在员工条码，但是生产计数不为零，对应在实际的生产过程中，即在岗员工上班的时候未打卡，且已经开始生产。在这种情况下，不能屏蔽无员工条码生产状况下的相关计数信息，必须在下一个员工请求上岗认证的时，把这些生产计数信息先发送到上位机，再进行下一个员工的正常上岗操作，如此，有利于保持生产数据的完整性。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.面向中小企业离散制造车间的数据采集终端，其特征在于，包括微处理器、电平转换电路、开关量输入输出电路、网络通讯模块和触摸屏；所述的微处理器还设有串口模块和存储单元模块，通过串口模块与电平转换电路连接，通过通用输入/输出接口(GPIO)与开关量输入输出电路连接，通过网络通讯模块对外进行有线/无线通讯，通过LED接口与触摸屏连接；
所述的电平转换电路连接外置的低频ID读卡器和超高频RFID读卡器，所述的低频ID读卡器用于从员工ID卡中读取员工信息，所述的超高频RFID读卡器用于从模具电子标签中读取模具信息；
所述的微处理器通过低频ID读卡器读取员工信息后进行如下运算：检查当前是否有员工条码，若当前没有员工条码再检查当前生产计数是否为零，若为零则判断为新员工上岗，若不为零则判断为不同员工上岗并上报上位机和将当前生产信息存储于存储单元模块再替换上岗员工信息；若已存在当前员工条码，依次检查员工条码长度和内容是否一致，一致时判断为当前员工打卡下岗，不一致时判断为不同员工上岗并上报上位机和将当前生产信息存储于存储单元模块再替换上岗员工信息；
所述的开关量输入输出电路连接外置的生产设备，采集生产设备控制板上PLC的I/O信号并根据I/O信号驱动对应的指示灯。
2.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述的开关量输入输出电路包括开关量采集电路和开关量驱动电路，所述的开关量采集电路采集端连接生产设备控制板上PLC的I/O信号端，通过光耦转换输入到微控制器；所述的开关量驱动电路将微处理器的驱动信号输出至对应的指示灯。
3.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述的串口模块设有三路串口接口，第一路串口接口经过USB转TTL小板连接PC机、第二路串口接口经过电平转换电路连接低频ID读卡器、第三路串口接口经过电平转换电路连接超高频RFID读卡器。
4.根据权利要求1所述的终端，其特征在于，所述的微处理器通过超高频RFID读卡器读取模具信息后进行如下运算：检查返回数据长度是否正确，检查模具条码是否有效，检查新旧模具条码是否相同，更新模具条码信息；采用轮询的方式循环读取串口数据，将模具条码变化记录于存储单元模块。
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