CN108259538A - 基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，包括：核心模块，包括连接的微处理器工作电路、复位电路、存储管理电路和JTAG调试接口电路；扩展模块，包括连接的开关量输入输出接口电路，串行接口通信电路，USB接口电路，以太网接口电路和LCD显示电路；运行模块，以嵌入式Linux操作系统搭建嵌入式QT运行环境，运行QT应用程序；其中，所述运行模块和所述核心模块用于对所述扩展模块采集的数据进行存储,并完成数据信息的处理运算和上传。

Description

基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统。

背景技术

工业生产管理信息化在冲压工业企业生产管理中分为两个部分，一个是生产部分，另一个是业务部分，前者通过MES(制造执行系统)管理，后者是通过ERP(管理信息系统)来管理。最初，这两个系统是相互独立工作的，会造成信息孤岛。当企业管理者为消除这个信息断层时，往往会遇到一个共性的问题：缺乏底层技术的支持，不仅体现为上层的经营计划流程难以向现场延伸，也体现为现场的执行数据难以往上传递。由于这种信息断层，冲压企业不得不通过手工抄数、纸质报表的形式实现上下游的沟通，造成冲压企业排产混乱、工作人员效率低下、资源浪费严重等困境。

现有的现场控制器大多是自动化公司开发的常规控制器，该方案以STM32系列的MCU为控制核心，实现数据采集，网络通讯，人机交互等功能。硬件上是将系统硬件分为底板和功能模块两大部分，底板是各功能模块的公共部分，提供各种功能模块插槽；各个功能模块设计成板卡的形式，并插入底板中；软件设计上，应用程序不依赖于操作系统运行，采用模块化设计，可以根据现场需求配置各种功能板卡，具有一定的裁剪灵活性，因此该种架构方案在工业现场应用很广泛。

缺点也是显而易见的，现场的生产设备种类规格不尽相同，需要大量不同的数据采集接口，工控机本身接口不足，就需要外扩很多的接口卡，这样使得成本更高，兼容性也得不到保证。该方案的主控核心是单片机，内部资源比较少，难以嵌入操作系统，对工业现场的适应性相对较差；而且工业现场有很多的电磁干扰，一旦程序跑飞，整个系统会瘫痪，稳定性不高。这些控制器在某些特定的场合能够符合MES的要求，但是由于其自身构架或是设计的局限，无法满足冲压行业执行制造系统的要求，严重制约MES在冲压行业的普遍应用。

发明内容

为冲压车间的相关信息实现透明化，解决冲压行业MES的瓶颈，本发明提供一种于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统。

本发明提供一种基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，包括：核心模块，包括连接的微处理器工作电路、复位电路、存储管理电路和JTAG调试接口电路；扩展模块，包括连接的开关量输入输出接口电路，串行接口通信电路，USB接口电路，以太网接口电路和LCD显示电路；运行模块，以嵌入式Linux操作系统搭建嵌入式QT运行环境，运行QT应用程序；其中，所述运行模块和所述核心模块用于对所述扩展模块采集的数据进行存储,并完成数据信息的处理运算和上传。

本系统提出的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统已经投入使用，实现了Linux设备驱动程序开发与Qt_Embedded应用程序开发的结合。通过实际应用表明，本系统使得冲压车间的相关信息实现了透明化，解决了冲压行业MES的瓶颈。

附图说明

图1为本发明的冲压车间数据采集系统的系统架构图；

图2为本发明的冲压车间数据采集系统的一个实施例的系统硬件框图；

图3为本发明的冲压车间数据采集系统的一个实施例的开关量输入通道电路；

图4为本发明的冲压车间数据采集系统的一个实施例的界面操作流程图；

图5为本发明的冲压车间数据采集系统的一个实施例的员工信息处理算法；

图6为本发明的冲压车间数据采集系统的一个实施例的产品信息处理算法流程；

图7为本发明的冲压车间数据采集系统的一个实施例的企业应用成果比对。

具体实施例

冲压车间的生产过程是给冲压机上好模具，通过电动机驱动飞轮，并通过离合器，传动齿轮带动曲柄连杆机构使滑块上下运动，使钢板在模具里直接受到变形力并变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的加工件。

如图1所示，在冲压车间的生产过程涉及产品生产的各个环节，而无论是员工信息，产品信息，机器信息、产品加工进度、还是任务派发等都涉及到大量的数据。面对如此大的生产数据信息，现场控制器需要具有准确采集生产数据并上传的功能。用户通过友好的人机交互界面清晰直观查看现场的生产设备信息，并且可以通过网络通讯模块与与上位机进行直接的信息交流。随着现场控制器功能的复杂性增加，软硬件的要求也越来越高，为了系统的稳定性和开发的快捷性，该系统是在嵌入式Linux操作系统平台上进行的任务调度和管理系统资源。本发明使得采集系统与嵌入式系统的应用范围进一步扩大，具有较高的通用性。

结合现有方案的优缺点以及冲压行业的特点，提出了一种全新的现场数据采集控制器方案，现场控制器总体设计分为硬件电路设计和软件设计两部分。硬件电路部分主要由核心模块和扩展模块两个部分组成,这种设计提高了系统设计的灵活性。

现场控制器由核心模块和扩展模块两部分构成，核心模块指的是可以运行嵌入式系统的所需的最小系统，其余的外设设备都是在扩展模块上实现的。同时现场控制器也是整个数据采集系统比较核心的一部分。

系统硬件框图如图2所示，核心模块主要由微处理器工作电路、复位电路、存储管理电路、JTAG调试接口电路、LED指示灯以及底板供电电路等组成。扩展模块主要是其它的功能接口，主要是开关量输入输出接口电路，串行接口通信电路(实施例之中可以选择为工业RS232接口电路)，USB接口电路，以太网接口电路，LCD显示电路，以及系统供电电路等。

微处理器CPU是整个系统的核心单元，是使整个系统正常工作的关键所在。本发明所用到的微处理器CPU是三星公司生产的ARM9系列芯片S3C2440，其高性能体现在ARM920T核实现MMU和Harvard高速缓冲体系结构(由16KB地址和16KB数据高速Cache组成)，主频400MHZ，该芯片同时满足低价格、低功耗的设计要求，而且支持Linux系统的移植。

在为冲压行业设计的现场控制器中，数据采集和外部控制常常以逻辑输入和逻辑处理结果为判断依据。在这些环节常有大量的开关量输入到现场控制器接口，同样现场控制器也经常需要输出开关量以控制外围设备。由于工业现场工作环境一般较为恶劣，干扰源非常多，输入开关量电压值会发生突变，不仅电压波动范围比较大，而且电压也会很高。若对开关量处理不当，轻则造成控制器判断失误、控制失常，造成生产管理混乱；重则通过开关量接口引入高电压、大电流直接烧毁现场控制器。本系统设计的现场控制器一共有4路开关量输入通道，所有从外部输入的开关量信号都应通过光电耦合器再送入控制器，如图3所示。为了方便维护，本设计中采用了4片单路的光电耦合器实现了S3C2440处理器4个GPIO引脚的电平输入功能。电路中选用的光电耦合器型号是TLP627，这款光电耦合器具有数据传输速度快，时序精度高和瞬态共模抑制能力强的特点。

冲压机的控制系统主要以PLC为核心，在冲压过程之中，开关量输入接口电路通过捕获冲压机控制板上的PLC控制脉冲信号来获取生产数据，并将该生产数据转译为实时状态信息、冲压生产计数、冲压时间、耗电量等等。同时通过以太网接口电路将这些信息通过车间网络传送给上位机数据库管理服务器，服务器接收这些数据，然后根据模具编号和员工编号分别查询数据库中的模具清单和员工清单，读取其中的一些信息以结合员工计数、上岗时间、运行时间、停机时间等数据生成一条生产记录并存储于数据库管理服务器，该生产记录会根据上传的数据进行实时更新。

开关量输出接口电路用来控制用户指示灯的动作，根据冲压机的运行状态显示不同颜色的指示灯。指示灯包括绿色指示灯、黄色指示灯和红色指示灯；当现场控制器监测到冲压机处于生产模式时，控制绿色指示灯点亮；当监测到冲压机处于待机模式时，控制黄色指示灯点亮；当监测到冲压机处于停机模式时，控制红色指示灯点亮，从而现场工作人员可以根据用户指示灯很方便地知道冲压机当前的运行状态。另外，当所述数据库管理服务器根据已生产产品数量判断当前订单任务已完成时，也可以通过控制红色指示灯点亮，来提示操作员工停止生产。

工业RS232接口电路还可以连接触摸屏以完成员工对生产参数的手动设置。

USB接口电路，可以实现核心模块内置程序的更新和数据的拷贝。

以太网接口电路，可以选择安装为有线模式和无线模式之一，或者同时安装有线模式和无线模式，用于远程连接上数据库管理服务器，达到远程命令下达和远程实时监控的目的。

根据冲压行业MES核心模块的要求，控制模块需要外接低频ID读卡器和超高频RFID读卡器来实现人工信息和产品信息的采集。低频ID读卡器和超高频RFID读卡器均由工业RS232接口电路与现场控制器相连。

一般而言，不同的订单对应不同结构的加工件，不同的加工件需要不同的模具，所以只需将RFID电子标签嵌入在模具里，作为模具的唯一标识。这样，现场控制器通过超高频RFID读写器读取模具上的RFID电子标签，即可获得模具编号，也即产品信息。QT应用程序可以根据加权公式计算产品的合格率，举个例子，在工作时间之内，生产了M个产品，质检员发现完全合格的产品具有H个，具有第一类缺陷的产品具有I个，具有第二类缺陷的产品具有J个，其中第一类缺陷的权重系数为0.6，第二类类缺陷的权重系数为0.4，H+I+J＝M；则该产品的合格率为H+0.6╳I+0.4╳J，这样，可以得知每种产品的生产难易程度，有利于控制成本。

现场控制器采用循环查询的方式读取当前电子标签，间隔5S读取一次。所以该算法的核心是如何判断模具条码已经更新，这个算法执行时会把当前的模具条码放在数据缓冲区里面。当接收到新的模具条码后，首先与数据缓冲区里面的条码进行长度的比较，若长度相同再进行字符串的比较，以此判断模具条码是否改变。由于现场控制器工作环境干扰大，所以判断连续两次没有检测到模具条码才判断机器当前没有模具，这样提高了现场控制器的稳定性。产品信息处理算法如图6所示。

每个工人有一张ID卡作为上下班考勤卡，现场控制器通过低频RFID读卡器读取员工ID卡以获取员工编号。车间里的员工分为操作员、质检员、调试员和维修工等，其中，操作员是为计件员工，质检员、调试员和维修工为计时员工。当操作员工作时，现场控制器通过读取操作员的ID员工卡，完成员工的上岗和离岗时间的认证，再根据上一步骤生产的产品数目，可以得知操作员在这段工作时间内完成的冲压件数，作为绩效考核的依据。当质检员、调试员和维修工工作时，现场控制器通过读取调试员、质检员和维修工的员工ID卡，完成员工的上岗和离岗时间的认证，将获得工作时间作为绩效考核的依据。QT应用程序可以根据加权公式计算员工绩效，并将员工绩效进行排名，举个例子，操作员在工作时间之内，生产了N个产品，质检员发现完全合格的产品具有X个，具有A类缺陷的产品具有Y个，具有B类缺陷的产品具有Z个，其中A类缺陷的权重系数为0.6，B类缺陷的权重系数为0.4，X+Y+Z＝N；则该员工的绩效为X+0.6╳Y+0.4╳Z，QT应用程序根据每个员工的绩效进行排名，这样，有利于员工之间进行相互比照，不断提高整体的生产效率。

冲压机在正常工作情况下具有唯一占有性，即从工人打卡开始到工人打卡结束，每台冲压机只能配有一个工人在岗，员工信息处理算法如图5所示。从应用程序启动开始，现场的LCD触摸屏实时显示数据采集系统主界面，在员工打卡以前，需要做出相应的判断才能往下执行。如果当前存在员工条码，又接收到了新的员工打卡请求，对应在实际的生产过程中，即是上一个员工下班的时候忘记打卡，新的员工来上班。在这种情况下，不能直接把上一个员工的信息给覆盖掉，必须将上一个员工的模具计数、在岗时间等相关信息保存好，并通过无线网络发给数据库管理服务器，再进行下一个员工上班的操作。

软件设计部分主要是根据控制器硬件资源开发出驱动程序并移植嵌入式Linux操作系统。在完成嵌入式Linux操作系统后，搭建嵌入式QT运行环境，并在平台上设计出QT应用程序。

相对于WINDOWS XP、NT等传统工控机的操作系统，Linux是嵌入式操作系统的理想选择，开源且免费，扩展性强，裁剪方便。在本系统中我们选用是Linux3.4.2内核的嵌入式Linux操作系统，一个完整的嵌入式系统是由bootloader，操作系统内核，文件系统和应用程序四部分构成。嵌入式软件平台是进行嵌入式系统配置与应用软件开发的基础，也是嵌入式应用软件运行的先决条件。嵌入式软件平台搭建应该遵循以下步骤：

①建立交叉编译环境；

②移植Bootloader；

③下载Linux内核及其关于ARM平台的补丁，并根据硬件平台修改内核源码，并进行Linux内核裁减；

④制作根文件系统；

⑤烧写内核及文件系统；

在Linux操作系统中，操作系统内核和硬件之间的接口是设备驱动程序。设备驱动程序为上层应用程序屏蔽了底层硬件的细节，在应用程序的开发过程中，硬件设备可以看成一个可以调用的设备文件，应用程序可以像操作普通文件那样对设备文件进行操作。设备驱动程序的使用，让应用程序的开发变得更简单明了。

面向冲压行业的现场控制器需要一个良好的人机交互接口，基于嵌入式QT的界面系统是一种用户与机器进行信息交互的良好平台。在QT界面设计过程中，要注意信息栏的明了性，按键布局的简易性，使用户可以快速熟悉界面操作，并迅速投入生产中。现场控制器的操作人员主要分三类：碑工、质量检查人员、非生产人员。这三类工作人员各有各的特点，每种人员上下岗的原因不尽相同，所以需要根据不同的人员设计不同的界面供人员进行操作，界面操作流程图如图4所示。

QT应用程序因其面向对象、跨平台和界面设计更美观而得到广泛的应用。要使QT应用程序上电之后自动执行，需要改写其脚本文件，在etc/profile脚本中做如下添加：

export QTDIR＝/Qtopia

export TSLIB_ROOT＝/tslib

export PATH＝/$TSLIB_ROOT/bin:$PATH

export LD_LIBRARY_PATH＝/$TSLIB_ROOT/lib:/$QTDIR/lib

export TSLIB_CONSOLEDEVICE＝none

export TSLIB_FBDEVICE＝/dev/fb0

export TSLIB_TSDEVICE＝/dev/event0

export TSLIB_PLUGINDIR＝$TSLIB_ROOT/lib/ts

export TSLIB_CONFFILE＝$TSLIB_ROOT/etc/ts.conf

export TSLIB_CALIBFILE＝/etc/pointercal

export QWS_MOUSE_PROTO＝Tslib:/dev/event0

export QWS_DISPLAY＝LinuxFb:mmWidth45:mmHeight60:0

export QWS_SIZE＝800x480

export QT_QWS_FONTDIR＝$QTDIR/lib/fonts/

嵌入式Qt图形系统移植成功后，现场控制器上电，系统从u-boot、内核、文件系统的顺序开始启动，然后在LCD触摸屏上显示Qt图形应用的主界面，即整个现场控制器启动完成。

为工作人员提供友好的人机交互界面，员工只需点击触摸屏就可实现图形化显示与控制，生产过程可视,可以直接通过人机交互界面查看生产信息，如当前上岗人员编号、在生产产品编号、累计工作时间、已经生产数量、设备运行状态等。这样使现场控制器功能更加丰富，操作简单方便。如果出现异常信息，现场控制器将发出警报声音，同时将警报通过车间网络及时告知有权限的管理者。

人机交互界面运行于触摸屏显示模块(即LCD触摸屏)上，触摸屏显示模块与现场控制器连接，现场控制器将采集到的生产信息通过网络传输模块与数据库管理服务器连接。数据库管理服务器上安装的管理软件根据接收到的产品信息，生成报表以供车间管理人员统一管理、查询、及时做出决策，其中生成的报表包括日报表、月报表以及年报表。所述网络传输模块为无线WIFI传输模块，现场控制器通过车间无线WIFI网络与数据管理服务器建立无线通信连接。数据库管理服务器搭建有显示器，通过显示器可以显示现场控制器发送到数据库管理服务器的产品信息，能够实时的观测各数据采集终端运行状况以及现场生产动态信息。

过去的冲压企业是典型的以客户订单为计划源头，信息化程度不高，一直靠人工进行排产管理，数据繁多，效率低下，可扩展性差、数据采集不准确。现利用嵌入式系统高效、稳定、功耗低等优点，设计了一种适合冲压行业的嵌入式系统的数据采集系统，达到了硬件可扩展性好、接口丰富、应用灵活，软件响应快，数据采集准确，网络传输及时，可靠性高等目的，更好满足冲压企业的MES系统及工业现场的要求。

本系统提出的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统已经投入使用，在企业使用前后的效果对比如图7所示。

通过实际应用表明，本系统使得冲压车间的相关信息实现了透明化，解决了冲压行业MES的瓶颈，全面提高了企业的管理水平，提高了企业的生产效益，具有较高的实际应用价值。

Claims (9)

1.一种基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于，包括：

核心模块，包括连接的微处理器工作电路、复位电路、存储管理电路和JTAG调试接口电路；

扩展模块，包括连接的开关量输入输出接口电路，串行接口通信电路，USB接口电路，以太网接口电路和LCD显示电路；

运行模块，以嵌入式Linux操作系统搭建嵌入式QT运行环境，运行QT应用程序；

其中，所述运行模块和所述核心模块用于对所述扩展模块采集的数据进行存储,并完成数据信息的处理运算和上传。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述串行接口通信电路是工业RS232接口电路，用于RFID读卡器与现场控制器的数据通讯。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述运行QT程序之中，包括以下步骤：如果当前存在员工条码，又接收到了新的员工打卡请求，将当前存在员工的模具计数、在岗时间等相关信息保存好，并通过无线网络发给数据库管理服务器，再进行新的员工上班的操作。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述运行QT程序之中，包括以下步骤：把当前的模具条码放在数据缓冲区里面；当接收到新的模具条码后，先与数据缓冲区里面的条码进行长度的比较，若长度相同再进行字符串的比较，以此判断模具条码是否改变。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述运行QT程序之中，包括以下步骤：根据加权公式计算员工绩效，将员工绩效进行排名。

6.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述运行QT程序之中，包括以下步骤：根据加权公式计算产品的合格率。

7.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述核心模块与所述扩展模块构成现场控制器，所述现场控制器通过RFID技术采集模具编号和员工编号，并采集冲压机的生产数据以获得生产产品数目；所述现场控制器将采集到的所述模具编号、所述员工编号以及所述生产产品数目上传至所述核心模块，以形成实时更新的生产记录。

8.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述微处理器工作电路采用三星公司生产的ARM9系列芯片S3C2440。

9.根据权利要求1所述的基于嵌入式Linux的冲压车间数据采集系统，其特征在于：所述运行模块采用Linux3.4.2内核的嵌入式Linux操作系统。