CN203588012U - 一种制造执行系统现场控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种制造执行系统现场控制器，包括控制模块、数据采集模块、通信模块，所述控制模块设有UART接口和SPI接口，SPI接口连接所述通信模块的一端，通信模块的另一端接入以太网并与上位机相连，所述数据采集模块包括采用射频识别RFID的模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元，UART接口通过驱动芯片与模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元连接。本实用新型的制造执行系统现场控制器能够便捷、快速、可靠地采集数据，并且与上位机通信方便、兼容性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及制造执行系统的技术领域，特别是涉及一种制造执行系统现场控制器。
背景技术
随着企业信息化的不断深入，企业制造执行系统(MES)已成为企业信息化集成的纽带，是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。
MES是根据生产计划的要求，对生产的过程进行必要的实时数据采集和记录的管理系统，它还要对生产过程进行有效地跟踪和追溯，保证产品严格按要求被加工制造，并将从车间控制系统收集整理的数据信息反馈给上位机的管理计划系统，作为其下一步编制生产计划的依据。
因此MES需要收集生产过程中大量的实时数据，并且能对实时事件及时进行处理，同时与上位机保持可靠快速的双向通信能力，从上、下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。
对于数据采集方面，多数企业是靠生产管理和生产记录文件来获得的，它通过手工在生产管理文件上记录每一批次产品在每一个工序的生产过程的数据，等到该批产品加工完毕后，再把管理文件上记录的生产数据通过手工录入到计算机中。该方法操作烦冗，生产数据记录滞后，无法实现实时监控和统计，并且数据的可靠性差，效率也非常低。另外，一些企业采用了条形码方式的数据采集技术，但条形码本身也存在着许多问题，如对环境要求高，条形码上的数据不可更改且随带信息量小，一次只能读取一页，读取时间较长，条形码信息没有安全保障以及只能近距离静态读取等。此外，还有以磁卡技术采集数据的企业，但磁卡容易磨损，数据量小，属于接触式识别，不利于在恶劣的生产环境中使用。
对于通信方面，传统的控制网络是现场总线，其关键性的标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，再用总线相连接，实现相互交换信息，达到通信目的。但目前存在的现场总线种类繁多，通信协议各不相同，使得不同种类的现场总线产品之间不能直接互连、互用和互相操作，没有真正体现现场总线的开放性，带来很大的不便。
可见，现有的制造执行系统无论是数据采集还是通信方面，均存在弊端，因此，亟需一种制造执行系统现场控制器，能够便捷、快速、可靠地采集数据，并且与上位机通信方便、兼容性好。
发明内容
本实用新型针对上述现有技术存在的问题，提出了一种制造执行系统现场控制器，能够便捷、快速、可靠地采集数据，并且与上位机通信方便、兼容性好。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：
一种制造执行系统现场控制器，包括控制模块、数据采集模块、通信模块，所述控制模块设有UART接口和SPI接口，SPI接口连接所述通信模块的一端，通信模块的另一端接入以太网并与上位机相连，所述数据采集模块包括采用射频识别RFID的模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元，UART接口通过驱动芯片与模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元连接。
优选地，所述数据采集模块还包括压铸机温度采集监控单元、压铸机电量采集监控单元，压铸机温度采集监控单元、压铸机电量采集监控单元分别与控制模块连接。
在数据采集方面，可以从制造执行系统现场的压铸机控制系统直接引线到控制器，采集与监控压铸机温度、电量等工业制造中的重要数据，使采集的数据更加完善。
优选地，所述制造执行系统现场控制器还包括数据保存模块，数据保存模块与控制模块相连。
数据保存模块用于临时存储数据，以便之相连的控制模块进行数据统计、分析与处理等。
优选地，所述制造执行系统现场控制器还包括人机界面通讯模块，人机界面通讯模块通过驱动芯片与控制模块相连。
人机界面通讯模块与控制模块相连，可将控制模块的指令、数据、工作状况等展现出来，用于工作人员与机器的交互。
优选地，所述模具数据采集单元包括采用ISO18000-6B协议的960MHz超高频耐高温抗金属电子标签，员工打卡时间采集单元包括采用EM4100协议的125KHz低频卡。
模具数据采集单元选用的电子标签，适用于生产现场恶劣的环境，员工打卡时间采集单元也根据实际情况选用低频卡，两者配合使用，保证数据采集的可靠性，员工第一次打卡为开始生产时间，再一次打卡为员工停止生产机器的时间，两次打卡之间的开模计数即为该员工的生产数量。
优选地，所述通信模块包括ENC28J60控制芯片。
优选地，所述控制模块包括STM32F103微处理器。
在控制方面主要以Cortex-M3内核的STM32F103作为控制模块的微处理器，它相比于普通单片机，具有更多片内RAM和外设，其出色的性能和丰富的资源几乎不需要扩展外围电路就能满足一般的设计要求，硬件设计大为简化，且执行速度和内存容量完全满足多任务实时应用；通信模块以ENC28J60为中央芯片，与控制模块的STM32F103微处理器连接简单，基本无需外围电路。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：
本实用新型的制造执行系统现场控制器，在数据采集方面采用了非接触式的射频识别RFID技术，在数据采集时无须人工干预，自动化程度高且不易损坏，可识别高速运动物体并同时进行多卡识别，操作快捷方便，保证了数据采集的可靠、准确、高效；在通信方面，通过标准化且功能强大的SPI接口接入发展成熟的以太网，成本低廉，通信速率高，软硬件资源丰富，可持续发展能力强，易于实现管控一体化。
附图说明
图1为本实用新型一种制造执行系统现场控制器的结构示意图；
图2为控制模块分别与模具数据采集单元和人机界面通讯模块的连接示意图；
图3为控制模块与员工打卡时间采集单元的连接示意图；
图4为控制模块与通信模块的连接示意图；
图5为控制模块与数据保存模块的连接示意图；
图6为压铸机温度采集监控模块的示意图；
图7为压铸机电量采集监控模块的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
参照图1，示出了本实用新型一种制造执行系统现场控制器的结构示意图；
一种制造执行系统现场控制器，包括控制模块、数据采集模块、通信模块，其特征在于，所述控制模块设有UART接口和SPI接口，SPI接口连接所述通信模块的一端，通信模块的另一端接入以太网并与上位机相连，所述数据采集模块包括采用射频识别RFID的模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元，UART接口通过驱动芯片与模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元连接。
为适应生产现场的工作环境，以及数据采集模块与控制模块有效的连接，模具数据采集单元包括采用ISO18000-6B协议的960MHz超高频耐高温抗金属电子标签，员工打卡时间采集单元包括采用EM4100协议的125KHz低频卡，并通过标准驱动芯片MAX3232与控制模块连接，控制模块采用STM32F103微处理器；另外，通信模块采用ENC28J60为中央芯片，由于控制模块的STM32F103微处理器内部含有3个SPI接口，可以很方便地实现通信模块与控制模块的连接。
在实际应用中，所述数据采集模块还包括压铸机温度采集监控单元、压铸机电量采集监控单元，可以从制造执行系统现场的压铸机控制系统直接引线到本实用新型的控制模块，采集与监控压铸机温度、电量等工业制造中的重要数据，使采集的数据更加完善。
在本实用新型的一种优选实施方式中，制造执行系统现场控制器还包括与控制模块相连的数据保存模块，用于临时存储数据，以便之相连的控制模块进行数据统计、分析与处理等。
进一步，所述制造执行系统现场控制器还包括人机界面通讯模块，人机界面通讯模块通过驱动芯片与控制模块相连。人机界面通讯模块与控制模块相连，可将控制模块的指令、数据、工作状况等展现出来，用于工作人员与机器的交互。
下面，以控制模块选用采用STM32F103微处理器、通信模块采用ENC28J60为中央芯片为例，进一步说明本实用新型的制造执行系统现场控制器的结构。
如图2，为控制模块分别与模具数据采集单元和人机界面通讯模块的连接示意图；MAX3232标准驱动芯片的T1in、R1out、T2in、R2out管脚分别与控制模块STM32F103微处理器的UART3-TX、UART3-RX、UART1-TX、UART1-RX接口连接，MAX3232标准驱动芯片的T1out、R1in为一组，连接至模具数据采集单元的电子标签CN16的1、2端口，MAX3232标准驱动芯片的T2out、R2in为一组，连接至人机界面通讯模块CN17的1、2端口，从而分别建立控制模块与模具数据采集单元、人机界面通讯模块的连接。
针对底层模具生产加工实际环境，模具数据采集单元的模具标签选用符合国际ISO18000-6B协议的960MHz的超高频耐高温抗金属电子标签,读卡器对应的采用固定式超高频Gen2RFID阅读器，能够提供独立的天线端口并且遵循EPCglobal Class1Gen2and ISO186000-6C标准，它具有以太网供电（PoE）功能，节省了布置电源插座的工程预算。若控制器连续10次读取到有模具标签后，认为当前有模具安装在压铸机上，若两分钟内没有读取到1次模具标签则认为标签已被移开。
如图3，为控制模块与员工打卡时间采集单元的连接示意图；针对员工信息，则使用EM4100协议的125KHz的低频卡采集，读卡器选用对应的125KHz低频读卡器。控制模块的UART2-RX、UART2-RE、UART2-TX分别与MAX485驱动芯片的RO、RE和DE、DI管脚连接，MAX485驱动芯片的B、A管脚作为一组连接至员工打卡时间采集单元CN18的1、2端口。
员工第一次打卡为开始使用压铸机的时间，第二次打卡为员工结束使用压铸机，两次打卡之间的开模计数及为该员工的生产数量。
如图4，为控制模块与通信模块的连接示意图；以太网接口模块，负责控制器与后台服务器的通信，将采集到的模具安装及移开时间、员工打开时间、开幕计数、系统上电时间、熔炉上电时间等各种信息经过处理后上传。通信模块以ENC28J60为中央芯片，该通信模块的电路较为简单，基本无需外围电路。
其中，由于STM32F103微处理器内部含有3个SPI接口，可以很方便地实现与ENC28J60的连接，因此，ENC28J60可以通过SPI接口方便地和微处理器连接而构成嵌入式以太网通信接口。
ENC28J60芯片具有上电复位功能，一旦VDD上升到某个门限值后，就会在片内产生上电复位脉冲，当VDD上升到足够器件工作电压时，器件会以初始化状态启动，在器件正常工作期间，其RESET引脚的内部弱上拉将会使引脚保持逻辑高电平，在系统上电复位后不应立即发送数据或访问MAC、MII或PHY寄存器，至少应延迟10ms。
通过查询ENC28J60芯片的状态寄存器ESTAT中的CLKRDY位来确定系统是否准备好是不可靠的，因此需要将复位引脚连接到微处理器的引脚，通过软件延时来使系统可靠复位，同时ENC28J60芯片内部集成了2.5V稳压器，要使之工作稳定，需要在VCAP引脚与地之间外接一个10uF电容；由于ENC28J60芯片内部稳压器无法驱动外部负载，所以电源引脚必须与一个3.3V电源相连。
根据ENC28J60芯片的工作频率要求，需在OSC1和OSC2引脚间连接25MHz晶振及接地电容。ENC28J60芯片的内部模拟电路需要在RBIAS引脚与地之间外接一个2.32kΩ的电阻。此外，以太网变压器在实现以太网接口操作时是不可缺少的，在差分发送引脚（TPOUT＋／TPOUT－）上，需要外接一个带有中心抽头的1：1脉冲变压器。
本设计采用的是集成以太网隔离变压器HR911105A，网络变压器在没有工作的情况下，两个LED不会被点亮，当网络变压器工作正常时，绿色LEDA表示link状态，黄色LEDB表示通信状态。
图5为控制模块与数据保存模块的连接示意图；数据保存模块负责暂时保存采集到的数据，可采用FLASH存储芯片W25X16，其容量为16Mb，在该FLASH存储芯片W25X16中，利用DIO引脚连接控制模块的FLASH_SPI1_MOSI接口，DO引脚连接控制模块的FLASH_SPI1_MISO接口。
图6为压铸机温度采集监控模块的示意图；压铸机温度采集监控模块负责压铸机运行过程中实时温度采集，本实施例中利用MPC508AU对8路温度采集信号进行初步处理后，送入3通道、低噪声、低功耗AD转换器AD7793进行模数转换，得到控制模块的微处理器可处理的数字信号。
图7为压铸机电量采集监控模块的示意图；压铸机电量采集监控模块负责压铸机运行过程中消耗电量的采集，该模块可采用高精度三相多功能电能计量IC，ADE7878芯片，利用方便的串行接口与控制模块连接，并提供三路可配置的脉冲输出，方便电量的采集。
本实用新型公开了一种制造执行系统现场控制器，在数据采集方面采用了非接触式的射频识别RFID技术，在数据采集时无须人工干预，自动化程度高且不易损坏，可识别高速运动物体并同时进行多卡识别，操作快捷方便，保证了数据采集的可靠、准确、高效；在通信方面，通过标准化且功能强大的SPI接口接入发展成熟的以太网，成本低廉，通信速率高，软硬件资源丰富，可持续发展能力强，易于实现管控一体化。
上列详细说明是针对本实用新型之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
Claims (7)
1.一种制造执行系统现场控制器，包括控制模块、数据采集模块、通信模块，其特征在于，所述控制模块设有UART接口和SPI接口，SPI接口连接所述通信模块的一端，通信模块的另一端接入以太网并与上位机相连，所述数据采集模块包括采用射频识别RFID的模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元，UART接口通过驱动芯片与模具数据采集单元和员工打卡时间采集单元连接。
2.根据权利要求1所述的制造执行系统现场控制器，其特征在于，所述数据采集模块还包括压铸机温度采集监控单元、压铸机电量采集监控单元，压铸机温度采集监控单元、压铸机电量采集监控单元分别与控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的制造执行系统现场控制器，其特征在于，还包括数据保存模块，数据保存模块与控制模块相连。
4.根据权利要求3所述的制造执行系统现场控制器，其特征在于，还包括人机界面通讯模块，人机界面通讯模块通过驱动芯片与控制模块相连。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的制造执行系统现场控制器，其特征在于，所述模具数据采集单元包括采用ISO18000-6B协议的960MHz超高频耐高温抗金属电子标签，员工打卡时间采集单元包括采用EM4100协议的125KHz低频卡。
6.根据权利要求5所述的制造执行系统现场控制器，其特征在于，所述通信模块包括ENC28J60控制芯片。
7.根据权利要求5所述的制造执行系统现场控制器，其特征在于，所述控制模块包括STM32F103微处理器。
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Legal Events
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