加工過程的離散性，生產(chǎn)工序多、轉(zhuǎn)手多，產(chǎn)品在每一個(gè)環(huán)節(jié)都有失控危險(xiǎn)等特點(diǎn)，決定了離散制造業(yè)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量管理有著嚴(yán)格的要求，因此離散制造業(yè)對(duì)信息化、數(shù)字化的需求有著和流程工業(yè)明顯的差異。
現(xiàn)在有些工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開始與物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來，但物聯(lián)網(wǎng)在產(chǎn)品形成過程中的應(yīng)用研究依然偏少，存在應(yīng)用瓶頸，在專用器件開發(fā)、系統(tǒng)集成開發(fā)、系統(tǒng)模型優(yōu)化、可追溯性數(shù)據(jù)模型等方面都屬于起步階段，有待于深入。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，RFID、二維碼等自動(dòng)識(shí)別設(shè)備在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用是必然趨勢(shì)，但是PLC 等主流工控設(shè)備由于在通信接口形式和數(shù)量（如串口數(shù)量有限，缺少USB 接口等），編制通信程序和數(shù)據(jù)計(jì)算（CRC 等算法），邏輯分析，存儲(chǔ)空間等方面存在缺陷，融入物聯(lián)網(wǎng)困難。改造中往往需要重新開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備和編寫軟件，尤其是多設(shè)備、多監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境，難度高、投資大、周期長(zhǎng)，為用戶所難接受。
本文旨在設(shè)計(jì)開發(fā)一種面向物聯(lián)網(wǎng)的工序質(zhì)量控制終端，以適應(yīng)中小型離散制造企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)品質(zhì)量控制的要求，利用已有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決生產(chǎn)中質(zhì)量管理信息化改造的共性難題；在對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備、人員進(jìn)行身份識(shí)別的基礎(chǔ)上，消除信息孤島，對(duì)生產(chǎn)工序進(jìn)行質(zhì)量連鎖，從而將集成度高、自成體系的自動(dòng)化單機(jī)，在不做或少做軟、硬件改動(dòng)的前提下，快速融入生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。
1.工序質(zhì)量控制終端總體設(shè)計(jì)
企業(yè)的設(shè)備購(gòu)自不同廠家，通信方式、測(cè)試指標(biāo)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接口數(shù)量、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)等方面上的差異導(dǎo)致生產(chǎn)線中存在大量“信息孤島”，兼容并包是實(shí)現(xiàn)在線產(chǎn)品質(zhì)量控制和追溯的基礎(chǔ)。針對(duì)上述情況，在不做或少做軟、硬件改動(dòng)的前提下，研究一套將原有生產(chǎn)線設(shè)備融入系統(tǒng)，消除各類信息孤島的有效方法成為工序質(zhì)量控制終端設(shè)計(jì)的先頭工作。
目前來看，原有生產(chǎn)線設(shè)備有以下兩種情況:①原有設(shè)備的源代碼等細(xì)節(jié)不開放，不具備接入數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接口。②原有設(shè)備的源代碼等細(xì)節(jié)開放，但不具備接入數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接口。原有設(shè)備的組成框圖如圖1所示。
圖1 原有設(shè)備組成框圖
針對(duì)這兩種情況，可以統(tǒng)一設(shè)計(jì)為一個(gè)兼容方案:將原來和PLC 相連的啟停按鍵、結(jié)果指示燈等IO 通道，改接工序質(zhì)量控制終端，工序質(zhì)量控制終端再利用IO 通道或串口和PLC 連接；因此不改或小改原有單機(jī)設(shè)備的硬軟件，就可以讓其具備自動(dòng)識(shí)別、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程、質(zhì)量連鎖等能力。
圖2 改造后的設(shè)備組成框圖
情況一和情況二的方案區(qū)別在于:情況一中工序質(zhì)量控制終端和PLC 只用IO 通道相連，情況二是在這個(gè)的基礎(chǔ)上添加上串口通信。因此，情況一只能對(duì)生產(chǎn)過程的操作狀態(tài)以及產(chǎn)品加工結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，情況二可以做到全方位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。
2.控制終端硬件設(shè)計(jì)
控制終端作為將生產(chǎn)設(shè)備接入系統(tǒng)的主要橋梁，在硬件上基于嵌入式ARM9 主控板開發(fā)，集成觸摸屏、操作鍵盤、串口、USB 口、以太網(wǎng)口、CF 卡、ROM、RAM 和通用外設(shè)等，擴(kuò)展有DIO、ADO 等工控模塊，外接條碼或RFID 讀寫器，Zigbee 無線通信模塊等，硬件主要構(gòu)成如圖3 所示。
圖3 終端硬件整體框圖
ARM9 主控板采用的是杭州立宇泰公司生產(chǎn)的ARMSYS2440 開發(fā)板，該開發(fā)板由核心板和底板兩部分組成。其中核心板包含了ARM9 主控芯片、NandFlash、SDRAM、晶振、LED 指示燈等；底板和核心板通過SO-DIMM200 接口相連，底板上擴(kuò)展了多種硬件資源，包括串口，LCD 接口，USB 接口，以太網(wǎng)接口等，完全滿足用戶外設(shè)連接的要求。
Zigbee 無線通信模塊和條碼/RFID 讀寫器采用成品設(shè)備，分別負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和產(chǎn)品身份識(shí)別，通過RS232 串口與ARM9 主控板通信，觸摸屏采用1024×768TFT 屏， 用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查詢，通過50針排線與ARM9主控板連接。
原有單機(jī)設(shè)備改造過程中的IO 通道就是通過IO 擴(kuò)展電路來實(shí)現(xiàn)的。IO 擴(kuò)展電路與ARM9 主控板底板上的擴(kuò)展接口相連，將擴(kuò)展接口上的IO 信號(hào)以及AD 輸入信號(hào)引入到擴(kuò)展板上。經(jīng)過IO 擴(kuò)展電路擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)16 路數(shù)字輸入，32 路數(shù)字輸出，8 路AD 模擬輸入。擴(kuò)展板的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：
圖4 擴(kuò)展板組成框圖
改造后的方案中，原先連接PLC 輸入端的啟動(dòng)急停按鍵以及連接PLC 輸出端的工作指示燈先連接到擴(kuò)展板的數(shù)字量輸入接口，啟動(dòng)急停按鍵的狀態(tài)信號(hào)以及結(jié)果指示燈信號(hào)通過底板擴(kuò)展接口傳入到ARM9控制器中，同時(shí)，ARM9 控制器通過底板擴(kuò)展接口將輸出控制信號(hào)傳給數(shù)字量輸出接口，數(shù)字量輸出接口與原先連接啟動(dòng)急停按鍵的PLC 輸入端相連，從而控制PLC 輸入。
控制終端具體工作流程如下：當(dāng)上一工序的產(chǎn)品到達(dá)本工序時(shí)，首先，條碼閱讀器或RFID 讀寫器識(shí)別產(chǎn)品ID，產(chǎn)品ID 傳給ARM9 控制器后，通過Zigbee 無線通信模塊向上級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)申請(qǐng)?jiān)摦a(chǎn)品在前一工序的生產(chǎn)信息，ARM9 控制器得到數(shù)據(jù)庫(kù)響應(yīng)后，如果該產(chǎn)品在前一工序中生產(chǎn)合格，則ARM9 控制器能啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)工作人員如果按下啟動(dòng)鍵，原有設(shè)備正常啟動(dòng)，生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)通過RS232 串口傳送到ARM9 控制器，經(jīng)過初步的處理后，數(shù)據(jù)通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示出來，同時(shí)通過Zigbee無線通信模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器保存、處理和統(tǒng)計(jì)；如果該產(chǎn)品在前一工序中生產(chǎn)不合格，ARM9 控制器則會(huì)禁止啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)工作人員若按下啟動(dòng)鍵，原有設(shè)備不會(huì)啟動(dòng)，同時(shí)ARM9 控制器會(huì)觸發(fā)聲光報(bào)警信號(hào)，提醒工作人員將廢品剔除，待確認(rèn)后，聲光報(bào)警信號(hào)解除。
3.控制終端軟件設(shè)計(jì)
控制終端軟件設(shè)計(jì)分為操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。其中操作系統(tǒng)采用的是WINCE5.0 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，WINCE具有組件化、可定制性、與Windows 平臺(tái)兼容等特性， 在智能手機(jī)、家庭自動(dòng)化、信息家電、個(gè)人導(dǎo)航、工業(yè)控制等領(lǐng)域都開始采用WINCE。
驅(qū)動(dòng)程序介于操作系統(tǒng)和設(shè)備之間， 主要作用是為操作系統(tǒng)提供一個(gè)接口，達(dá)到實(shí)現(xiàn)操作不同硬件(包括物理設(shè)備和虛擬設(shè)備)。ARM9主控板上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)由立宇泰公司開發(fā)的板級(jí)支持包（BSP）和Platform Builder 5.0 自帶的一些驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)完成，所以驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的主要工作在于IO擴(kuò)展板的驅(qū)動(dòng)開發(fā)。
IO 擴(kuò)展板的驅(qū)動(dòng)程序主要包含數(shù)字量輸入輸出的GPIO 端口驅(qū)動(dòng)程序以及模擬量輸入的AD 轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)程序。擴(kuò)展板設(shè)備驅(qū)動(dòng)均采用的是基于WINCE 的流驅(qū)動(dòng)，流驅(qū)動(dòng)提供給操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的流接口，以GPIO 驅(qū)動(dòng)為例，標(biāo)準(zhǔn)的流驅(qū)動(dòng)接口如表1所示。
表1 標(biāo)準(zhǔn)流驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)
上面的表格列出了流驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)接口， 其中GIO 表示設(shè)備名的前綴，必須為3 個(gè)字符，它非常重要，因?yàn)樵O(shè)備管理器在注冊(cè)表中通過前綴來識(shí)別設(shè)備。流驅(qū)動(dòng)是通過設(shè)備管理器(Device Manager)來加載或管理的[8]。因此， 流驅(qū)動(dòng)的加載非常靈活，它不僅可以在WINCE 啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載，而且還可以在啟動(dòng)后根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)加載。
WINCE 的流驅(qū)動(dòng)程序被當(dāng)成一個(gè)特定文件系統(tǒng)設(shè)備， 它提供的流接口函數(shù)跟文件系統(tǒng)的API 函數(shù)緊密聯(lián)系， 如OpenFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIOControl()等，在使用這些API 函數(shù)的時(shí)候，把指定的文件名改成相應(yīng)的設(shè)備名就可以，應(yīng)用程序通過使用操作普通文件的方法處理特殊的文件來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。
控制終端的應(yīng)用程序基于Visual Studio 2008 C#編寫，以類庫(kù)形式提供軟件功能通用模塊，如質(zhì)量統(tǒng)計(jì)模塊、自動(dòng)識(shí)別設(shè)備接口模塊、各類PLC 數(shù)據(jù)讀取模塊(包括歐盟龍、三菱、西門子、臺(tái)達(dá)等)、以太網(wǎng)客戶端通信模塊（TCP/UDP）、廢品確認(rèn)模塊等。這些模塊通過多線程模式進(jìn)行運(yùn)作，從而提高終端的處理效率。
改造后的設(shè)備往往在一個(gè)產(chǎn)品操作結(jié)束后，會(huì)將信息寫入文本、EXCEL 或數(shù)據(jù)庫(kù)等文件。工序質(zhì)量控制終端利用以太網(wǎng)對(duì)工控機(jī)上的指定文件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)有新數(shù)據(jù)文件（或者舊文件有改變），則讀取數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳給主機(jī)，軟件流程如圖5所示。
圖5 監(jiān)控程序流程圖
4.結(jié)語(yǔ)
面向物聯(lián)網(wǎng)的工序質(zhì)量控制終端結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)中的身份識(shí)別、Zigbee 無線傳輸、嵌入式計(jì)算機(jī)等技術(shù)。通過對(duì)原有設(shè)備的改造和多次實(shí)驗(yàn)，證明了該終端的工作可靠性與高效性，它為離散制造業(yè)中的“信息孤島”融入生產(chǎn)質(zhì)量信息系統(tǒng)提供了有效的解決方案，提高了離散制造企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了產(chǎn)品次品率，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
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本文標(biāo)題：面向物聯(lián)網(wǎng)的工序質(zhì)量控制終端設(shè)計(jì)
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