王 健,陳蘭生,陳平生,李芝年
(1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,浙江 紹興 312000; 2.紹興高得軟件有限公司,浙江 紹興 312000)
“工業(yè)4.0”的概念一經(jīng)提出,就受到廣泛關(guān)注,并在全球范圍內(nèi)拉開(kāi)了工業(yè)轉(zhuǎn)型的序幕。我國(guó)作為制造業(yè)大國(guó),也相繼提出“智能制造”、“數(shù)字工廠”等概念,為制造業(yè)轉(zhuǎn)型提供了參考。這些概念的提出均是為了提升制造業(yè)的智能化水平、提高生產(chǎn)效率,其基礎(chǔ)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)實(shí)體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)[1]。
瓦楞紙箱印刷產(chǎn)業(yè)[2]是我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)的典型代表,其生產(chǎn)規(guī)模隨著電子商務(wù)的發(fā)展逐年提升,但是生產(chǎn)效率并沒(méi)有顯著提高。其主要原因是:①我國(guó)目前瓦楞紙箱印刷機(jī)的自動(dòng)化水平較低,計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等操作均需人工干預(yù)[3];②排程信息無(wú)法直接在印刷設(shè)備上顯示,生產(chǎn)人員操作隨意性較大;③印刷設(shè)備不能存儲(chǔ)運(yùn)行過(guò)程中的停機(jī)、故障等信息,不利于管理人員進(jìn)行過(guò)程管理,一定程度上降低了生產(chǎn)效率[4]。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文研究并設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5]的瓦楞紙箱印刷管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感網(wǎng)、嵌入式、組態(tài)軟件等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),使印刷設(shè)備和制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)相連接,從而實(shí)現(xiàn)了印刷精準(zhǔn)計(jì)數(shù)、排程信息顯示、停機(jī)信息存儲(chǔ)、歷史訂單存儲(chǔ)以及生產(chǎn)實(shí)時(shí)管控等功能,提高了生產(chǎn)效率和印刷質(zhì)量[6]。
傳統(tǒng)瓦楞紙箱印刷機(jī)作為獨(dú)立的印刷設(shè)備[7],不能與企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(enterprise resource planning,ERP)或MES連接,無(wú)法在設(shè)備端查看非程信息;機(jī)器生產(chǎn)自動(dòng)化水平低,計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等操作均需要人工干預(yù)。本系統(tǒng)致力于解決傳統(tǒng)設(shè)備亟需的信息傳輸、自動(dòng)控制等問(wèn)題。
系統(tǒng)由終端控制單元、信息傳輸單元和系統(tǒng)管理單元[8]3部分組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
系統(tǒng)采用STM32F103芯片作為終端設(shè)備的核心控制器,以光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行印刷計(jì)數(shù),以PLC控制器控制印刷設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉,以人機(jī)界面(human machine interface,HMI)組態(tài)屏進(jìn)行排程和生產(chǎn)信息的顯示以及數(shù)據(jù)輸入。各個(gè)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊與ERP服務(wù)器或MES服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)絡(luò)模塊提供WiFi和有線局域網(wǎng)兩種傳輸模式。設(shè)備可以通過(guò)配置直接在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,也可以通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸[9-10]。
系統(tǒng)功能管理涵蓋試機(jī)、開(kāi)始、暫停、繼續(xù)、完工、設(shè)置、報(bào)表等功能。設(shè)備運(yùn)行后,終端設(shè)備會(huì)自動(dòng)采集印刷設(shè)備的當(dāng)前車(chē)速、生產(chǎn)張數(shù)、停機(jī)次數(shù)、停機(jī)時(shí)間、生產(chǎn)班次、生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)間、生產(chǎn)完工時(shí)間等信息,并可實(shí)現(xiàn)上道缺數(shù)、試機(jī)張數(shù)、本機(jī)報(bào)廢、補(bǔ)單數(shù)量等信息的手動(dòng)輸入,具有一定的智能化水平。此外,系統(tǒng)還具有存儲(chǔ)3個(gè)月以上的歷史數(shù)據(jù)、生成停機(jī)日志以及數(shù)據(jù)查詢分析等功能,大大提高了生產(chǎn)管理效率。
系統(tǒng)終端控制單元(下位機(jī))采用STM32F103芯片作為核心控制芯片,以E18-D80NK外掛常開(kāi)式光電開(kāi)關(guān)作為計(jì)數(shù)采集設(shè)備,以電阻觸摸屏(DC10600A101_01TF)作為系統(tǒng)顯示和輸入設(shè)備,以ATK-RM04網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行系統(tǒng)信息傳輸,可支持WiFi、有線兩種模式,且能自由切換,通信較為穩(wěn)定。
STM32F103是一款32位ARM微控制器,其內(nèi)核是Cortex-M3。此款芯片自帶3個(gè)USART接口、2個(gè)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI),最高工作頻率可達(dá)72 MHz,在工業(yè)控制上具有非常廣泛的應(yīng)用。由于終端系統(tǒng)的主要工作為數(shù)據(jù)通信,在具體操作時(shí),系統(tǒng)利用2個(gè)USART接口分別與組態(tài)屏和網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行通信,并利用SPI接口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間。由于系統(tǒng)對(duì)程序存儲(chǔ)空間有較大的需求,所以選擇STM32F103ZET6,具有144個(gè)引腳以及512 KB的Flash存儲(chǔ)空間。
系統(tǒng)終端控制單元會(huì)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的差別和實(shí)際安裝難度選擇不同通信網(wǎng)絡(luò),所以設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)就需要對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合考量。基于此需求,系統(tǒng)選擇ATK-RM04作為設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信模塊。它是ALIENTEK推出的一款高性能UART-ETH-WiFi(串口-以太網(wǎng)-無(wú)線網(wǎng))模塊。該模塊采用串口(RS-232/LVTTL)與其他串口設(shè)備通信,內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧,能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)(WiFi)3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置,便可以讓設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò),一定程度上加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)度、降低了開(kāi)發(fā)成本。
系統(tǒng)采用HMI組態(tài)屏作為顯示和外部輸入設(shè)備,考慮到工廠環(huán)境中顯示信息要清晰明顯、觸摸操作要穩(wěn)定,選擇了DC10600A101_01TF顯示屏作為系統(tǒng)的顯示設(shè)備。其分辨率為1 024×600,能夠滿足系統(tǒng)的顯示需要。電阻觸摸較為穩(wěn)定,能夠有效防止誤操作。圖2為組態(tài)屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。組態(tài)屏內(nèi)部主要由一個(gè)Cortex-M3控制器和一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array,FPGA)組成。Cortex-M3控制器主要負(fù)責(zé)指令的收發(fā)和解析,F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取和顯示刷新。此設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的工作效率。由于組態(tài)屏不需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的硬件電路,只需要利用串口對(duì)其指令控制即可,使得操作較為便利。通過(guò)組態(tài)屏自帶的上位機(jī)Visual-TFT軟件,即可進(jìn)行界面排版和控件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后,通過(guò)USB/UART或SD卡等方式,將整個(gè)工程圖片和配置信息下載到串口屏內(nèi)部存儲(chǔ)器中。
圖2 組態(tài)屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)軟件主要包括嵌入式平臺(tái)程序和人機(jī)交互界面兩部分。采用STM32編寫(xiě)嵌入式程序,主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和顯示控制;使用組態(tài)屏自帶的Visual-TFT軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。本系統(tǒng)通過(guò)所設(shè)計(jì)接口模塊,可實(shí)現(xiàn)與企業(yè)原有的ERP軟件或者M(jìn)ES軟件的無(wú)縫對(duì)接。
系統(tǒng)接收到ERP/MES軟件所發(fā)出的指令后,解析指令獲得有效訂單信息,并將訂單信息排序后傳輸?shù)斤@示屏顯示;當(dāng)訂單開(kāi)始生產(chǎn)后,系統(tǒng)自動(dòng)記錄開(kāi)始時(shí)間,STM32控制外接光電開(kāi)關(guān)并進(jìn)行計(jì)數(shù);顯示屏的生產(chǎn)信息能夠?qū)崟r(shí)更新。當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程間斷時(shí),設(shè)備能夠根據(jù)間斷時(shí)間自動(dòng)判斷機(jī)器是否暫停生產(chǎn),并自動(dòng)記錄暫停時(shí)間。系統(tǒng)整體運(yùn)行流程如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)整體運(yùn)行流程圖
當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有瓦楞紙過(guò)片時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為生產(chǎn)狀態(tài),無(wú)需人工切換。當(dāng)生產(chǎn)結(jié)束時(shí),用戶將報(bào)廢數(shù)量、上道缺數(shù)等信息填寫(xiě)完整,系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)訂單生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及停機(jī)日志,并將下一條待生產(chǎn)的訂單自動(dòng)置頂。
在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中,ERP/MES軟件可以發(fā)送相關(guān)指令來(lái)進(jìn)行查詢生產(chǎn)信息或者修改、刪除訂單等操作。設(shè)備歷史生產(chǎn)記錄和停機(jī)日志等信息可以進(jìn)行在線查詢,也可以直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行讀取,操作較為便捷。
人機(jī)界面是系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵部分,它承擔(dān)著信息顯示和輸入的功能。本系統(tǒng)的人機(jī)界面主要分為四個(gè)部分:標(biāo)題欄、當(dāng)前訂單生產(chǎn)狀態(tài)、排程信息以及按鈕操作區(qū)域。
標(biāo)題欄主要包括班次選擇和時(shí)間日期兩部分內(nèi)容。當(dāng)前訂單生產(chǎn)狀態(tài)欄主要包括當(dāng)前數(shù)量、當(dāng)前車(chē)速、開(kāi)始時(shí)間、完成時(shí)間以及停機(jī)信息等。上道缺數(shù)、本機(jī)報(bào)廢、補(bǔ)單數(shù)量以及實(shí)際試機(jī)數(shù)等信息需要在完工后手工輸入。排程信息欄主要是根據(jù)系統(tǒng)所接收的訂單進(jìn)行排序顯示,ERP/MES系統(tǒng)發(fā)出撤單、修改等指令后,訂單信息將會(huì)實(shí)時(shí)更新。按鈕操作區(qū)域包含試機(jī)、開(kāi)始、暫停、繼續(xù)、完工、記錄等操作按鈕。通過(guò)按鈕,用戶能夠控制系統(tǒng)的運(yùn)行,以及查詢相關(guān)的生產(chǎn)記錄。
①系統(tǒng)與ERP/MES軟件接口設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)提供基于以太網(wǎng)Winsock方式,采用TCP/IP協(xié)議的接口模塊與工廠ERP/MES軟件連接,接收來(lái)自ERP/MES系統(tǒng)的機(jī)臺(tái)排程信息和控制指令。系統(tǒng)指令解析流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)指令解析流程圖
為保證系統(tǒng)通信的準(zhǔn)確性,接口數(shù)據(jù)還設(shè)置了起始/終止符、包頭標(biāo)志等多重?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證方式,系統(tǒng)成功解析數(shù)據(jù)后還會(huì)有指令返回。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)回收指令后,通過(guò)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)拼接,將數(shù)據(jù)發(fā)回ERP/MES系統(tǒng)。系統(tǒng)當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)回收流程如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)據(jù)回收流程圖
②系統(tǒng)內(nèi)部接口設(shè)計(jì)。
為提供系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性,系統(tǒng)還預(yù)留了多個(gè)RS-232/RS-485通信接口和多個(gè)GPIO管腳,可以為系統(tǒng)接入更多的傳感器或PLC設(shè)備提供可能。
為驗(yàn)證系統(tǒng)工作的可靠性和準(zhǔn)確性,將系統(tǒng)安裝到印刷機(jī)上進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)試。為保證計(jì)數(shù)測(cè)試的科學(xué)性與準(zhǔn)確性,印刷機(jī)車(chē)速逐步升高,在每種車(chē)速情況下測(cè)試10次,以10 000張紙板為一組進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)試,對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果求平均值得到實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)車(chē)速與計(jì)數(shù)誤差關(guān)系如圖6所示。從圖6可知:車(chē)速低于13張/s時(shí),能夠保證計(jì)數(shù)100%準(zhǔn)確;高于13張/s后,誤差逐步增大。傳統(tǒng)印刷機(jī)和糊盒機(jī)的車(chē)速一般在1~7張/s,遠(yuǎn)低于13張/s。由此可見(jiàn),系統(tǒng)在準(zhǔn)確率和反應(yīng)速度方面,完全能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。
圖6 系統(tǒng)車(chē)速與計(jì)數(shù)誤差關(guān)系圖
此外,本生管系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)ERP/MES系統(tǒng)所發(fā)送的指令,通信較為穩(wěn)定。在具體生產(chǎn)過(guò)程中,排程信息和生產(chǎn)狀態(tài)能夠正常在組態(tài)顯示屏顯示。觸摸屏按鍵響應(yīng)較為可靠,能夠有效防止誤觸碰操作,在具體生產(chǎn)過(guò)程中界面顯示正常穩(wěn)定。STM32作為系統(tǒng)核心控制器,其穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性完全達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)能夠在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性,效果顯著。
本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的瓦楞紙箱印刷管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了印刷精準(zhǔn)計(jì)數(shù)、排程信息顯示、停機(jī)信息存儲(chǔ)、歷史訂單存儲(chǔ)以及生產(chǎn)實(shí)時(shí)管控等功能,提高了生產(chǎn)效率和印刷質(zhì)量。測(cè)試表明,系統(tǒng)傳感器計(jì)數(shù)精準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定、組態(tài)屏界面友好且顯示美觀,特別適合與傳統(tǒng)印刷設(shè)備搭配使用,能夠滿足管理人員對(duì)于工廠印刷生產(chǎn)的過(guò)程管理,為我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)工廠智能化改造提供方向。通過(guò)本設(shè)計(jì)可知,充分利用以傳感器、嵌入式技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中國(guó)智能制造的一種有效途徑,具有重要的實(shí)踐意義。