陳麗珍，傅江成（廣東省電子技術(shù)研究所，廣東 廣州 510630）

1 引言

設(shè)備層是產(chǎn)品加工制造的載體，也是現(xiàn)場(chǎng)信息產(chǎn)生的源頭。然而遺憾的是現(xiàn)有離散制造業(yè)MES與設(shè)備層的集成還少有實(shí)現(xiàn)。其主要原因是與設(shè)備層的集成實(shí)現(xiàn)難度較大。主要難度包括：制造設(shè)備種類繁多，大多數(shù)設(shè)備與信息化系統(tǒng)集成困難；設(shè)備層人員主體是工人，信息交互平臺(tái)需要面向工人操作；離散制造車間環(huán)境相對(duì)比較惡劣，對(duì)軟硬件一體化的集成平臺(tái)要求較高等[2]。

設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集是本項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是合作方的重要需求，是提高制造業(yè)自動(dòng)化水平和精細(xì)化管理的重要手段。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有大量自動(dòng)化設(shè)備，大多采用DCS、PLC來(lái)進(jìn)行控制，設(shè)備自身能自動(dòng)準(zhǔn)確記錄各種生產(chǎn)信息，理論上只要能與這些自動(dòng)化設(shè)備做好數(shù)據(jù)接口，就能準(zhǔn)確采集所需要的數(shù)據(jù)，但是實(shí)際上設(shè)備種類繁多、協(xié)議與接口類型差別很大，給數(shù)據(jù)采集工作增加了難度。以手工作業(yè)的工序，易受到人工因素的影響，如果采集方式設(shè)計(jì)繁瑣，操作者不把信息反饋?zhàn)鳛橐粋€(gè)必不可少的動(dòng)作來(lái)執(zhí)行，就不能保證上報(bào)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，這使得手工作業(yè)的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)起來(lái)變得異常的困難復(fù)雜。

本論文探究了多種方式、多種模式的數(shù)據(jù)采集之路，以滿足不同類型離散制造型企業(yè)的多種設(shè)備和人工操作的數(shù)據(jù)采集需求。項(xiàng)目實(shí)施的系統(tǒng)物理部署圖簡(jiǎn)易示范如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)物理部署圖

2 嵌入式信息代理終端

在探究數(shù)據(jù)采集之路之前，先介紹其配套的終端，即嵌入式信息代理終端。該終端是由基于嵌入式處理器的硬件系統(tǒng)和基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)構(gòu)成。嵌入式處理器采用目前主流的ARM核處理器，如ATMEL的at91rm9200，cirrus logic 的ep93xx系列，TI的tms320dm644x。

嵌入式信息代理終端的硬件總體設(shè)計(jì)采用“核心板”和“接口擴(kuò)展板”的模塊化設(shè)計(jì)思想，“核心板”可以脫離“接口擴(kuò)展板”獨(dú)立工作，“接口擴(kuò)展板”要依賴于“核心板”工作。核心板和接口擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)方案具體如圖2、圖3所示。

圖2 核心板的設(shè)計(jì)方案

圖 3 接口擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)方案

嵌入式操作系統(tǒng)可選用商用的嵌入式系統(tǒng)如vxWorks或者開源嵌入式Linux系統(tǒng)，前者對(duì)內(nèi)存等資源消耗小，實(shí)時(shí)性相對(duì)較高；后者則功能強(qiáng)，并且容易移植很多開源組件，如AppWeb w eb服務(wù)器，samba CIFS文件共享，libxm l XM L處理庫(kù)，QTE嵌入式圖形庫(kù)等，并且支持Python、Perl、PHP、Java等多種高級(jí)腳本語(yǔ)言，方便嵌入式信息代理設(shè)備上應(yīng)用軟件開發(fā)。不過前者也可以向w indriver公司購(gòu)買相應(yīng)的嵌入式軟件中間件實(shí)現(xiàn)，如Web Server、Web Service、OPC、Fieldbus、CORBA等相關(guān)中間件。

3 數(shù)據(jù)采集之路

按照不同的分類原則，數(shù)據(jù)采集可以有不同的種類。按照采集方式的不同，可以分為自動(dòng)、手動(dòng)和半自動(dòng)。前者在整個(gè)過程中不需要人工干預(yù)，一旦安裝便能采集預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)采集對(duì)象（人、設(shè)備、原材料等生產(chǎn)數(shù)據(jù)）；第二種在采集過程中需要不斷地人工輸入實(shí)時(shí)信息，一旦停止輸入，便得不到需要采集的信息；最后一種是結(jié)合條形碼、RFID等半自動(dòng)化采集技術(shù)。

3.1 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集之路

該方式以軟件技術(shù)為主要手段、硬件技術(shù)為輔助手段。具體還可以分以下幾種實(shí)現(xiàn)模式。

（1）自動(dòng)之路1：監(jiān)控模式

對(duì)于無(wú)通信接口但有HM I的生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)設(shè)備的主控器和HM I之間并一根電纜線，嵌入式信息代理設(shè)備通過監(jiān)控主控器和HM I的數(shù)據(jù)流獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，接線示范如圖4所示。

圖4 監(jiān)控模式

（2）自動(dòng)之路2：直接通信模式

對(duì)于帶通信接口的生產(chǎn)設(shè)備，直接通過生產(chǎn)設(shè)備通信接口可以獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，接線示范如圖5所示。

圖5 直接通信模式

（3）自動(dòng)之路3：植入轉(zhuǎn)發(fā)模式

針對(duì)不帶通信接口的經(jīng)濟(jì)型生產(chǎn)設(shè)備，我們研究出利用“植入轉(zhuǎn)發(fā)”的采集方法，即在轉(zhuǎn)發(fā)HM I（Human Machine Interface）與生產(chǎn)設(shè)備的通信數(shù)據(jù)的同時(shí)植入有用的監(jiān)控信息，能適用于大部分生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，如圖6所示。

圖6 植入轉(zhuǎn)發(fā)模式

以上三種模式都需要分析相關(guān)的通信協(xié)議，包括通信接口方式、報(bào)文格式等分析。報(bào)文格式舉例如圖7所示。

圖7 報(bào)文格式

某種命令的請(qǐng)求幀數(shù)據(jù)格式舉例如圖8所示。

圖8 請(qǐng)求幀數(shù)據(jù)格式

對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀數(shù)據(jù)格式舉例如圖9所示。

圖9 應(yīng)答幀數(shù)據(jù)格式

（4）自動(dòng)之路4：硬件信號(hào)監(jiān)控

對(duì)于不滿足以上3種模式的情況，生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)置了各種傳感器，這種情況可以采用硬件信號(hào)點(diǎn)監(jiān)控方式來(lái)自動(dòng)獲取相應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（5）自動(dòng)之路5：機(jī)器視覺

對(duì)于紙質(zhì)文檔文件，可以利用OCR（光學(xué)位置識(shí)別）技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集，其基本原理是利用攝像頭或掃描儀對(duì)文檔進(jìn)行數(shù)字化，然后再進(jìn)行圖像處理（包括文字區(qū)域定位、字符提取、特征提取、分類算法設(shè)計(jì)及識(shí)別處理幾個(gè)部分），自動(dòng)生成各種類型的文檔數(shù)據(jù)；對(duì)于印刷基片的外觀識(shí)別，可以采用CCD圖像識(shí)別技術(shù)。

3.2 半自動(dòng)數(shù)據(jù)采集之路

對(duì)于含條碼（一維或二維）的生產(chǎn)設(shè)備或產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以利用條形碼掃描槍輸入相關(guān)信息；對(duì)于移動(dòng)的物體（如倉(cāng)庫(kù)）或條件惡劣的環(huán)境（如電鍍線）可以采用RFID技術(shù)。

3.3 手動(dòng)數(shù)據(jù)采集之路

以手工作業(yè)的工序，可以結(jié)合條形碼、RFID等半自動(dòng)化方式進(jìn)行完工、物料、質(zhì)量等信息的采集。對(duì)于純手工的工序，采用嵌入式信息代理終端及配套簡(jiǎn)易的嵌入式HM I，來(lái)提高手工輸入的效率。

針對(duì)半自動(dòng)化和手動(dòng)之路，都需要在嵌入式信息代理終端設(shè)計(jì)配套的、人性化嵌入式HM I，具體操作流程舉例如圖10所示。

4 探究問題

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，以下幾種情況的數(shù)據(jù)采集仍遇到一些棘手問題，還需繼續(xù)深入研究。

模擬儀表的數(shù)據(jù)采集；

沒有HM I的生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集；

自適應(yīng)波特率的生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

圖10 HM I操作流程

5 結(jié)語(yǔ)

本論文結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求，提出了多種方式、多種模式可行的數(shù)據(jù)采集之路。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，也遇到了一些困撓（在第4章節(jié)有所提及），希望今后有機(jī)會(huì)和廣大同仁們一起探究這些情況的數(shù)據(jù)采集之路。

[1] 2011 Desran compressor development target and main task [DB/OL]. http://www.desran.com/en/news-230.html, 2012-03-27.

[2] 劉飛. 離散制造業(yè)MES需要實(shí)現(xiàn)與設(shè)備層的集成[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化,2007 (9) : 14.