陳培+申紅明+張會(huì)猛+楊永杰

摘 要： 為了滿足對(duì)線纜生產(chǎn)自動(dòng)化控制的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多層分布式結(jié)構(gòu)，底層監(jiān)控終端以ARM Cortex M4F增強(qiáng)型嵌入式芯片為核心，結(jié)合激光條碼掃描、超高頻識(shí)別等技術(shù)，配以良好的人機(jī)交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與處理，并以WiFi無線方式與頂層數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成信息的上傳與反饋。監(jiān)控終端通過分析比較反饋的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)進(jìn)程，完成工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控。該系統(tǒng)經(jīng)中天科技線纜框絞生產(chǎn)線測(cè)試，穩(wěn)定性好，能有效完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集、整理、上傳及反饋工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能監(jiān)控，具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 線纜生產(chǎn)； 自動(dòng)化控制； 智能監(jiān)控； ARM； 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器

中圖分類號(hào)： TN948.64?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0065?04

Design of cable production monitoring system based on STM32

CHEN Pei， SHEN Hongming， ZHANG Huimeng， YANG Yongjie

（School of Electronics and Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： In order to meet the requirement of the cable production automation control， an intelligent monitoring system for production was designed and implemented. A multi?layer distributed structure is adopted in the system. The bottom monitoring terminal takes ARM Cortex M4F enhanced embedded chip as its core. The acquisition and processing of the production data are achieved in combination with the laser bar code scanning technology， ultrahigh frequency identification technology and perfect man?machine interactive platform. The data exchange is executed by the top?level database server system in WiFi wireless mode to realize the upload and feedback of information. The monitoring terminal can control the production process in real time and complete industrial automation monitoring by means of the analysis and comparison of the feedback data. The system was tested on the box cutter production line of cable at Zhongtian Technology. The test result shows that the system has high stability， can complete the field data collection， collation， upload， feedback effectively， and intelligent monitoring of production.

Keywords： cable production； automatic control； intelligent monitoring； ARM； database server

0 引 言

我國(guó)的制造業(yè)企業(yè)正處于由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期[1]，以信息化帶動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化，加快工業(yè)信息化進(jìn)程，通過新型工業(yè)化道路實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力跨越式發(fā)展對(duì)提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力有著至關(guān)重要的作用。在工業(yè)4.0的新型背景下，信息技術(shù)和制造業(yè)相結(jié)合成為更加迫切的要求，也是未來工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。目前，國(guó)外在智能化生產(chǎn)的研究和開發(fā)方面取得了明顯的進(jìn)展，而我國(guó)還處于初級(jí)階段。在我國(guó)第二大行業(yè)，即電線電纜行業(yè)中，大多數(shù)線纜企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的手工方式記錄車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，不僅效率低、易出錯(cuò)，同時(shí)管理人員無法在第一時(shí)間準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取相關(guān)信息，從而迅速調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，以保證生產(chǎn)車間的高效運(yùn)行。因此，使企業(yè)更有效地組織和控制生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互動(dòng)成為線纜企業(yè)信息化建設(shè)的重心。本文采用多層分布式結(jié)構(gòu)，基于ARM Cortex?M4增強(qiáng)型嵌入式芯片，設(shè)計(jì)了一種線纜生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)線纜生產(chǎn)的智能控制。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用多層分布式結(jié)構(gòu)，從下至上分為監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層和管理層。其中網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)的通信橋梁，它工作狀況的穩(wěn)定與否會(huì)直接決定整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠焚|(zhì)[3]?？紤]到車間內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了WiFi信號(hào)全覆蓋和其傳輸速度快、組網(wǎng)成本低的優(yōu)點(diǎn)，采用WiFi無線終端接入企業(yè)局域網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)傳輸[4]。底層監(jiān)控層以監(jiān)控終端為核心，每個(gè)監(jiān)控終端設(shè)置一個(gè)WiFi節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)WiFi節(jié)點(diǎn)有一個(gè)惟一的標(biāo)識(shí)（IP），這些節(jié)點(diǎn)和無線接入點(diǎn)一起組成無線局域網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)以無線路由器為中心，一方面和每一個(gè)WiFi智能節(jié)點(diǎn)相連，另一方面和頂層服務(wù)器相連。根據(jù)客戶訂單，預(yù)先將生產(chǎn)工藝卡全部錄入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器系統(tǒng)。以線纜生產(chǎn)框絞工藝為例，首先，監(jiān)控終端各組成模塊對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)將其采集到的合同、鋼芯、上盤、生產(chǎn)等信息以無線方式上傳至服務(wù)器，上位機(jī)對(duì)接收到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并向監(jiān)控終端回送相關(guān)數(shù)據(jù)，以便監(jiān)控終端進(jìn)行下一步處理。如果監(jiān)控終端接收到的數(shù)據(jù)和本地獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)有誤差，則啟動(dòng)報(bào)警裝置，同時(shí)通過控制繼電器強(qiáng)制停止運(yùn)行框絞機(jī)，并且監(jiān)控終端液晶屏上會(huì)提示錯(cuò)誤信息以便工人及時(shí)操作糾正。企業(yè)管理人員亦可以通過上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)，第一時(shí)間了解車間生產(chǎn)情況，從而進(jìn)行有效、迅速的響應(yīng)，及時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能化。

2 監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要集中在系統(tǒng)的監(jiān)控層部分。以一個(gè)監(jiān)控終端為例進(jìn)行介紹。監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)是較為繁瑣的，涉及到諸多模塊和多種功能的實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。監(jiān)控終端可分為集中器和采集器兩個(gè)部分，兩者之間通過合理的任務(wù)安排和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)效率最大化。

2.1 監(jiān)控終端集中器的主要硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能，集中器的核心處理器采用ST公司的基于Cortex M4F架構(gòu)的新型ARM芯片——STM32F407ZGT6。該芯片最高運(yùn)行頻率達(dá)168 MHz，集成了FPU和DSP指令，片上資源豐富[5]。不僅配置強(qiáng)大，同時(shí)較先前推出的STM32F1x系列相比，擁有238 μA/MHz的超低功耗，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。集中器外圍硬件主要包括條碼掃描、矩陣鍵盤、采集器等數(shù)據(jù)采集與輸入模塊，7寸TFTLCD觸摸屏、WiFi、嵌入式打印等交互與輸出模塊，SD卡、FLASH存儲(chǔ)模塊，以及電源管理模塊等。主芯片與各外圍模塊的接口設(shè)計(jì)如圖2所示。

以STM32F407ZGT6為核心的監(jiān)控終端集中器主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1） 采集與輸入功能：根據(jù)FM100型激光條碼掃描器的控制邏輯實(shí)現(xiàn)合同、桿材編號(hào)的采集。也可通過4×4矩陣按鍵實(shí)現(xiàn)鍵入、刪除、選擇、確認(rèn)、切換等操作。

（2） 交互與輸出功能：根據(jù)MD070SD型7寸總線型TFT彩色液晶屏幕的控制邏輯顯示合同、桿材、鋼芯、上盤、生產(chǎn)及保修信息等，形成良好的人機(jī)交互界面。采集器與服務(wù)器之間以USR?WIFI232?X WiFi無線模塊為中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)特定格式數(shù)據(jù)幀的收發(fā)功能，通信波特率為57 600 b/s。線纜成品出廠時(shí)需要將線纜成品出廠信息的標(biāo)簽貼在產(chǎn)品包裝上，這里選用RD?DH型熱敏微型打印機(jī)進(jìn)行標(biāo)簽打印。

（3） 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)功能：考慮到車間無線網(wǎng)存在不穩(wěn)定的情況，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，將本地?cái)?shù)據(jù)暫存于SD卡中，待網(wǎng)絡(luò)再次暢通后，重新上傳SD卡中存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的有效性和可靠性。

（4） 其他功能：這里主要介紹電源管理功能。AC 220 V轉(zhuǎn)DC 5 V適配器將220 V交流電轉(zhuǎn)成5 V直流電，再經(jīng)兩塊AMS1117 3.3 V電源芯片轉(zhuǎn)換獲得3.3 V直流電，分別提供主芯片和屏幕的供電。最大電流滿足小于電源芯片的最大輸出電流1 A。

2.2 監(jiān)控終端采集器的主要硬件設(shè)計(jì)

采集器的硬件設(shè)計(jì)體現(xiàn)了分布式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。在生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，采集器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)繞線鐵盤的跟蹤管理。根據(jù)每條生產(chǎn)線的上盤通道數(shù)安裝相應(yīng)數(shù)目的采集器，通過RS 485串口控制UHF射頻識(shí)別模塊讀取鐵盤標(biāo)簽號(hào)中的信息，實(shí)現(xiàn)鐵盤的跟蹤管理，通信波特率為9 600 b/s。以線纜框架工藝為例，每個(gè)線纜操作臺(tái)管理1條生產(chǎn)線，包含4個(gè)鐵盤推送口，因此需要滿足能同時(shí)管理4組鐵盤的實(shí)際要求。為此，提出了一種基于分布式控制的鐵盤多標(biāo)簽自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

STM32和采集器之間采用了RS 485串行通信總線，對(duì)4個(gè)采集器進(jìn)行分布式控制。RS 485通信距離遠(yuǎn)，可用于多點(diǎn)互連，擴(kuò)展性強(qiáng)，應(yīng)用時(shí)布線簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。如圖3所示，每臺(tái)采集器必須手牽手地串下去，不可以有星型連接或者分叉，否則，干擾將非常大，導(dǎo)致通信不暢，甚至無法通信。采集器由STC12LE5A60S2單片機(jī)和UHF模塊組成，它們之間通過RS 232串口進(jìn)行通信。UHF模塊中核心的超高頻識(shí)別技術(shù)（UHF RFID）是RFID技術(shù)在超高頻段的一種應(yīng)用，不僅識(shí)別距離遠(yuǎn)、讀取速度快，且可以識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體[6]，能適應(yīng)線纜車間惡劣的工作環(huán)境。

此外，系統(tǒng)的報(bào)警工作也由采集器來完成。當(dāng)發(fā)現(xiàn)服務(wù)器回送的數(shù)據(jù)和本地獲取的數(shù)據(jù)有誤差時(shí)，采集器通過控制繼電器的引腳強(qiáng)制停止運(yùn)行框絞機(jī)并啟動(dòng)蜂鳴器和雙層指示燈進(jìn)行報(bào)警，提示工人存在錯(cuò)誤操作的情況。采集器及其周圍硬件組成框圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由監(jiān)控終端軟件和監(jiān)控中心服務(wù)器收發(fā)軟件兩部分構(gòu)成，本文主要介紹監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 監(jiān)控終端集中器的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)的功能多樣，邏輯、時(shí)序繁雜，程序編寫時(shí)主要采用分塊法和子函數(shù)調(diào)用的思想。監(jiān)控終端軟件中涉及的子函數(shù)模塊有SD卡、FLASH模塊，條碼掃描、鍵盤模塊，觸摸屏、嵌入式打印機(jī)模塊，WiFi、采集器模塊等。監(jiān)控終端集中器的軟件模塊設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。主程序可直接調(diào)用子函數(shù)來實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)及初始化是軟件設(shè)計(jì)的重要組成部分，其為增強(qiáng)代碼的可移植性和可維護(hù)性提供了保障。這里著重介紹SD卡和通用異步串行（RS 232）初始化流程，如圖6所示。

3.2 監(jiān)控終端采集器的軟件設(shè)計(jì)

采集器的軟件設(shè)計(jì)是監(jiān)控終端程序設(shè)計(jì)中較為重要的部分。在監(jiān)控終端的RS 485總線網(wǎng)絡(luò)中，STM32F407ZGT6作為中心主站，采集器則處于從屬地位。采集器硬件設(shè)計(jì)中STC12單片機(jī)一方面控制RS 485信號(hào)數(shù)據(jù)流向；另一方面，由于UHF模塊內(nèi)部不含有物理地址編號(hào)，因此借助于STC12芯片設(shè)計(jì)一個(gè)編碼電路給每個(gè)UHF模塊賦予惟一的物理地址，以便中心主站能夠?qū)?shù)據(jù)來源進(jìn)行識(shí)別。絞線上盤狀態(tài)下，主站采用廣播方式，按地址輪流向采集器發(fā)送讀標(biāo)簽命令，從站不斷監(jiān)測(cè)總線上包含的地址信息，只有檢測(cè)到與自己的設(shè)備地址相一致時(shí)，才將自己的狀態(tài)與采集到的鐵盤標(biāo)簽數(shù)據(jù)回送給主站。通信波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位[7]。主站的程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

Modbus協(xié)議是一種主從式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信協(xié)議，允許一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，鑒于Modbus協(xié)議易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)成為被廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

本文設(shè)計(jì)通信協(xié)議時(shí)，在Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了RTU鏈路協(xié)議，1個(gè)RTU消息幀由地址域、功能域（數(shù)據(jù)域）、CRC校驗(yàn)域外加起始域共同構(gòu)成[9]。例如，中心主站發(fā)送一幀數(shù)據(jù)0A 01 05 85 90 CF（十六進(jìn)制），數(shù)據(jù)幀中含有如下信息：

（1） 0A：起始幀（一個(gè)有效數(shù)據(jù)幀的開始）；

（2） 01：從屬設(shè)備地址（物理地址為01的UHF終端）；

（3） 05 85：功能碼（讀標(biāo)簽功能碼）；

（4） 90 CF：CRC16校驗(yàn)（低字節(jié)在前，高字節(jié)在后）；

根據(jù)“地址相同響應(yīng)”原則，只有物理地址編號(hào)為01的UHF終端返回標(biāo)簽數(shù)據(jù)（前提是讀取到標(biāo)簽號(hào)信息）?；厮蛿?shù)據(jù)格式為0B 01 12 B標(biāo)簽號(hào)數(shù)據(jù) CRC16。各字段含義和發(fā)送數(shù)據(jù)幀類似。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)已經(jīng)在中天科技線纜框絞車間某條生產(chǎn)線上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來看，采集系統(tǒng)各模塊之間能穩(wěn)定工作，相互之間無干擾。能按照預(yù)期的要求采集合同、鋼芯、上盤、生產(chǎn)等多路信息并上傳至服務(wù)器。上盤時(shí)鐵盤標(biāo)簽識(shí)別成功率達(dá)到96.25%，良好的反饋機(jī)制能實(shí)現(xiàn)對(duì)上盤過程的有效控制，很好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理。管理人員通過上位機(jī)監(jiān)控軟件可查看生產(chǎn)信息，與傳統(tǒng)的手工記錄方式相比，實(shí)現(xiàn)了無紙化生產(chǎn)與管理，符合生產(chǎn)智能監(jiān)控的要求。表1為某工作日某條框絞生產(chǎn)線上鐵盤標(biāo)簽編號(hào)的獲取情況。表1中，鐵盤標(biāo)簽號(hào)獲取情況中的1表示一次性讀取成功，0表示讀取失敗。0/1表示重推讀取成功。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，該分布式多標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，標(biāo)簽號(hào)讀取成功率較高，是智能化數(shù)據(jù)采集在車間生產(chǎn)中的一次成功應(yīng)用。針對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中幾次讀取不成功的情況，后期將規(guī)范標(biāo)簽號(hào)固定位置，培訓(xùn)操作工人能注意推送角度以及做好標(biāo)簽的防碰撞工作，系統(tǒng)的成功率能達(dá)到100%。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于ARM Cortex M4F的線纜生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相融合[10]，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化和可視化，向?qū)崿F(xiàn)車間生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程邁出了一大步。本文提出的構(gòu)想改變了該線纜廠管理滯后的現(xiàn)狀，不僅能夠很好地解決集團(tuán)內(nèi)部企業(yè)的實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)也對(duì)其他線纜企業(yè)乃至廣大的制造業(yè)都有十分寶貴的標(biāo)桿作用。

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