楊 晨,孫 麗

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116021)

0 引言

隨著軌道交通技術的不斷發(fā)展以及鐵路電氣化程度的逐漸加深，對于各類電力機車的需求也在逐漸增加。當前機車車間需要面臨諸多的挑戰(zhàn)：對不同機車車型需求的響應程度，多品種小批量的生產方式，電力機車裝配周期長。這些挑戰(zhàn)都需要現代機車車間具有更高的自動化程度。單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的CPU、RAM、ROM、多種I/O口以及中斷系統(tǒng)、定時器/計數器等功能集成到一塊硅片上構成的微型計算機系統(tǒng)，在許多工業(yè)控制領域內大范圍使用[1]。本文設計的電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)，依據制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)[2]對應的電力機車車型的型號和對應的電力機車車型的生產節(jié)拍時間，通過無線傳輸技術導入至設計的電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)中，通過電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)顯示當前制造的電力機車車型和節(jié)拍時間計時功能，實現多電力機車車型的生產節(jié)拍提示作用，保證電力機車裝配線能夠順利工作，不出現裝配線堵塞情況。而將本電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)融入MES系統(tǒng)當中，可以增加電力機車總裝線的自動化水平，消除MES和機車總裝車間實際作業(yè)情況的斷層，提高了生產效率，進一步提高機車總裝車間的自動化水平。

1 當前機車總裝車間情況

當前機車總裝車間工作區(qū)主要為10個電力機車工作臺位和5個內燃機車工作臺位以及座輪臺區(qū)和稱重臺區(qū)。電力機車總裝區(qū)之間的作業(yè)是并行且互不影響的。電力機車總裝過程全部通過人工裝配來實現。通過MES下達的生產任務，電力機車構體從噴漆車間到達裝配第一臺位，在10個工作臺位分別完成獨自的加工任務。當前機車總裝車間由于組裝完成一輛電力機車需要4個小時左右，生產周期時間較長。在作業(yè)過程中可能會由于作業(yè)時間長，工人時間觀念不強，到達生產節(jié)拍時間時，不能夠保證在裝配工位的電力機車連續(xù)移動，從而可能會導致電力機車總裝線堵塞情況，影響電力機車的生產效率。圖1所示為當前機車總裝車間布局簡圖，看板放置位置(橢圓標注處)為本設計系統(tǒng)所在位置。

圖1 機車總裝車間布局簡圖以及本系統(tǒng)所在位置

2 電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)介紹和分析

本電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)主要由AT89S51芯片作為核心控制器，選擇DS12CR887-33時鐘芯片、蜂鳴器以及發(fā)光二極管兩者作為聲光提示。通過獨立鍵盤對生產時間的數值進行修改，利用單片機I/O口連接LCD1602液晶模塊，實現電力機車總裝線當前生產車型和生產時間的顯示，當到達對應車型的節(jié)拍時間時，通過聲光電路進行報警，提示相關工作人員進行工位的機車車體向下一個工位移動，保證電力機車生產平穩(wěn)進行，進而保證產量。同時利用無線傳輸電路PTR2000傳輸MES中的數據，在出現總裝線車型切換時對不同車型的生產節(jié)拍提示時間進行更改。

將電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)應用于當前機車總裝車間，將其作為MES的生產過程管理模塊[3]，便于將MES系統(tǒng)中的生產任務實時傳遞至機車總裝車間，可以提升電力機車作業(yè)過程中的控制能力，能夠有效地管理和控制當前機車總裝車間的作業(yè)過程。與MES結合可以提升當前車間的自動化和信息化水準，保證電力機車總裝線實現準時化生產，有效提升當前機車總裝車間的作業(yè)水平，提高生產效率，具有很高的應用價值。

3 電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)設計和實現

3.1 電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)總體的設計

本系統(tǒng)采用AT89S51芯片作為核心控制器，選擇DS12CR887-33時鐘芯片進行節(jié)拍計時，蜂鳴器以及發(fā)光二極管進行聲光提示。以獨立鍵盤作為生產時間數值的修改，利用單片機I/O口連接LCD1602液晶模塊，實現電力機車總裝線當前生產時間的顯示。根據MES中的生產計劃，通過無線傳輸電路將對應電力機車車型的節(jié)拍數據發(fā)送至節(jié)拍系統(tǒng)中，從而實現節(jié)拍智能提示。將所設計的系統(tǒng)放于看板處(圖1所示)，同時機車車間內為手工裝配，沒有其他干擾，能夠正常運行。機車車間系統(tǒng)總體設計框圖如圖2所示。

圖2 電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)的總體框圖

3.2 電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)硬件電路的設計

3.2.1核心單片機控制電路

控制器選用芯片AT89S51作為核心芯片[4]。AT89S51是一種低功耗、高性能的CMOS 8位單片機。本芯片內部含有4 KB的可反復擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，兼容MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。因其功能多、性價比高，可以滿足本電力機車節(jié)拍智能提示系統(tǒng)的基本要求，所以本系統(tǒng)選擇此芯片作為機車生產節(jié)拍提示系統(tǒng)的核心單片機。整體來說AT89S51的P1口與時鐘芯片數據口相連，P2口與1602液晶的數據口相連，其余控制接口在圖3所示模塊電路中說明。圖3所示為AT89S51的接口連接。

圖3 AT89S51單片機對應接口連接

3.2.2節(jié)拍計時模塊電路的設計

本電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)選擇性能優(yōu)越的DS12CR887-33芯片作為節(jié)拍計時電路的核心部分[5]，可計算到秒、分、小時、星期、日期、月、年七種信息；DS12CR887-33在25°的環(huán)境下運行每月誤差為1 min左右。此芯片自帶晶體振蕩器和鋰電池。在沒有外部電源的情況之下可以工作10年左右。時鐘芯片DS12CR887-33選擇Intel總線進行寫時序和讀時序。AD數據端口和AT89S51的P1口相連接，RST口置高電平，MOD端口置低電平，IRQ與單片機P3.2端口相連，當IRQ端發(fā)出中斷請求時，AT89S51來讀取DS12CR887-33的數據工作。DS12CR887-33后端口連接如圖4所示。

圖4 DS12CR887-33的端口連接

3.2.3LCD1602液晶模塊電路設計

LCD1602[6]液晶模塊電路和AT89S51單片機連接圖如圖5所示，LCD1602液晶數據口D0～D7分別和AT89S51單片機的P2.0～P2.7端口相連，R/W端置低電平只需將數據寫入1602液晶。V0端為液晶對比度調節(jié)口，連接一個10 kΩ的電位器。RS端作為1602液晶的寫數據/寫命令端口與P0.7相連，E端口作為使能信號端口與P0.3端口相連。

3.2.4時間調整電路

電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)設計選擇獨立鍵盤模塊對生產節(jié)拍計時進行調整。每個功能鍵的功能分別為：SW2為時、分、秒三個位置的選擇，按第一次時時鐘停止，光標顯示于秒的位置；按第二次時光標顯示與分位置；按第三次為時位置；按第四下時光標消失，開始計時。鑒于本智能節(jié)拍提示系統(tǒng)只需要計時至對應車型生產節(jié)拍時間，當到達對應車型生產節(jié)拍時間時進行提醒，之后進行計時初始化。所以只需要時間調整減少按鍵，設置SW3為減少按鍵，按一次對調整時間的位置進行減1來進行處理。

3.2.5聲光提示電路

為使提示效果最佳，本提示系統(tǒng)選擇三個發(fā)光二極管[7]和蜂鳴器[8]兩個模塊進行聲光提示電路的設計，電路接口分別如圖6、圖7所示。三個發(fā)光二極管為使功率最大，每個發(fā)光二極管陽極串聯的電阻為300 Ω，陰極與單片機的P3.1相連；蜂鳴器電路通過單片機P0.6接口進行控制。

圖6 發(fā)光二極管電路接口

圖7 蜂鳴器電路接口

3.2.6無線傳輸電路

為使機車總裝車間實現柔性化生產，當出現電力機車車型改變的時候，從機車車間MES中找到對應車型相關數據，通過無線傳輸電路從MES中發(fā)送當前生產電力機車車型的類型以及當前電力機車車型的生產節(jié)拍時間到本電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)中，從而實現對不同機車車型的生產節(jié)拍智能提示。無線傳輸電路使用433 MHz頻段，采用PTR2000芯片作為無線傳輸電路核心[9]。PTR2000芯片的DO端口和DI端口分別與AT89S51單片機的P3.0端口和P3.1端口相連，單片機連接的PTR2000芯片始終處于接收PC傳輸信號狀態(tài)。具體接口圖如圖8所示。

圖8 PTR2000芯片電路和AT89S51單片機接口連接

3.3 電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)軟件設計

本軟件部分采用單片機C語言進行編程，軟件的編程是在Keil Uvision2集成開發(fā)環(huán)境下進行的[10]。本智能節(jié)拍軟件系統(tǒng)主要包含以下幾個部分：智能節(jié)拍系統(tǒng)初始化子程序，LCD1602液晶顯示模塊子程序，DS12CR887-33時鐘模塊讀寫子程序，獨立按鍵掃描模塊子程序，聲光提示模塊子程序，無線傳輸模塊子程序。將以上幾個子程序結合就構成了本系統(tǒng)的主程序，本文主要介紹系統(tǒng)的主要程序。主程序程序框圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

4 電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)和MES的結合

如圖10所示，將機車車間已有的MES和設計的電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)相結合，無線傳輸模塊采用433 MHz頻段，MES提供當前生產的電力機車車型和電力機車車型的生產節(jié)拍時間數據，通過無線傳輸模塊將生產的電力機車車型和電力機車車型的生產節(jié)拍時間數據傳遞到電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)中，系統(tǒng)顯示當前生產電力機車車型和計時到達當前電力機車車型的生產節(jié)拍時間。無線傳輸模塊電路的工作頻道號選擇1，利用串口進行數據傳輸，串口的傳輸速率為9 600 b/s[11]。同時設計的系統(tǒng)記錄完成節(jié)拍計時的次數，統(tǒng)計電力機車完成的產量，將完成的電力機車數量也通過無線傳輸模塊電路傳輸到MES中，便于對電力機車產量的統(tǒng)計。

圖10 MES和電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)結合的示意圖

5 PCB的設計和整體系統(tǒng)的調試

5.1 PCB的設計

電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)的PCB設計利用Altium Designer 10軟件進行[12]。本軟件包含電路圖設計、PCB設計、自動布線等功能。在電路圖中對各個芯片原件進行編號和選擇封裝，AT89S51芯片采用DIP-40雙列直插式封裝，時鐘芯片DS12CR887-33采用DIP-24雙列直插式封裝。PCB采用雙層板設計，頂層放置元器件和封裝，底層進行器件引腳部分的焊接，來對設計的電路進行布線。

5.2 整體系統(tǒng)的調試

為保證設計智能節(jié)拍系統(tǒng)可正常運行，本系統(tǒng)分為硬件電路調試、軟件調試以及利用開發(fā)板調試三部分。硬件電路調試檢測電路是否出現短路以及未連接等故障，主要檢查單片機和時鐘芯片之間的連接以及單片機和顯示模塊的連接。軟件調試是利用Keil Uvision2集成開發(fā)軟件進行在線調試。前兩部分調試完成后，進行開發(fā)板的調試，將程序燒錄至系統(tǒng)中運行檢測工作效果。多次調試后，所設計系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能正常，顯示效果良好。

6 結論

本次系統(tǒng)設計將MES和電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)相結合，電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)采用AT89S51芯片作為控制核心，讀取時鐘芯片DS12CR887-33的數據，通過LCD1602液晶模塊顯示。該系統(tǒng)實現了對當前生產進度的計時，到達生產節(jié)拍時間時自動聲光提示，運用433頻段無線傳輸電路將MES中裝配的對應電力機車車型和對應電力機車生產節(jié)拍時間發(fā)送到電力機車智能節(jié)拍系統(tǒng)當中，保證電力機車總裝線平穩(wěn)工作，同時也可以記錄節(jié)拍時間完成次數，通過本系統(tǒng)統(tǒng)計電力機車產量。設計的智能節(jié)拍系統(tǒng)經過硬件調試、軟件調試以及開發(fā)板實驗進行檢驗，結果表明本設計系統(tǒng)方案可行，在機車總裝車間內具有很大的實用價值。