劉繼祥　錢宏文

摘要：目前市面上大多數(shù)氣動量儀都采用的都是串口進(jìn)行通訊，而隨著工業(yè)集成化要求不斷提高，客戶不僅需要將多臺設(shè)備遠(yuǎn)距離接入電腦，同時需要進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、記錄及SPC制程能力分析。串口通信存在傳輸距離短，可集成度較低。本文采用串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離長，通過路由器可進(jìn)行多設(shè)備同時接入電腦，然后通過labview進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實(shí)時顯示、保存及SPC制程能力分析，實(shí)現(xiàn)自動化測量，便于提高質(zhì)量管理水平。

關(guān)鍵詞：labview;串口;網(wǎng)口;SPC;自動化

中圖分類號：TG839 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）05-0182-03

0 引言

在工控領(lǐng)域，儀器通常需要與計算機(jī)進(jìn)行通信來傳輸數(shù)據(jù)以及對儀器進(jìn)行控制。而儀器上，常用的通信接口為串口，串口通信的傳輸介質(zhì)是有線電纜，存在傳輸距離短，對多臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集集成難度大等缺點(diǎn)。針對此問題，本文通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，路由器可將多臺氣動量儀同時接入電腦，然后通過labview[1-3]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實(shí)時顯示、自動保存及SPC制程能力分析[4]。

1 labview簡介

本系統(tǒng)軟件基于NI虛擬儀器開發(fā)平臺——LabVIEW進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW是支持將簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強(qiáng)大的編程語言的優(yōu)勢合二為一。LabVIEW提供一個開放式開發(fā)環(huán)境，并通過與測量硬件密切結(jié)合，可以迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示的應(yīng)用系統(tǒng)。

LabVIEW提供了大量的函數(shù)庫供用戶直接調(diào)用。從底層的VXI、GPIB、串口及數(shù)據(jù)采集板的硬件控制子程序到600多個儀器驅(qū)動程序，LabVIEW完全適合大型開放式測試系統(tǒng)的控制與測試需要，簡化開發(fā)難度，減少開發(fā)任務(wù)和縮短開發(fā)周期。

2 串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊

串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊使用山東有人USR-TCP232-304（以下簡稱T2），該模塊用于實(shí)現(xiàn)串口到以太網(wǎng)口的數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸，用戶無需關(guān)心具體細(xì)節(jié)，模塊內(nèi)部完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。參數(shù)可以通過設(shè)置軟件進(jìn)行設(shè)置，一次設(shè)置永久保存。本次使用該模塊TCPClient模式特性。

TCPClient模式說明：TCPClient為TCP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供客戶端連接，用于實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互。根據(jù)TCP協(xié)議的相關(guān)規(guī)定，TCPClient是有連接和斷開的區(qū)別，從而保證數(shù)據(jù)的可靠交換。當(dāng)連接建立后，會以大約15s的間隔發(fā)送的KeepAlive?；钐讲榘?，如果連接有異常中斷等情況，則會被立即檢測到，并促使T2斷開原先的連接并重連。

3 SPC

統(tǒng)計過程控制，又稱SPC（Statistical Process Control），是一種基于數(shù)理統(tǒng)計的方法，通過對過程的監(jiān)控，進(jìn)一步分析結(jié)果來解決實(shí)際的問題。SPC主要有兩種用途[6]：對過程進(jìn)行分析用控制圖和對過程進(jìn)行監(jiān)控用控制圖。本文中SPC主要利用控制圖對過程進(jìn)行監(jiān)控。

4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)的整體架構(gòu)框圖如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)氣動量儀與電腦的通信，需經(jīng)過T2模塊進(jìn)行互聯(lián)。T2模塊作為橋梁，一邊與計算機(jī)網(wǎng)口相連，一邊與氣動量儀串口進(jìn)行連接，測量數(shù)據(jù)通過T2模塊傳送至上位機(jī)。

4.1 主程序設(shè)計

上位機(jī)使用labview作為開發(fā)平臺，系統(tǒng)軟件包括3個部分：（1）初始化，上位機(jī)作為服務(wù)器與T2模塊建立通信;（2）數(shù)據(jù)采集[5]，實(shí)時顯示氣動量儀每一個測量結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)掉線報警，并實(shí)時顯示SPC控制圖，以及數(shù)據(jù)定時保存;（3）數(shù)據(jù)分析及查詢，通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱、分類統(tǒng)計，并繪制SPC控制圖。一般情況下，數(shù)據(jù)的采集個數(shù)應(yīng)25組，每組5個數(shù)據(jù)，以保證有足夠的點(diǎn)能客觀反應(yīng)產(chǎn)品工藝的穩(wěn)定程度。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

4.2 初始化

labview通過調(diào)用TCP協(xié)議的功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)建立TCP監(jiān)聽與讀取TCP數(shù)據(jù)等功能，見圖3所示。調(diào)用“打開TCP偵聽”使主機(jī)與指定T2模塊建立通信鏈路，T2模塊作為客戶機(jī)使用，本地計算機(jī)作為服務(wù)器，需輸入對應(yīng)T2的端口號;調(diào)用“讀取TCP數(shù)據(jù)”來讀取接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)采集

上位機(jī)對多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，在100秒時間內(nèi)只要上位機(jī)收到數(shù)據(jù)或探測包則認(rèn)為TCP連接正常，否則進(jìn)行聲音報警并進(jìn)行自動重連，此時不影響連接正常通道數(shù)據(jù)采集;軟件每2分鐘將數(shù)據(jù)自動保存到excel中，避免因異常情況導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失;具有實(shí)時圖表顯示，當(dāng)長時間沒有測量數(shù)據(jù)時，T2模塊會以大約15s的間隔發(fā)送的KeepAlive?；钐讲榘?。

4.4 數(shù)據(jù)分析及查詢

上位機(jī)對量儀數(shù)據(jù)，根據(jù)spc控制圖進(jìn)行當(dāng)前制程能力實(shí)時計算、對歷史數(shù)據(jù)制程能力分析及對結(jié)果匯總分類。制程能力主要相關(guān)公式如下：

Ca：制程準(zhǔn)確度

制程能力指數(shù)公式

σ：為估計標(biāo)準(zhǔn)偏差

Cpk：制程能力指數(shù)，是某個工程或制程水準(zhǔn)的量化反應(yīng)，也是工程評估是一類指標(biāo)。

Cpk=（1-k）*Cp或MIN{CPU，CPL}

Cp ：制程精密度

Cpl：下限過程能力指數(shù)

Cpu：上限過程能力指數(shù)

制程表現(xiàn)指數(shù)公式

σ：為制程標(biāo)準(zhǔn)偏差

Ppk：修正的過程性能指數(shù)

Ppk=（1-k）*Pp或MIN{Ppl，Ppu}

Pp：過程性能指數(shù)（長期）

Ppl：下限過程性能指數(shù)

Ppu：上限過程性能指數(shù)

4.5 數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)回放功能是對歷史數(shù)據(jù)查閱、分類以及分析，分為單通道查詢和多通道查詢。單通道查詢，通過Cpk控制圖分析有利于對產(chǎn)品制造過程特性參數(shù)進(jìn)行測量、控制和品質(zhì)改善;多通道查詢可以進(jìn)行分類顯示及統(tǒng)計產(chǎn)品整體合格率。

5 效果驗證

為了驗證系統(tǒng)及軟件的可靠性和穩(wěn)定性，本文通過對16路氣動量儀應(yīng)用T2模塊進(jìn)行組網(wǎng)測量，T2模塊波特率9600，遠(yuǎn)程端口8234-8240，遠(yuǎn)程IP：192.168.0.201;服務(wù)器IP：192.168.0.201。待氣動量儀與T2模塊供電后，啟動SPC測試軟件、TCP初始化完成后，開始進(jìn)行16通道數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如圖4、圖5所示。

6 功能擴(kuò)展

在小型廠房內(nèi)，有線傳輸能適應(yīng)絕大多數(shù)的工業(yè)環(huán)境，但在一些特殊環(huán)境中（如強(qiáng)腐蝕性、布線困難、儀器產(chǎn)生交叉運(yùn)動等），有線傳輸由于其自身的缺陷將無法適應(yīng)。只需將T2模塊更換為W610模塊（串口轉(zhuǎn)WiFi），W610作為STA連接到其它AP（如局域網(wǎng)中的路由）上，組成一個無線網(wǎng)絡(luò)。所有的STA都以該AP作為無線網(wǎng)絡(luò)的中心，STA之間的相互通信都通過AP轉(zhuǎn)發(fā)完成。AP通過網(wǎng)線與計算機(jī)相連接即可。只需對w610進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，上位機(jī)改軟件通過配置文件更新模塊端口號即可實(shí)現(xiàn)氣動量儀有限連接轉(zhuǎn)無線自動測量。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣動量儀的自動測量，具有SPC控制圖實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)自動保存等功能，極大地提高了管理效率。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的有線短距離傳輸逐漸被網(wǎng)線、無線傳輸所取代，網(wǎng)線傳輸距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)方便;無線傳輸不受線纜的束縛，設(shè)備位置改變不需要重新布線等優(yōu)勢。通過基于Labview下氣動量儀遠(yuǎn)距離組網(wǎng)自動化測量，使得串口設(shè)備之間的連接更加方便快捷。該方法成本低，使用方便，并且具有良好的通用性和可擴(kuò)展性;也可以將該方法推廣至其他類似場合，具有很高的實(shí)用價值。

參考文獻(xiàn)

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