探究離散制造業的數據采集之路

陳麗珍，傅江成（廣東省電子技術研究所，廣東 廣州 510630）

1 引言

設備層是產品加工制造的載體，也是現場信息產生的源頭。然而遺憾的是現有離散制造業MES與設備層的集成還少有實現。其主要原因是與設備層的集成實現難度較大。主要難度包括：制造設備種類繁多，大多數設備與信息化系統集成困難；設備層人員主體是工人，信息交互平臺需要面向工人操作；離散制造車間環境相對比較惡劣，對軟硬件一體化的集成平臺要求較高等[2]。

設備層的數據采集是本項目實施的重點和難點，也是合作方的重要需求，是提高制造業自動化水平和精細化管理的重要手段。生產現場有大量自動化設備，大多采用DCS、PLC來進行控制，設備自身能自動準確記錄各種生產信息，理論上只要能與這些自動化設備做好數據接口，就能準確采集所需要的數據，但是實際上設備種類繁多、協議與接口類型差別很大，給數據采集工作增加了難度。以手工作業的工序，易受到人工因素的影響，如果采集方式設計繁瑣，操作者不把信息反饋作為一個必不可少的動作來執行，就不能保證上報數據的及時性和準確性，這使得手工作業的數據采集實現起來變得異常的困難復雜。

本論文探究了多種方式、多種模式的數據采集之路，以滿足不同類型離散制造型企業的多種設備和人工操作的數據采集需求。項目實施的系統物理部署圖簡易示范如圖1所示。

圖1 系統物理部署圖

2 嵌入式信息代理終端

在探究數據采集之路之前，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和基于嵌入式操作系統的軟件系統構成。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計采用“核心板”和“接口擴展板”的模塊化設計思想，“核心板”可以脫離“接口擴展板”獨立工作，“接口擴展板”要依賴于“核心板”工作。核心板和接口擴展板的設計方案具體如圖2、圖3所示。

圖2 核心板的設計方案

圖 3 接口擴展板的設計方案

嵌入式操作系統可選用商用的嵌入式系統如vxWorks或者開源嵌入式Linux系統，前者對內存等資源消耗小，實時性相對較高；后者則功能強，并且容易移植很多開源組件，如AppWeb w eb服務器，samba CIFS文件共享，libxm l XM L處理庫，QTE嵌入式圖形庫等，并且支持Python、Perl、PHP、Java等多種高級腳本語言，方便嵌入式信息代理設備上應用軟件開發。不過前者也可以向w indriver公司購買相應的嵌入式軟件中間件實現，如Web Server、Web Service、OPC、Fieldbus、CORBA等相關中間件。

3 數據采集之路

按照不同的分類原則，數據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、手動和半自動。前者在整個過程中不需要人工干預，一旦安裝便能采集預先設定的數據采集對象（人、設備、原材料等生產數據）；第二種在采集過程中需要不斷地人工輸入實時信息，一旦停止輸入，便得不到需要采集的信息；最后一種是結合條形碼、RFID等半自動化采集技術。

3.1 自動數據采集之路

該方式以軟件技術為主要手段、硬件技術為輔助手段。具體還可以分以下幾種實現模式。

（1）自動之路1：監控模式

對于無通信接口但有HM I的生產設備，在生產設備的主控器和HM I之間并一根電纜線，嵌入式信息代理設備通過監控主控器和HM I的數據流獲取生產數據，接線示范如圖4所示。

圖4 監控模式

（2）自動之路2：直接通信模式

對于帶通信接口的生產設備，直接通過生產設備通信接口可以獲取生產數據，接線示范如圖5所示。

圖5 直接通信模式

（3）自動之路3：植入轉發模式

針對不帶通信接口的經濟型生產設備，我們研究出利用“植入轉發”的采集方法，即在轉發HM I（Human Machine Interface）與生產設備的通信數據的同時植入有用的監控信息，能適用于大部分生產設備的數據采集，如圖6所示。

圖6 植入轉發模式

以上三種模式都需要分析相關的通信協議，包括通信接口方式、報文格式等分析。報文格式舉例如圖7所示。

圖7 報文格式

某種命令的請求幀數據格式舉例如圖8所示。

圖8 請求幀數據格式

對應的應答幀數據格式舉例如圖9所示。

圖9 應答幀數據格式

（4）自動之路4：硬件信號監控

對于不滿足以上3種模式的情況，生產設備內置了各種傳感器，這種情況可以采用硬件信號點監控方式來自動獲取相應的生產數據。

（5）自動之路5：機器視覺

對于紙質文檔文件，可以利用OCR（光學位置識別）技術進行自動采集，其基本原理是利用攝像頭或掃描儀對文檔進行數字化，然后再進行圖像處理（包括文字區域定位、字符提取、特征提取、分類算法設計及識別處理幾個部分），自動生成各種類型的文檔數據；對于印刷基片的外觀識別，可以采用CCD圖像識別技術。

3.2 半自動數據采集之路

對于含條碼（一維或二維）的生產設備或產品數據，可以利用條形碼掃描槍輸入相關信息；對于移動的物體（如倉庫）或條件惡劣的環境（如電鍍線）可以采用RFID技術。

3.3 手動數據采集之路

以手工作業的工序，可以結合條形碼、RFID等半自動化方式進行完工、物料、質量等信息的采集。對于純手工的工序，采用嵌入式信息代理終端及配套簡易的嵌入式HM I，來提高手工輸入的效率。

針對半自動化和手動之路，都需要在嵌入式信息代理終端設計配套的、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

在項目實施過程中，以下幾種情況的數據采集仍遇到一些棘手問題，還需繼續深入研究。

模擬儀表的數據采集；

沒有HM I的生產設備的數據采集；

自適應波特率的生產設備的數據采集。

圖10 HM I操作流程

5 結語

本論文結合項目的實際需求，提出了多種方式、多種模式可行的數據采集之路。在項目執行過程中，也遇到了一些困撓（在第4章節有所提及），希望今后有機會和廣大同仁們一起探究這些情況的數據采集之路。

[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MES需要實現與設備層的集成[J]. 中國制造業信息化,2007 (9) : 14.