注射機設備監控系統設計與實現

劉　帥，趙連軍，李　彬，張龍波（山東理工大學計算機科學與技術學院，山東淄博255049）

注射機設備監控系統設計與實現

劉帥，趙連軍，李彬，張龍波
（山東理工大學計算機科學與技術學院，山東淄博255049）

為了幫助企業提高產品生產質量和原材料的有效利用率，開發了基于C/S架構的注射機設備監控系統，實現了對注射機設備工作參數的實時監控。系統采用無線數據通信協議ZigBee進行小型局域網內組網，通過改進的硬件設備無線數據采集模塊實時發送注射機的工作參數，并在客戶端接收數據信息，由軟件系統繪制即時有效的數據監控波形圖。實際運行結果顯示：本系統安全可靠，實現了對注射機設備的智能監控。

注射機；監控系統；實時監控；無線數據采集模塊

注射機在復合絕緣子行業中應用十分廣泛，其工作狀態直接影響產品質量。目前我國的復合絕緣子生產企業對產品的質檢控制主要采用人工檢測方法，這種檢測方法有許多缺點，包括增加工人勞動力、增加產品的工時和生產成本、無法有效監督質檢操作等。同這種傳統的質量檢測方法相比［1］，直接對注射機設備進行監控可解決以上問題，從而代替人工質檢，具有非常高的實用價值。系統采用的硬件設備無線數據采集模塊以及軟件開發平臺的技術都較成熟，為本系統開發提供了強有力的技術支持，增加了系統的可行性和實用性。系統運行于安全可靠、不宜受外網攻擊的企業內部局域網內，數據信息的發送和接收采用加密的無線傳輸信號，增強了系統的健壯性。本研究根據企業的實際需求，開發了一套較為實用的設備監控系統，實現了實時監控，對于不合格產品具有及時提示以及數據記錄等功能。同時，本系統在原有硬件設備基礎上進行了改進，實現了直流電壓和交流電壓的混合使用，無需改動下位機站號。

1　系統總體設計

1.1系統硬件結構

系統的硬件實現結構劃分成3層：服務管理層、客戶服務層和無線數據采集層。基本的系統硬件結構如圖1所示。

圖1　系統硬件結構

服務管理層由系統服務器、管理主機和企業局域網組成。該層屬于系統的最高領導層，通常被單獨放置在機房中，為其營造良好的運行環境。在管理主機上安裝系統軟件，管理人員可對分布在車間內的每臺設備進行管理和系統維護升級。系統服務器為數據信息存放和各種數據操作提供了方便，它通過局域網與客戶端相連，接收來自不同客戶端發送的數據請求信息，在進行相關的數據操作后即時應答，將處理后的數據信息回傳到客戶端，為客戶端提供強大的后臺支持。

客戶服務層由客戶端、USB數據線、無線數據采集模塊和企業局域網組成。客戶端為用戶提供友好人機界面、可視化操作的計算機，以企業局域網為基礎實現與系統服務器的數據通信，并通過USB數據線連接無線數據信號接收器，接收下位機（注射機）發送器發送的無線數據信號以監控車間內各臺設備的工作參數。在每臺計算機上存放本系統軟件，用戶可通過授權的用戶賬號和口令登錄系統，對整個軟件系統進行操作，實時監控設備的運行參數。

無線數據采集層處于最底層，由車間內的下位機、RS-485數據總線和無線數據采集模塊組成。設備的工作參數由RS-485數據總線實時傳輸給無線數據采集模塊，再由無線數據采集模塊將數字信號通過無線傳播向上位機發送。

1.2無線數據通信方式

本系統使用低功耗的局域網協議Zig-Bee［2-9］。理論上無線信號的傳輸范圍為100 m，但根據車間內部的實際環境，采用3～5個無線客戶端為一組，其中1個作為主機，其他作為從機，以實現近距離的局域網內無線組網的通信。該方式可節省硬件成本，實現方法簡單，只需將同一組的無線數據采集模塊修改成統一的波特率（通常設置為9 600 bit）、信道、校驗方式（偶校驗）、站號。主機連接在客戶端上，從機連接下位機，可實現一對多的組播通信。

1.3硬件連接原理

硬件的連接方式較簡單，且操作方便。與下位機通信的RS-485數據總線的9個針腳使用了2個：3號針腳（TXD/RXD+）串行數據發送端連接無線數據模塊的黃色線；8號針腳（TXD/RXD-）串行數據接收端連接無線數據模塊的藍色線。與上位機通信的連接計算機的USB數據線不僅可與無線數據采集模塊進行數據通信，還可為其充電。無線數據采集模塊的引腳使用了4個，其接線參數如表1所示。

表1　無線數據模塊接線參數

1.4系統硬件改進

無線數據采集模塊的核心部件采用CC2530模塊［10］加工制作。同時對該模塊進行了改進，為無線數據采集模塊添加可充放的電池模塊，使得無線數據采集模塊擁有兩種供電模式：直流電供電模式和交流電供電模式。添加該模塊的目的是防止無線數據采集模塊交流電源接觸不良導致斷電，造成數據信號不能發送而產生監控誤差。之前的下位機站號更改需要專業人員采用對應的軟件下載下位機信息，手動更改站號后將信息上載給下位機，操作較繁瑣，而且使用的無線數據采集模塊也不具備更改站號的功能。因此，本系統在硬件設計時添加了多個站號開關，使用時只需將相應的站號開關打開即可，普通工人就可完成操作，為系統實施帶來便利。圖2為新增的直流電池電路，在交流電工作時該電池處于充電或不活動狀態，當交流電不工作時直流電池開始工作。圖3是新添加的站號開關電路，硬件開發完成后將編譯好的程序寫入CC2530模塊，即可靈活應用X0～X7的8個站號開關。

圖2　直流電池電路

圖3　站號開關電路

2　系統軟件設計

在注射機設備監控系統的開發設計中，以VS2010作為軟件的客戶端開發環境，SQL2008作為服務器端的數據操作平臺。系統實現語言是C#，整體架構為C/S架構［11-14］。系統軟件設計從功能上可劃分為3個模塊：登錄模塊、實時數據監控模塊、數據管理模塊。系統的邏輯功能見圖4。

圖4　系統邏輯功能

登錄模塊是保證系統安全可靠性的必不可少的部分，只有經過授權的用戶才能使用系統。每位工人工作時登錄系統即可完成一天的工作記錄和數據信息監控，使每一個產品都有負責人，方便不合格產品的責任追究。系統同時為人員考勤和工資結算提供了方便，避免了繁瑣的人工記錄。

實時數據監控模塊是整個系統的核心模塊，實現了對設備工作參數的實時監控。設備工作時的運行參數將記錄在此模塊中。經過軟件程序與后臺數據庫的交互操作，設備的工作參數被及時有效地以可視化的波形圖反饋給用戶，方便用戶即時查看，可提醒用戶不合格產品的存在［15-20］。

數據管理模塊由歷史數據管理和人員信息管理兩個功能模塊組成。因為該模塊的操作與后臺數據庫相關聯，涉及信息安全，所以只有擁有管理權限的用戶才能操作。歷史數據的管理包括數據查詢、數據刪除、數據備份、數據還原4種操作。數據查詢方便管理用戶查詢某一產品的歷史數據記錄，便于尋找不合格產品的問題根源，找出解決問題的辦法，同時也可統計每一位工人的工作量。數據刪除功能確保數據庫數據不會超出其存儲量。由于工廠每天的數據流量較大，如果沒有足夠的數據存儲空間，系統將無法完成數據記錄，失去其工作意義。數據刪除功能方便管理用戶將存儲時間過長的數據信息或者已經備份的數據信息刪除，釋放數據庫存儲空間，為新數據的存儲提供足夠的容量。但是該功能也存在一定的弊端，可能會由于錯誤操作而產生數據信息誤刪現象。數據備份功能可有效保證數據的安全性，防止數據丟失造成損失，同時為歷史數據的追溯提供保障。數據還原功能與數據備份功能增強了系統的安全性，例如當錯誤操作導致數據丟失時，只需將備份的數據信息重新還原到數據庫中即可。人員信息管理模塊可方便管理用戶分配人員小組劃分和調動、新工作人員信息錄入，以及個人信息變更和密碼維護［21-28］。

3　運行結果

實際運行結果表明：本系統可有效地監控設備運行參數，并及時提醒工人不合格產品的存在，方便了工人的二次質檢，同時也節省了質檢人力，提高了生產效率。系統運行的實時數據波形圖如圖5所示。

圖5實時數據波形圖

圖5中：X軸上的每一段實線表示一個產品；Y軸表示設備運行時間參數；Y1表示設備運行的標準時間參數；Y2表示設備運行的時間上限參數（注射機的開合模時間差值）。設備運行時，軟件程序開始工作，即繪制波形圖；設備停止運行時，軟件程序停止工作，得出圖5所示的波形圖。波形圖的高度如果位于Y1和Y2區間（包括這兩個點值），則認為產品在這個工序上是合格的；如果未達到Y1值（提前開模）或超過Y2值（超時開模），則認為產品是不合格的，此時系統會發出警告，提示該產品不合格。雙擊波形圖的每一段可查看該產品的歷史記錄信息。

4　結束語

本文設計的注射機設備監控系統較好地達到了預期效果，具有較高的可實施性，操作簡單，且只需較低的開發費用即可實現。目前該系統已在河北、江蘇等多家絕緣子生產廠家投入使用，在為工廠解決實際問題的同時實現了對工人工作質量的監督，防止工人不按工時生產產品，從而極大提高了產品的質量，減少了資源浪費現象的發生，具有較高的推廣使用價值。本系統的不足是系統的數據流量大，在處理大量數據方面有一定的局限性，這也是下一步研究的內容。

［1］趙洛育.C#從入門到精通［M］.3版.北京：清華大學出版社，2012.

［2］張秀麗.基于ZigBee的輸送機數據采集系統設計［J］.可編程控制器與工廠自動化，2014（11）：87-91.

［3］張華.車間設備監控系統的設計與開發［J］.可編程控制器與工廠自動化，2008（6）：79-81.

［4］張京，楊啟良，戈振揚，等.溫室環境參數無線傳感器網絡監測系統構建與CC2530傳輸特性分析［J］.農業工程學報，2013，29（7）：139-147.

［5］劉新建，郭紅艷.基于ZigBee和RFID技術的實訓設備監控系統［J］.福建電腦，2014（1）：156-158.

［6］吳瑾，潘啟勇，王宜懷，等.車間設備監控節點的Zig-Bee組網方法應用研究及低功耗策略［J］.計算機應用軟件，2011（9）：257-260.

［7］苑毅，潘崢嶸.一種ZigBee傳感器實現的環境監測系統設計［J］.自動化與儀器儀表，2013（2）：53-54.

［8］夏正炎.支持網絡融合的ZigBee組網技術研究與實現［D］.南京：南京郵電大學，2013.

［9］寧炳武.ZigBee網絡組網研究與實現［D］.大連：大連理工大學，2007.

［10］CC2530英文數據手冊［EB/OL］.［2009-04］.http：// www.ti.com/lit/ds/swre081.

［11］廖志英，董安邦.基于C/S和B/S混合結構的管理信息系統運行模式［J］.計算機工程與應用，2002（2）：184-186.

［12］郭劍毅.基于C/S與B/S的高校科研管理信息系統的設計與實現［J］.計算機工程與應用，2003（1）：212 -214.

［13］高嶺，林凱，李增智.面向C/S和對象Web的管理信息系統開發研究［J］.小型微型計算機系統，2001（2）：222-225.

［14］趙立軍，張曙光.用三層C/S結構實現數據庫應用［J］.計算機應用研究，1999（2）：27-28.

［15］張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計［J］.農業工程學報，2013，29（A1）：171-176.

［16］焦尚彬，宋丹，張青，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的煤礦監測系統［J］.電子測量與儀器學報，2013，27（5）：436-442.

［17］梁旭.ZigBee技術的特點及其在無線網絡中的應用［J］.信息通信，2014（11）：15.

［18］馬磊.基于CC2530的無線數據遠距離通信模塊的設計［D］.合肥：安徽大學，2013.

［19］蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數據采集系統設計［J］.計算機技術與發展，2012（11）：197 -200.

［20］馬訓鳴，楊清宇.動力設備監控系統的設計與實現［J］.微電子學與計算機，2008（11）：209-211.

［21］唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，等.ZigBee無線傳感器網絡在西藏糧倉監測中的應用［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2014（8）：92-97.

［22］李獻禮.基于多目標優化的無線傳感器網絡覆蓋控制算法［J］.西南大學學報：自然科學版，2013（1）：155 -159.

［23］周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討［J］.自動化儀表，2005（6）：

［24］付華，黃嵩，丁柏聞，等.基于ZigBee技術的輸液監控系統的設計與實現［J］.壓電與聲光，2013（5）：756 -759.

［25］原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究［J］.計算機應用與軟件，2004（6）：89-91.

［26］顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用［J］.電子技術應用，2005（6）：1-3.

［27］王權平，王莉.ZigBee技術及其應用［J］.現代電信科技，2004（1）：15-17.

［28］王東，張金榮，魏延，等.利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡［J］.重慶大學學報：自然科學版，2006（8）：95-97.

（責任編輯楊黎麗）

Design and Imp lementation of Injection M olding M achine Equipment M onitoring System

LIU Shuai，ZHAO Lian-Jun，LIBin，ZHANG Long-Bo
（College of Computer Science and Technology，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China）

In order to help enterprises to improve the quality of products and the effective utilization rate of rawmaterials，we developed a setofmonitoring system of injectionmachine based on C/Sarchitecture to realize the real-timemonitoring of the injection machine equipmentoperating parameters. The system was based on the wireless data communication protocol ZigBee and the small LAN network.Its operating parameterswere sent in real-timewith the improved wireless data acquisitionmodule in hardware equipment.And on the client it received data and information，meanwhile，the software system draw datamonitoring waveform maped timely and effectively.This system was proved to be safe and reliable by the actual operation.It realized the intelligentmonitoring of the injection machine equipment.

injection molding machine；monitoring system；real time monitoring；wireless data acquisition module

TP399

A

1674-8425（2015）05-0082-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.05.015

2014-12-28

山東省自然科學基金資助項目（ZR2011FL013）

劉帥（1989—），男，山東人，碩士研究生，主要從事計算機信息化研究；趙連軍，男，山東人，博士，主要從事計算機信息化研究。

劉帥，趙連軍，李彬，等.注射機設備監控系統設計與實現［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2015（5）：82-86.

format：LIU Shuai，ZHAO Lian-Jun，LI Bin，et al.Design and Implementation of Injection Molding Machine E-quipment Monitoring System［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（5）：82-86.