基于MES 平臺的生產線數據自動化采集系統

徐東，黃海艇，肖楠

（工業互聯網創新中心（上海）有限公司，上海 200232）

隨著機械制造業的快速發展，機械生產的合格率由于受到多方面影響而逐漸下降，為了提升產品的合格率，需要加強機械制造業生產線加工數據的采集。在機械加工過程中，生產線的運行狀態對機械產品質量的影響非常關鍵，因此需要設計一種采集系統采集機械生產線的運行數據和加工數據，以此評估機械生產線的運行狀態[1-2]。機械生產線運行狀態采集在MES 平臺中起著重要的作用，MES 是制造執行系統，在機械生產線數據采集系統中解決系統硬件和軟件連接上的問題[3-4]。

為了實現機械生產線數據的采集，相關學者對此問題進行了研究。有學者設計了基于LabVIEW的機械生產線數據采集系統，在采用LabVIEW 技術后，通過系統硬件中的射頻芯片對機械生產線數據進行采集，該系統雖實現了生產線數據的實時采集，但系統的采集靈敏度較低。有學者設計了基于ZigBee 的機械生產線嵌入式數據采集系統，該系統通過ZigBee 技術實現了生產線運行數據的采集，但是在采集時會產生很高的誤碼率，同時也很容易出現丟包問題[5-6]。

為了解決以上出現的問題，該文設計了基于MES 平臺的生產線數據自動化采集系統，該系統設計了硬件和軟件環境，系統硬件主要實現生產線數據的采集、處理和存儲，軟件方面給出了系統的采集流程，最后通過實驗驗證了該文系統的實際使用效果。

1 生產線數據自動化采集系統硬件設計

該文設計的基于MES 平臺的生產線數據自動化采集系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 基于MES平臺的生產線數據自動化采集系統硬件結構

1.1 數據采集器

數據采集器是基于MES 平臺的生產線數據自動化采集系統的核心硬件設備，為提升系統對生產線數據的采集效率和精度，該系統采用STM32F103VE微處理器作為數據采集器的核心控制器和數據處理器。STM32F103VE單片機本身集成AD轉換器和模數轉換器，其中，模數轉換器的主要功能是對采集生產線數據信號進行分析，確定數據處理器的處理方式[7]。數據采集器結構如圖2 所示。

圖2 數據采集器結構

轉換器利用12次逐漸逼近，設定數據傳輸通道共有16 個，單通道的AD 平均數據采集時間為1.17 μs，利用最慢數據采集周期設定時鐘周期，能夠將采集的模擬信號量轉化為數字信號，大大提升了系統的數據轉換效率和處理速度。除此之外，該文設計的數據采集器能夠對采集數據進行基礎的數據識別、數據分類等預處理，針對部分生產線數據，可自定義數據采集范圍，數據采集誤差低于1%[8-9]。

1.2 PLC控制器

設定可編程邏輯控制器以及數字電子設備，從而替代傳統的大型機電設備，其主動控制是系統運行的核心之一，被廣泛應用于我國的工業控制領域[10-13]。考慮到系統功能的復雜化，采用STC89C52RC 型微處理器作為PLC 控制器的核心處理器，實現PLC 控制器低功耗的同時，提升控制器的性能，從而提高PLC 控制器數據處理運算能力和功能數量，借助STC89C52RC 型微處理器的8 kB 系統可編程Flash存儲器，利用邏輯運算法和定時時鐘等操作滿足用戶的控制需求，同時，其較強的可編譯性支持多種語言的運行，通過修改運行腳本可擴展PLC 的控制功能，提升其應用的靈活性。PLC 控制器電路圖如圖3 所示。

圖3 PLC控制器電路圖

1.3 OPC接口

為解決系統各硬件設備在數據傳輸和通信方面的困難，該文設計的數據自動化采集系統采用國際標準的OPC 接口為現場硬件設備、應用軟件、控制應用之間統一的數據接口[14-15]。OPC 接口建立在對象連接和嵌入的基礎上，OPC 接口的應用使得系統內的每一設備和服務器之間能夠自由地通信和連接。每一個設備端可看作是OPC 的客戶端，通過連接OPC 接口，可忽略不同設備間的數據存儲格式差異，直接提取設備信息，這種存在于客戶端和開發端之間的規則，使傳輸數據對二者來說是透明的，在這種情況下，開發者不必了解系統硬件結構和功能，只需考慮接口嵌入和連接需求和數據傳輸協議等。其次，利用OPC 接口建立系統通信網絡時，一般需對PLC 控制器進行協議匹配，即在PLC控制器允許的前提下通過特定的組態完成各設備端的接口設計。

2 采集系統軟件設計

2.1 Linux驅動程序移植

Linux驅動程序移植的關鍵在于讀懂數據自動化采集系統所用操作系統內核原有的驅動程序，根據硬件平臺的需求和運行特性，修改驅動程序代碼，移植RS232 串口，實現控制臺的運行[16]。針對該文設計的系統硬件平臺，Linux驅動程序移植步驟如圖4 所示。

圖4 Linux驅動程序移植步驟

1）設定系統操作系統，在操作系統中引入arch目錄，在硬件平臺對文件進行初始化操作。

2）讀懂對應硬件的內核驅動程序，了解程序架構框架，結合該文設計的硬件設備的實際情況進行修改，通常情況下，修改只針對關鍵性的代碼語句，設定硬件參數，修改參數內部的源碼driver 目錄。

3）修改系統操作系統內核配置目錄，添加相應硬件設備的軟件支持。

2.2 Linux驅動程序開發

Linux 驅動程序開發是實現驅動程序從無到有的過程，從本質上講，Linux 驅動程序利用系統操作數據，設定內核，Linux 驅動程序的開發能夠完善系統對硬件設備的控制，實現種類更多、包含面更廣泛的系統功能。在了解系統硬件原理的基礎上，Linux驅動程序的開發步驟如圖5 所示。

圖5 Linux驅動程序開發步驟

首先，了解按鍵驅動程序結構體，明確程序支持所需的文件操作，查看驅動程序源代碼的結構初始化，實現按鍵打開、按鍵關閉、按鍵讀取、按鍵測驗等基礎按鍵操作。

其次，初始化按鍵驅動，卸載key-int 和key-exit函數，初始化按鍵設備結構，調用module 函數注冊初始化函數。

然后，將編寫完成的驅動程序加入到系統操作系統內核源碼中，修改內核文件，執行編譯操作。

最后，將經過配置修改和編譯完成的程序投入硬件平臺中進行運行，利用編碼程序分析工作數據，確定異常數據，并重新編寫異常數據，使檢驗通過的程序允許運行[17]。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的基于MES 平臺的生產線數據自動化采集系統的實際工作效果，將基于LabVIEW 的機械生產線數據采集系統與該文系統進行對比實驗。

首先對比兩種系統的反應靈敏度。實驗中，選用一部分材料均勻的毛坯，一部分材料不均勻的毛坯，分別在機械加工生產線上進行加工操作，記錄兩種采集系統的機床主軸振動情況。兩種采集系統的對比結果如圖6 所示。

圖6 采集系統靈敏度實驗結果

通過對實驗結果進行分析可知，通過兩種系統都可以實現生產線數據的自動化采集，但機床主軸的振動情況不同，當采用材料均勻的毛坯進行加工時，該文系統的機床主軸振動正常，生產線數據采集較為順利，而采用基于LabVIEW 的機械生產線數據采集系統中的機床主軸振動出現了一處波動，造成生產線數據采集緩慢，采集的生產線數據不完整，這是由于基于LabVIEW 的生產線數據采集系統對毛坯的材料識別精度較低，反應較慢。當采用材料不均勻的毛坯進行加工時，該文系統的機床主軸振動異常，在機床剛開始對毛坯進行加工時，機床異常振動一次，在加工的第300 s 時，機床又異常振動一次，在第500 s 時，機床發生了較大頻率的振動，并且機床上的報警裝置自動報警，提示機床中的材料出現問題，需要作出響應；而基于LabVIEW 的生產線數據采集系統，機床只出現了一次異常振動，并且沒有進行及時報警，反應靈敏度較低，由此可驗證該文系統的靈敏度優于基于LabVIEW 的生產線數據采集系統的靈敏度，這是由于在該文設計的生產線數據自動化采集系統具有MES 平臺，它為采集系統提供了較為完善的生產線數據管理系統，能夠實時監測機床的振動情況，以此判斷機床生產線的運行狀態，可以將生產線的實時運行狀態上報給工作人員，實現對生產線運行狀態的監測。

基于以上得到的系統靈敏度對比結果，對兩種采集系統的誤碼率和丟包率進行對比實驗。

在生產線數據進行自動化采集的過程中，在采集生產線數據時會出現誤碼和丟包的情況，這會影響生產線數據的采集效果，造成生產線數據的部分丟失，不能保證生產線數據的完整性。為了更準確地對比出兩種采集系統的誤碼率和丟包率，設定生產線數據的初始采集速率為1.5 pkts/s，使系統同時采集兩臺機床上的生產線數據，隨著采集速率的不斷提升，記錄兩種采集系統采集生產線數據的數量，通常情況下采集的生產線數據越多，數據的丟包率越低，其中，誤碼率=數據個數/采集速率×100%。兩種系統的丟包率對比結果如圖7 所示。

圖7 丟包率實驗結果

通過對實驗結果進行分析可知，隨著采集速率的不斷升高，該文系統和基于LabVIEW 的生產線數據采集系統采集的數據數量均逐漸升高，兩種系統均出現了誤碼和丟包的現象，但該文設計的基于MES 平臺的生產線數據自動化采集系統采集的生產線數據數量要遠遠高于基于LabVIEW 的生產線數據采集系統采集的數據量，在任何一個采集速率下，數據量都較高，因此該文系統的丟包率低于基于LabVIEW 的生產線數據采集系統的丟包率，通過對誤碼率的計算，可得出該文系統的誤碼率低于基于LabVIEW 的生產線數據采集系統的誤碼率，說明該文系統的采集效果更好，可以采集更多的生產線數據。

綜上所述，該文設計的基于MES 平臺的生產線數據自動化采集系統優于基于LabVIEW 的生產線數據采集系統，該文系統的采集靈敏度更好，數據的丟包率和誤碼率更低，采集效果更佳。

4 結束語

綜上所述，該文為了了解生產線情況、確定生產線內部的管理水平、確保生產效率可以得到提高，利用硬件對數據進行采集，設置軟件程序執行硬件操作，最后通過對比實驗驗證了該文設計的基于MES平臺的生產線數據自動化采集系統優于基于LabVIEW 的生產線數據采集系統，具有一定的應用價值。