加工过程的离散性，生产工序多、转手多，产品在每一个环节都有失控危险等特点，决定了离散制造业对于产品质量管理有着严格的要求，因此离散制造业对信息化、数字化的需求有着和流程工业明显的差异。
现在有些工业领域已经开始与物联网联系起来，但物联网在产品形成过程中的应用研究依然偏少，存在应用瓶颈，在专用器件开发、系统集成开发、系统模型优化、可追溯性数据模型等方面都属于起步阶段，有待于深入。随着物联网技术的成熟，RFID、二维码等自动识别设备在生产领域的应用是必然趋势，但是PLC 等主流工控设备由于在通信接口形式和数量（如串口数量有限，缺少USB 接口等），编制通信程序和数据计算（CRC 等算法），逻辑分析，存储空间等方面存在缺陷，融入物联网困难。改造中往往需要重新开发生产设备和编写软件，尤其是多设备、多监控系统的环境，难度高、投资大、周期长，为用户所难接受。
本文旨在设计开发一种面向物联网的工序质量控制终端，以适应中小型离散制造企业对生产过程产品质量控制的要求，利用已有的物联网技术，解决生产中质量管理信息化改造的共性难题；在对产品、设备、人员进行身份识别的基础上，消除信息孤岛，对生产工序进行质量连锁，从而将集成度高、自成体系的自动化单机，在不做或少做软、硬件改动的前提下，快速融入生产质量监控系统。
1.工序质量控制终端总体设计
企业的设备购自不同厂家，通信方式、测试指标、控制系统、数据接口数量、数据处理、存储等方面上的差异导致生产线中存在大量“信息孤岛”，兼容并包是实现在线产品质量控制和追溯的基础。针对上述情况，在不做或少做软、硬件改动的前提下，研究一套将原有生产线设备融入系统，消除各类信息孤岛的有效方法成为工序质量控制终端设计的先头工作。
目前来看，原有生产线设备有以下两种情况:①原有设备的源代码等细节不开放，不具备接入数据系统的接口。②原有设备的源代码等细节开放，但不具备接入数据系统的接口。原有设备的组成框图如图1所示。
图1 原有设备组成框图
针对这两种情况，可以统一设计为一个兼容方案:将原来和PLC 相连的启停按键、结果指示灯等IO 通道，改接工序质量控制终端，工序质量控制终端再利用IO 通道或串口和PLC 连接；因此不改或小改原有单机设备的硬软件，就可以让其具备自动识别、数据远程、质量连锁等能力。
图2 改造后的设备组成框图
情况一和情况二的方案区别在于:情况一中工序质量控制终端和PLC 只用IO 通道相连，情况二是在这个的基础上添加上串口通信。因此，情况一只能对生产过程的操作状态以及产品加工结果进行监控，情况二可以做到全方位的生产数据监控。
2.控制终端硬件设计
控制终端作为将生产设备接入系统的主要桥梁，在硬件上基于嵌入式ARM9 主控板开发，集成触摸屏、操作键盘、串口、USB 口、以太网口、CF 卡、ROM、RAM 和通用外设等，扩展有DIO、ADO 等工控模块，外接条码或RFID 读写器，Zigbee 无线通信模块等，硬件主要构成如图3 所示。
图3 终端硬件整体框图
ARM9 主控板采用的是杭州立宇泰公司生产的ARMSYS2440 开发板，该开发板由核心板和底板两部分组成。其中核心板包含了ARM9 主控芯片、NandFlash、SDRAM、晶振、LED 指示灯等；底板和核心板通过SO-DIMM200 接口相连，底板上扩展了多种硬件资源，包括串口，LCD 接口，USB 接口，以太网接口等，完全满足用户外设连接的要求。
Zigbee 无线通信模块和条码/RFID 读写器采用成品设备，分别负责与现场计算机数据传输和产品身份识别，通过RS232 串口与ARM9 主控板通信，触摸屏采用1024×768TFT 屏， 用于生产数据实时显示和历史数据与统计数据查询，通过50针排线与ARM9主控板连接。
原有单机设备改造过程中的IO 通道就是通过IO 扩展电路来实现的。IO 扩展电路与ARM9 主控板底板上的扩展接口相连，将扩展接口上的IO 信号以及AD 输入信号引入到扩展板上。经过IO 扩展电路扩展，可以实现16 路数字输入，32 路数字输出，8 路AD 模拟输入。扩展板的结构框图如图4所示：
图4 扩展板组成框图
改造后的方案中，原先连接PLC 输入端的启动急停按键以及连接PLC 输出端的工作指示灯先连接到扩展板的数字量输入接口，启动急停按键的状态信号以及结果指示灯信号通过底板扩展接口传入到ARM9控制器中，同时，ARM9 控制器通过底板扩展接口将输出控制信号传给数字量输出接口，数字量输出接口与原先连接启动急停按键的PLC 输入端相连，从而控制PLC 输入。
控制终端具体工作流程如下：当上一工序的产品到达本工序时，首先，条码阅读器或RFID 读写器识别产品ID，产品ID 传给ARM9 控制器后，通过Zigbee 无线通信模块向上级数据库申请该产品在前一工序的生产信息，ARM9 控制器得到数据库响应后，如果该产品在前一工序中生产合格，则ARM9 控制器能启动信号，此时工作人员如果按下启动键，原有设备正常启动，生产的实时数据会通过RS232 串口传送到ARM9 控制器，经过初步的处理后，数据通过触摸屏实时显示出来，同时通过Zigbee无线通信模块将数据转发给上级数据库和服务器保存、处理和统计；如果该产品在前一工序中生产不合格，ARM9 控制器则会禁止启动信号，此时工作人员若按下启动键，原有设备不会启动，同时ARM9 控制器会触发声光报警信号，提醒工作人员将废品剔除，待确认后，声光报警信号解除。
3.控制终端软件设计
控制终端软件设计分为操作系统设计，设备驱动程序设计以及应用程序设计。其中操作系统采用的是WINCE5.0 实时操作系统，WINCE具有组件化、可定制性、与Windows 平台兼容等特性， 在智能手机、家庭自动化、信息家电、个人导航、工业控制等领域都开始采用WINCE。
驱动程序介于操作系统和设备之间， 主要作用是为操作系统提供一个接口，达到实现操作不同硬件(包括物理设备和虚拟设备)。ARM9主控板上的设备驱动程序已经由立宇泰公司开发的板级支持包（BSP）和Platform Builder 5.0 自带的一些驱动程序设计完成，所以驱动程序设计的主要工作在于IO扩展板的驱动开发。
IO 扩展板的驱动程序主要包含数字量输入输出的GPIO 端口驱动程序以及模拟量输入的AD 转换驱动程序。扩展板设备驱动均采用的是基于WINCE 的流驱动，流驱动提供给操作系统标准的流接口，以GPIO 驱动为例，标准的流驱动接口如表1所示。
表1 标准流驱动接口函数
上面的表格列出了流驱动的标准接口， 其中GIO 表示设备名的前缀，必须为3 个字符，它非常重要，因为设备管理器在注册表中通过前缀来识别设备。流驱动是通过设备管理器(Device Manager)来加载或管理的[8]。因此， 流驱动的加载非常灵活，它不仅可以在WINCE 启动时自动加载，而且还可以在启动后根据需要动态加载。
WINCE 的流驱动程序被当成一个特定文件系统设备， 它提供的流接口函数跟文件系统的API 函数紧密联系， 如OpenFile()、ReadFile()、WriteFile()、DeviceIOControl()等，在使用这些API 函数的时候，把指定的文件名改成相应的设备名就可以，应用程序通过使用操作普通文件的方法处理特殊的文件来实现对设备的操作。
控制终端的应用程序基于Visual Studio 2008 C#编写，以类库形式提供软件功能通用模块，如质量统计模块、自动识别设备接口模块、各类PLC 数据读取模块(包括欧盟龙、三菱、西门子、台达等)、以太网客户端通信模块（TCP/UDP）、废品确认模块等。这些模块通过多线程模式进行运作，从而提高终端的处理效率。
改造后的设备往往在一个产品操作结束后，会将信息写入文本、EXCEL 或数据库等文件。工序质量控制终端利用以太网对工控机上的指定文件进行实时监控，一旦发现有新数据文件（或者旧文件有改变），则读取数据远传给主机，软件流程如图5所示。
图5 监控程序流程图
4.结语
面向物联网的工序质量控制终端结合了物联网中的身份识别、Zigbee 无线传输、嵌入式计算机等技术。通过对原有设备的改造和多次实验，证明了该终端的工作可靠性与高效性，它为离散制造业中的“信息孤岛”融入生产质量信息系统提供了有效的解决方案，提高了离散制造企业的生产效率，降低了产品次品率，产生了良好的经济和社会效益。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：面向物联网的工序质量控制终端设计
本文网址：http://www.toberp.com/html/consultation/1083947324.html
相关文章
