（机械电子工程专业论文）离散型制造车间数据采集系统的研究与开发.pdf

硕l 论文离散型制造乍问数掂采集系统n 勺研究j 开发 摘要 随着信息技术的发展和经济全球化的趋势，现代制造业所面临的竞争同趋激烈， 实施企业信息化战略势在必行。制造执行系统m e s 技术已经成为企业信息化解决方 案中的关键元素，但生产现场数据采集系统的缺陷一定程度上阻碍了m e s 在离散制 造企业的发展与应用。 本文根据目前国内大型离散制造车间的整体情况，在对某企业制造车间生产管理 需求分析基础上，提出了生产现场数据采集系统的总体方案结构。基于功能实现和成 本的综合考虑，选用性价比较高的a t 8 9 s 5 2 作为主处理器，在此基础上完成了各功 能芯片选型、电路原理图绘制以及p c b 板布局。 对于数据采集系统，通信是一个很重要的方面。本文根据数据采集终端与机床及 上位机的不同通信需求，提出了四种通信方案：串口r s 2 3 2 通信、以太网通信、串 口转以太网以及无线通信，能够满足现在车i 训的通信要求。 根据系统的功能要求设计了单片机软件、数据采集终端l c d 液晶显示器上的菜 单结构以及上位机的软件界面。运用v b n e t 软件丌发的数据采集系统的管理软件， 实现了员工考勤、任务查询、质检信息上报以及n c 程序代码传输等功能。 一个产品的设计不仅仅是包括功能上的实现，很多时候更要体现在使用的便捷、 美观等要求。本文基于人机工程学原则，对数据采集终端进行了外观设计。 关键词：制造执行系统、离散制造、数据采集、通信、人机工程学 ab s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h et e n d e n c yo fe c o n o m y g l o b a l i z a t i o n ，m a r k e tc o m p e t i t i o nt h a te n c o u n t e r e dt h em o d e mm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i sb e c o m i n gs h a r p e ra n ds h a r p e r s oi ti sn e c e s s a r yf o re n t e r p r i s et o c a r r yo u te n t e r p r i s e i n f o r m a t i o ns t r a t e g y m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e mt e c h n o l o g yh a sb e c o m eak e y e l e m e n tf o rs o l u t i o nt oe n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n b u tt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fm e si nd i s c r e t em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ei sh i n d e r e di ns o m ed e g r e eb yt h e d e f e c t so fd a t a - a c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h ep r o d u c t i o ns i t e i nt h i sp a p e r ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g n i n gp r o p o s a lo f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi nt h e p r o d u c t i o ns i t ei sp u tf o r w a r db a s i n go nt h er e q u i r e m e n t sa n a l y s i so f p r o d u c t i o n m a n a g e m e n ti nt h ee n t e r p r i s e sw o r k s h o p t h e nt h ec o m m o nc h i pa t 8 9 s 5 2i ss e l e c t e da s t h em a i np r o c e s s o ra f t e rc o n s i d e r i n gt h ef u n c t i o n sa n dc o s t o nt h eb a s i so fag o o d s e l e c t i o no fv a r i o u sf u n c t i o n a lc h i p s ，t h ec i r c u i ts c h e m a t i cd r a w i n ga n dp c b b o a r dl a y o u t a r ed r e w f o rt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，c o m m u n i c a t i o ni sav e r yi m p o r t a n ta s p e c t i nt h i s p a p e rf o u rc o m m u n i c a t i o nm e t h o d sa r ep r o m o t e d ，t h e ya r es e r i a lr s 2 3 2c o m m u n i c a t i o n e t h e m e t ，s e r i a lt oe t h e m e ta n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hc a nb a s i c a l l ym e e t w o r k s h o p sc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，t h em c us o f t w a r e ，t h em e n us t r u c t u r e o nt h el c do ft h ed a t a a c q u i s i t i o nt e r m i n a le q u i p m e n t ，a n dt h eh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c ea r e d e s i g n e d ，t h e nt h em a n a g e m e n ts o f t w a r eo ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e d ， w h i c hc a na c h i e v et h ef u n c t i o no fc h e c k i n gt h es t a f fa t t e n d a n c e ，e n q u i r i n gt h et a s k ， r e p o r t i n gt h eq u a l i t yi n f o r m a t i o n ，h a n d l i n gt h ee m e r g e n c y ，a n dt r a n s m i s s i o no ft h en c c o d ea n ds oo n a p r o d u c td e s i g nn o to n l yn e e dt o r e q u i r e m e n t so fi t su s i n gc o n v e n i e n t ， m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n g ，t h ec o n t o u r d e s i g n e d r e a l i z ei t sf u n c t i o n ，b u ta l s oh a v et om e e tt h e a e s t h e t i ca n ds oo n i nt h el a s tb a s e do n o ft h ed a t a - a c q u i s i t i o nt e r m i n a le q u i p m e n ti s k e y w o r d ： m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o n s y s t e m ，d i s c r e t e m a n u f a c t u r i n g ， d a t a - a c q u i s i t i o n ，c o m m u n i c a t i o n ，m a n - m a c h i n ee n g i n e e r i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 4 9 砷日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：杉年6 月z 7 日 硕l ：论文离散型制造乍间数抻 采! j ：系统的研岁j 开发 1 绪论 1 1 研究背景 制造业【1 1 是指对原材料( 采掘业的产品和农产品) 进行加工或再加工，以及对零 部件装配的工业的总称。制造业是一个国家经济发展的重要支柱，是一个国家经济的 命脉，其整体能力和发展水平标志这一个国家的经济实力、国防实力、科技水平和生 活水准。 据统计2 1 ，工业化国家中以各种形式从事制造活动的人员约占全国从业人数的四 分之一。我国的制造也在工业总产值中占了约4 0 。图1 1 【3 1 显示了当今制造业的社 会功能。 图1 1当今制造业的社会功能 2 0 世纪制造业的发展，不但表现在自动化等科学技术方面的进步，而且还表现 在管理科学和信息管理系统技术的发展与创新，与市场竞争要素相匹配的制造业信息 管理系统技术的进步与创新，对提高制造业的核心竞争力具有决定性作用。因此世界 各国都致力于发展制造业信息化以促进本国制造业的发展，我国在“十五”发展规划 中也明确了以信息化带动工业化、以工业化促进信息化的战略目标1 4 j 。在制造业信息 化的早期阶段，企业运行管理的信息化和生产设备的自动化作为两个独立的分支各自 进行着发展。由不同部门，基于不同应用目标建立起来的一系列单一功能的信息系统， 逐渐形成信息化进程的阻碍1 5 刁j ： ( 1 ) 信息孤岛：企业内的生产调度、工艺管理、质量保证、设备维护、物料管理、 过程控制等系统之间的相互独立、缺乏数据共享，导致相互之间功能重叠、数据冗余 与矛盾等一系列问题。信息孤岛使企业内部的信息在水平方向上的断裂，严重制约着 企业内部各种系统之间的协调，降低了信息化的整体作用。 ( 2 ) 信息断层：企业级的经营管理系统无法及时准确地得到实际的生产信息，无 1 绪论坝i 沦文 法有效掌握生产现场的真实情况。而生产现场的工作人员和设备也得4 至f j 切实可行的 生产计划与生产指令。信息断层造成了企j 业生产经营信息在垂直方向上的阻断，成为 阻碍企业级的经营管理系统与车问级的生产管理系统集成的根本原凶。 随着企业信息化建设的不断深入，e r p 、s c m 、c r m 、p d m 等信息化管理软件， 逐渐为众多管理者所接受，并开始广泛应用j f 企业管理中，企业也因此取得了一定的 管理效益【8 j 。但是在实现信息集成的过程中，仍然面临信息孤岛和信息断层所带来的 各种问题。终于在2 0 世纪9 0 年代中期，连接计划层和控制层的企业制造执行系统 ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 迅速发展起来。 制造执行系统m e s 是企业上层资源计划m r pi i 或e r p 与底层设备自动控制系 统之间的、面向车间层的计算机在线制造( 生产) 过程管理系统【9 】。它不仅能处理制 造( 生产) 过程中难以处理的具有生产与管理双重性质的信息，而且能起到将生产过 程的信息和经营管理的信息进行转换、加工和传递的作用，是面向过程的生产活动与 经营活动的桥梁和纽带，对企业生产制造过程的管理起到很大的作用。m e s 能够提 高投资回报、提高利润率，加快资金的流通和减少库存i lo 。，因此企业要提高信息化建 设的成效，必需重视m e s 技术及其应用。 1 2 制造执行系统m e s 1 2 1m e s 概述 制造执行系统的概念形成于2 0 世纪8 0 年代末，9 0 年代逐步完善并得到迅速发 展。1 9 9 0 年1 1 月，美国的权威机构先进制造研究中心( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g r e s e a r c h ，a m r ) 首次j 下式提出制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 的概念，将物料需求计划系统与控制系统之间的制造过程执行层定义为制造执行系 统。此后，m e s a ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n ) ，i s a 都相继开发了 相关的模型对m e s 加以描述，并试图通过模型使其标准化】。 a m r 于1 9 9 2 年提出了3 层企业集成模型，如图1 2 所示。图中各个层次的概要 如下【1 2 】： ( 1 ) 位于底层的控制层( p c s ) ，包括d c s ( 分布式控制系统) 、d n c ( 分布式数 控系统) 、p l c 、s c a d a 等系统，其作用是生产过程和设备的控制。 ( 2 ) 位于顶层的计划通常是m r pi i 或e r p 等系统，其作用是管理企业中的各种 资源，管理销售和服务指定生产计划等。 ( 3 ) 位于中间的制造执行层是介于计划层和控制层之间，面向制造工厂管理的生 产调度、设备管理、质量管理、物料跟踪等系统。 2 硕i ：论文离散型制造下问数掂采集系统的研究j 开发 图1 23 层企业集成模型 m e s 在企业系统的3 层结构中起着承上启下，填补计划层和控制层之问的空白 的作用。计划层的业务系统生成的生产计划通过m e s 传递给生产现场，来之控制层 的生产实际状态通过m e s 报告给计划层的业务系统。 到2 0 世纪9 0 年代中期，m e s 标准化和功能组件化、模块化的思路得到重视。 这时，许多m e s 软件实现了组件化，用户根据需要就可以灵活快速地构建自己的 m e s ，大大方便了系统的集成和实施。这样。m e s a 于1 9 9 7 年提出了m e s 的1 1 个 功能模块、功能组件和集成模型，如图1 3 i l3 】所示。 图1 3m e s 的功能模块模型 m e s 的1 1 个功能主要如下l l i j ： ( 1 ) 资源配置和状态跟踪对所有的生产资料进行管理，包括机器、工具、劳工 技能、材料等，使其井然有序，随时可以投入运转。同时记录资源的各种历史信息， 以保证生产设备的配黄，并对设备的实时状态进行跟踪。 ( 2 ) 工序细节调度根据生产单元的优先级、属性、特征，对生产工序进行优化， 使生产资源配置的变化降到最低。 ( 3 ) 生产计划和调度指定生产计划，并以任务、共担、批次、订单等形式下发 3 零 1 绪论 给各生产单元。可以根据生产实绩实时调整原始计划，产生新的调度信息。 ( 4 ) 文档控制对所有与生产单元有关的资料进行管理，包括工作指令、图纸、 配方、标准操作流程等，并进行历史数据的存储。 ( 5 ) 数据采集和获取 实时采集生产数据，记录生产单元的各种参数，并保存在 相应的表格和记录中。数据可以由人工录入和从设备中自动采集。该功能需向外提供 一个接口，以便其他应用可以通过它获得生产实时数据。 ( 6 ) 人力资源管理记录员工的考勤以及专业技能，提供员工的实时状况记录， 同时与资源配置功能相互，以产生最优配置。 ( 7 ) 质量管理提供生产的实时分析，保证严格的产品质量控制。能够发现潜在 的质量问题，对出现的质量问题进行诊断、分析，并提出改进方法，包括s p c s q c 的在线跟踪和离线分析。 ( 8 ) 过程管理对生产过程进行监视，自动纠正或提示操作人员生产中的纰漏。 提供报警管理以及m e s 系统与智能设备的接口。 ( 9 ) 维护管理跟踪并指导生产，以维护设备和工具。对突发问题作出快速响应。 建立历史时间和故障记录数据库，协助完成故障诊断。 ( 1 0 ) 产品跟踪和记录提供可视化的跟踪手段，监视产品的状态及用途。跟踪 信息包括加工者、原料供应者、批号、序列号、当前产品状态、报警信息、返工及异 常情况。通过跟踪信息可以追溯生产历史及产品最终用途。 ( 1 1 ) 性能分析对生产实绩和历史信息进行分析，以得到显示生产状况的效果 并与预期的效果进行比较。 虽然业界m e s 软件产品应用逐渐广泛，但是从其宣传材料和应用情况来看，这 些软件产品或多或少都存在不足【1 4 j ：停留在基本的b o m 管理上面，没有对生产中的 数据做出科学的管理；在物料管理方面，由于没有科学地解决物料工艺状态的描述问 题，很难实现精确的物料管理和跟踪，这也不可避免的影响了生产计划的编制和执行； 作为应用软件，对具体的数据采集的软硬件和实施涉及很少，给e r p m e s p c s 系统 集成造成困难。总之，国内外对m e s 系统的研究多集中在系统建模和体系结构上， 在已经投入使用的m e s 系统中任务完成情况和质量检验结果的上报大都由人工定期 输入，影响了现场数据的实时采集，进而影响了m e s 的应用效果，这也是课题组开 发的m e s 系统应用推广中的瓶颈。所以还需要进一步的研究满足m e s 信息反馈需求 的数据采集系统。 1 2 2 面向m e s 的数据采集 m e s 的数据采集部分负责采集和组织来自人员、机器和底层控制操作的数据， 以及工序、物料信息的实时反馈信息，是进行物料跟踪、生产计划、产品历史记录维 4 离散掣制造车间数批采集系统的研究，j 开发 护，以及其他生产管理的基础。 m e s 通过数据采集设备采集现场生产数据，同时，也将下达的生产指令经过各 类电子显示装置实时告知有关工作人员，最终达到无纸化管理与控制目的。表1 1 对 m e s 采集数据方式与传统人工采集数据方式进行了分析比较5 1 。 表1 1m e s 数据采集数据方式与传统入j i ：采集数据方式的比较 特点m e s 人i ：方式 实时性 强。在现场事什发生的同时立刻以电子的弱。作业缓慢，没有时效性，导致信息价 形式供m e s 处理 值人人降低 止确性高。采h j 电子保存，数据可以进行实时更 不高，常常出现错误，甚至引起错误决策 新。判断，负面影响大 完整及高。现场时间经过计算机处理，可以进行 低，有关信息指示记录在报表中，并没有 实h j 性综合与集成，并保存在数据库中。输入计算机，信息可利川性不强。 按行业不同，数据采集方法不尽相同。离散制造行业生产自动化的程度还不是很 高，主要以手工上报为主，并可以结合条形码、无线i c 卡、r f i d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ，射频识别) 、电子看板等半自动信息采集技术进行工时、设备、物料、 质量等信息的采集。这种数据采集方式，时间间隔较大，容易受到人为因素的影响， 要特别注意保障数据的准确性。 流程生产企业的数据采集基于设备的仪表数据采集，主要应用于数控机床、自动 控制设备和流体型生产中的物料信息采集。流程生产企业的自动化程度较高，设备控 制级大量采用d c s 、p l c 。在检测驱动方面，各种智能仪表、数字传感器已普遍应用； 过程控制则广泛采用以小型机为主的自动控制系统。传统的“计、电、仪”分工界限 已不再明显，计算机技术的应用已深入各个领域。这些自动化设备，能自动准确记录 各种生产现场信息【1 5 1 7 1 。 1 3 离散制造业数据采集系统的应用现状 离散制造业数据采集系统主要是实现对生产现场的数据采集，它为m e s 提供生 产进度、在制品状况、设备利用状况等关键数据，是实现了m e s 中现场管理信息化 的基础。生产现场的数据主要包括：零件的加工状态、物料流转状态、工人信息、质 量检验信息等数据。数据采集系统往往是在采集生产信息的同时，还能够实现把上层 管理层的生产计划下达底层控制层。 目前，虽然条形码、无线i c 卡、r f i d 等半自动信息采集技术应用于离散制造业 的生产车间，但是对于在生产过程数据采集上并没有完全体现出其优点。对于机械离 散制造主要是对毛坯或半成品进行制造加工，所以并不便在物料上进行条码标签的粘 5 1 绪沦r 0 ；! l j 论文 贴。而且使刚条码技术，需要增加的设备比较多，包括：车川生产线数抛有线扫描枪； 条码标签打印机；车间看板l e d 显示屏；条码标签纸及相关耗材等。而且条码并不 适合收集车i 日j 的零件流转信息，因为零件流转单在车间进行流转的时候，要由工人填 报工时、工费、料费等信息，而把这些信息转变成条码，需要增加很多额外的成本。 同样对于无线i c 卡、r f i d 等采集技术也存在着类似的问题。所以这种半自动信息采 集并不能完全适应离散制造车l 自j 。 近年来，随着液晶显示技术的发展，一种基于系统网络和电子看板的数据采集系 统模型，模型如图1 4 所示。该种模型是目6 玎比较适合离散制造业生产车间的一种数 据采集方式。 计划渊度 上人 幽1 4 基于电子看极的现场控制和数据采集系统模型 然而这种数据采集系统并不能完全适应目前我们国家离散加工车问的现状，它比 较适用于大批量的生产加工车问。目前企业面对同益激烈竞争，生产制造模式正在从 单一面向库存生产模式转向面向订单、小批量、多品种敏捷制造生产模式。本文就基 于该种电子看板数据采集系统的思路，进行进一步的研究丌发更加灵活、便捷的m e s 的数据采集系统，来适应离散制造车间，尤其是多品种，小批量的制造车i h j 。 微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用，不仅为数据采集系统的应 用丌拓了广阔的前景，也对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的 发展趋势主要表现在以下几个方面l j 驯： ( 1 ) 新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的 性能。 ( 2 ) 高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集 系统的广泛应用。 ( 3 ) 智能化传感器( s m a r ts e n o r ) 的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深 远的影响。 ( 4 ) 与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个 领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。 6 高忡型制造车问数 l c 采集系统的研究0 开发 ( 5 ) 分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。 1 4 课题来源及意义 1 4 1 课题来源 本课题研究依托中国某大型国有工业集团下属国家重点企业委托项目进行，该企 业主要研制和生产光机电一体化产品，拥有精密光学、精密机械、热( 表面) 处理、 光电器件、装配调试、精密铸造、小模数齿轮加工七个制造车问、四个军民两用分公 司和十四个控股参股子公司。其中，精密机械加工车间拥有公司投资1 4 5 0 万元新建 的轻钢结构现代化工房，占地面积6 0 0 2 平方米，是集团公司光电企业最大最为先进 的精密机加生产线。该车间拥有各类设备1 8 3 台套，其中包括u c p l 0 0 0 立卧转换中 心、f m c 六工位卧式加工中心在内的各类加工中心、数控机床和三坐标测量机及三 坐标镗铣床、万能外圆磨床、数控切割、钻削中心、慢走丝线切割、车削中心、数控 曲线坐标磨床等数控设备3 7 台套，建立了一条准柔性精密机加系统。多年来，该车 间在完成公司多种军民品精密机加件生产任务的同时，还承担了兵器、航空航天、电 子科技、船舶工业、信息产业部等行业5 0 余个厂家和科研院所的各种精密机加零件 的生产任务。 该项目由南京理工大学c i m s 研究所所承接，主要包括产品数据管理分系统 ( p d m s ) 、柔性制造分系统( f m s ) 和车间制造执行分系统( p m e s ) 三个功能子系 统。本课题作为车间制造执行分系统的一部分进行车间数据采集系统的研究与开发， 从而真正实现底层设备与上层管理系统的集成。 1 4 2 选题意义 m e s 是企业上层经营管理系统与底层设备自动控制系统之间的、面向车间层的 计算机在线制造过程管理系统，是企业信息集成的重要系统。它与计划层和控制层保 持着双向通讯，发出生产指令，收集实时数据，及时处理并反馈处理结果。它综合考 虑制造车间的计划进度与监控、物料流动、质量管理、设备管理和计算机集成制造接 口等管理单元，以系统的、实时的管理理念和手段，在纵向信息交互中起着桥梁作用， 使得整个企业的信息流高效贯穿起来，最终有效地实施制造自动化战略，对于提高生 产力、企业竞争力有着非比寻常的意义。 数据采集系统是m e s 重要组成部分，目前，国内外对m e s 中所存在的数据采集 关键技术研究相对较少，已经有的数据采集系统不但价格昂贵，并且未能与我国离散 制造行业的现状有效结合。随着对m e s 研究的深入及对其不断的推广，有待具有自 主知识产权、商品化的国产m e s 的数据采集系统来满足越来越多的实施m e s 企业的 7 1 绪沦 需要。 研究数据采集系统是我国企业信息化改革的需求，本文的研究将立足于离散制造 行业，对m e s 数据采集功能方面进行尝试，提出切实可行的方案并加以实现，希望 可以促进m e s 数据采集系统相关理论和技术研究的发展，从而促进我国m e s 系统的 实用化、产业化和国际贸易化。 1 5 论文内容及其结构安排 本文以某光电企业机械加工车间为研究对象，研究开发适应企业自身特点的数据 采集系统，以满足车间生产现场的数据的实时收集，使计划层和调度层能够及时地掌 握任务在设备上的加工进度和工时信息，同时了解物料在现场的流动记录。论文主要 包括以下内容： a 系统总体方案设计针对项目实施对象车间进行调研，并根据目前国内大型 离散制造车间的整体情况，进行了数据采集系统的需求分析，提出了总体设计方案， 并论述了系统中的关键技术。 b 采集终端硬件电路设计采集器主要由a t 8 9 s 系列微控制器a t 8 9 s 5 2 、键盘 输入模块、l c d 显示模块、时钟模块、以太网通信模块及其它辅助器件组成。在对微 控制器进行深入的分析和合理选型基础上完成电路设计。 c 通信模块的设计根据系统的通信需求，提出基于r s 2 3 2 串口通信、以太网 通信及无线通信的各种通信方案，以实现机床、数据采集终端及m e s 系统之间的数据 通信。 d 采集终端软件设计主要包括键盘输入模块、液晶显示模块、数据接收模块、 数据处理模块等模块软件设计。在设计过程中，将通过综合分析提出并实施一些切实 可行的解决方案。 e软硬件人机界面设计 从人机工程学的角度设计了数据采集系统的软硬件人 机界面。在硬件方面用p r o e 进行了数据采集终端的外观设计：在软件方面考虑了人 的认知因素，设计了符合人的认知规律和特点的软件人机界面，该界面主要是针对数 据采集终端的菜单项进行响应，主要包括零件流转单的发送、更新和保存以及n c 程 序代码的传送等。 f系统调试运行 在系统研制过程中，软、硬件的功能总是在不断地调整，以 便相互适应。调试过程中，把硬件和软件分成几个部分，逐部分调试，各部分调通之 后，再进行联调。本论文最后分析总结了硬件的调试过程，并介绍了系统综合调试的 实现情况。 8 硕i j 论文 离散娌：b | | 造1 - f q 数据采集系统的研究1 j 开发 2 数据采集系统总体设计 数据采集在m e s 实现过程中扮演着重要的角色，然而现有m e s 系统缺乏准确、 及时、完整的数据采集与信息反馈机制，在底层数据的实时采集、信息处理及快速决 策等方面还比较薄弱，因此研究数据采集系统具有重要意义。而总体方案设计是进行 数据采集系统开发首要解决任务，本章将在分析离散制造企业制造车问m e s 系统对 数据采集的需求的基础上，提出数据采集系统的总体设计方案，并确定系统实现和关 键技术，为进一步的研究工作提供基础。 2 1 系统需求分析 河南某光电公司的精密机械加工车间属于典型的离散制造生产模式，也是这次项 目实施的对象。本论文首先对此车问进行调研，从而分析离散机械制造车间数据采集 系统的需求。精密制造车间生产的主要业务流程如图2 1 所示： 图2 1精密机械加- l 车i 司的生产业务流程 公司根据客户订单制定生产计划，精密加工车间根据该车问所负责生产的项目制 定车间级计划。然后根据资源准备计划生成零件流转单。流转单用于跟踪零件，它随 着被加工的零件在车间的各工段之间流动，记录每道工序的详细加工情况，如交验数、 合格数、工废、料废、操作者、检验员、检验闩期等，是记载车间生产状况的主要依 据。 9 2 数州采集系统，心体哎汁 表2 1零什流转单 零什流转单一q - ：2 0 0 8 0 1 0 1 f 0 0 12 0 0 8 年1 月1 2 日 产品代码w g 0 1 0 7 发料人0 0 1 0 0 0 2 3 1分 零什数批次号 零件代码 w g 0 1 0 7 0 1 0 7 材料名称精铸z c u z n l 6 s i 4 数鼙5 00 i ： j ：序 操作者校验数 合 i ： 料试退检验检验收货备 序 名称格费费销销者日期人注 1 铣 2 n 午 零件流转单生成后，是以书面形式在车问中跟随零件的加工工序进行流转。由负 责加工流转单上该工序的工人凭借零件流转单到库房领取相关毛坯、刀夹具等资源， 然后对零件进行加工。在零件加工完成后，工人把零件送到车间质量检验部门进行检 验，经过检验员才把加工后的信息，输入到电脑，反馈到上位机里面去。 根据对该精密机械加工车间的深入调研，可以看出该车间的生产任务的下达，零 件在车间的流转信息以及生产检验情况等生产信息都是通过书面形式进行记录和传 递的，这样不仅费时费力，更重要的是上层管理人员不能及时生产加工过程中的详细 信息，不能随时对任务的变更或特殊情况的发生做出及时的反应。 该车间机械制造加工具有离散制造的典型性。而且目前国内的离散制造车间对零 件加工过程的信息获取以及对任务的下达基本都是通过这样的书面形式，经过人工传 达来进行的。 另外对于数据采集系统，通信是其进行数据传输，信息交流的基础。目前我国制 造加工车间普遍存在着设备通信方式一般机械加工车间的数控机床的程序输入方式 存在着以下几种：简单的数控程序直接采用手工输入机床，这种方式机械而烦琐，出 错几率较大，工作效率低；采用软盘、移动存储器、硬盘作为存储介质；采用计算机 串口通信传输来输入机床。甚至部分老的数控系统，内存空问有限，程序一多，机床 的内存空间就不够了，大量的加工程序不得不进行反复的删除和键入，频繁重复的零 件准备工作浪费了大量的工作时问，直接影响到数控机床的效率，加工程序反复编制 也影响了程序的稳定性。 基于以上分析，总结得到对离散制造车间普遍适用的数据采集系统需要实现以下 几项功能： ( 1 ) 实时采集生产数据生产数据包括工序进度、物料状态、工人状态、质检信 息、工具状态以及设备状态等信息。通过对这些数据的采集来及时反馈实际的生产状 1 0 f 砚i j 论文离散型制造下问数据采集系统的研究j 开发 况，为管理决策提供及时可靠的数据支持： ( 2 ) 实现生产计划的电子化下达把毛坯信息、工艺路线、零件清单、作业安排、 生产指令等信息下达给车间层，使得工人能够随时查看这些信息； ( 3 ) 实现n c 程序的上传和下载能够进行n c 程序( 包括机床参数，刀补文件， 宏程序等) 的双向传输，从而实现i n c 程序的海量存储、集成化管理； ( 4 ) 改变目前制造加工车间数控设备的落后、陈旧的通信方式，是数据能够更加 快速、准确地传输，并且能够实现远程通信的要求。 数据采集系统的开发不仅能够实现其功能，还要其具有良好的性能。例如采集终 端舒适性、可靠性、易学习性、使用的方便性以及软件管理系统的友好界面。 2 2 数据采集系统总体方案 根据数据采集系统需求以及功能分析，设计了数据采集系统的总体结构，如图 2 2 所示。 上何机管理系统 广n微处理器至垂王亟匹口fl i a s h l。 l 查堡墅le 匦囹 盈互圈 时钟芯片 人机界面 显刁屏0 键槛i 么途 匿f 控制层生产数据 图2 2 数据采集系统的总体结构 该数据采集系统主要由数据采集终端和上位机的管理系统两个大的模块组成，其 中数据采集终端除了处理器还应集成键盘输入、液晶显示、通信接口以及辅助模块等。 ( 1 ) 处理器：数据采集终端的核心部分，实现数据处理、不同通信协议问的转换、 设备初始化设置及复位、功能扩展等。 蚕函面函 2 故 l c 果隹系统总f 木改汁 ( 2 ) 通信接口：实现机床、数据采集终端以及上位机三个方面的信息交互，实现 数据的传输。 ( 3 ) 数据采集终端人机交互：用于实现数据采集系统与机床及各种人员之间的信 息交互，包括数据采集终端的键盛输入、液晶显示。 ( 4 ) 上位机管理系统：对反馈的生产数据进行整理，入库保存，与m e s 的其它功 能模块进行信息的集成。 ( 5 ) 辅助模块：用于辅助核心模块完善设备功能，包括实时时钟显示、数据缓存、 用户丌发功能存储空间、设备供电等。 通过上述结构，可以实现机床操作人员与信息系统的直接信息交互，保证加工任 务和反馈信息的及时传送，起到加工信息上传下达的桥梁作用，同时可以利用开发接 口适当调整设备功能，以最大限度地满足用户需求。 2 3 数据采集系统实现的关键技术 ( 1 ) 数据采集终端硬件设计 对于车间的生产数据采集系统来说，数据采集终端是机床操作人员与上层m e s 系统进行信息交互的核心设备。数据采集终端的设计分为硬件和软件设计两个部分。 其中硬件设计包括：结构方案的设计、芯片的选型、原理图设计、p c b 板布局以及 制作、调试。 ( 2 ) 系统软件设计 系统的任务最终是靠程序的执行来完成的，所以应用系统软件设计的优劣往往也 决定着应用系统设计的成功与否。软件的设计过程包括：分析系统的功能要求、确定 输入输出关系、建立数学模型、划分功能模块、设计流程图、编写程序、调试、固化 等步骤。 ( 3 ) 数据通信方式 制造执行系统m e s 的数据采集部分要完成计划层与底层控制系统p c s 之间的信 息交互，这就要进行通信接e l 设计，来满足机床、数据采集终端和上位机之间的数据 传输要求，从而支持m e s 数据采集功能的实现。目前离散制造车f b j 的通信方式主要 是r s 2 3 2 串口通信，这就限制了通信的距离和速度。随着通信技术的不断发展，以 太网以及无线通信也丌始在制造企业中普遍应用。 ( 4 ) 人机界面设计 随着科学技术的迅速发展，人对各种智能仪器的要求不只局限于功能上的实现， 很多时候是在功能满足的隋况下，还要求使用中操作方便、简单、舒适。所以在数据 采集系统软硬件设计过程中还应遵循人机工程学的设计原则，完成系统人机界面的设 1 2 硕l j 论文葛散型制造乍问数j l e 采集系统的i i j 7 t j 开发 计，包括：数据采集终端的外观设计和软件的人机界面设计。 2 4 小结 本章在对项目实施对象的进行调研的基础上，综合考虑目前国内离散制造加工车 间的普遍状况，对数据采集系统进行了需求分析。在此基础上提出了数据采集系统的 总体方案，对总体方案结构的功能模块进行了划分，并研究分析了数据采集系统的实 现技术。 倾i 。论文 3 数据采集终端的硬件设计 根据确定的系统总体方案，设计任务可以分为硬件设计和软件设计两部分，这两 者相结合，不可分离。硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用 的元器件进行选择和组合，其选择的基本原则就是市场上可以购买到的性价比最高的 通用元器件。然后逐一设计出每一个单元电路，最后组合成为完整的硬件系统。 从系统总体结构分析可知，系统硬件的主要电路模块如图3 1 所示。 核心电路 圈圈圆圈 蓄。二蚕二 - 西西 ：人机交互 1 。 图3 1 电路模块示意图 本章将对处理器、人机交互、i o 口扩展以及时钟等部分进行芯片选型和电路设 计。 3 1 处理器的选型及核心电路设计 在进行单片机应用系统的设计时，确定系统总体方案后，最重要的是要解决处理 器的选型问题。对于车间的生产数据采集系统来说，一般对于微处理器的运算精度、 数据处理功能、寻址能力、操作速度以及有否a d 转换器件，没有很高的要求。它 的要求偏重于中断系统、i o 口的数量和功能、内部寄存器和存储器等。因此，选择 8 位单片机即可满足要求。而8 位单片机由于其功能的不断增强、品种不断的丰富， 性价比越来越高，广泛应用于各个领域，并一直是单片机的主流机种。 面对众多款的8 位单片机，在本论文中选择了国际上著名的半导体公司a t m e l 公司推出的a t 8 9 s 5 2 单片机作为主处理器。该款单片机是目前市场上最流行的单片 机系列之一，它与m c s 5 1 系列完全兼容，易于以后开发人员的开发。下面将从 a t 8 9 s 5 2 单片机的最小系统开始进行电路设计，主要包括：时钟电路、复位电路以及 电源供电模块、i s p 在线编程模块。 3 1 1 最小系统设计 a t 8 9 s 5 2 是一个低功耗，高性能c m o s8 位单片机，采用a t m e l 公司的高密度、 1 4 硕 j 论文岛敞型；- t , r l j 笠乍问数据采集系统的研究t j 开发 非易失性存储技术制造，兼容标准m c s 一5 1 指令系统及8 0 c 5 1 引脚结构。 a t 8 9 s 5 2 具有如下特剧| 9 】：4 0 个引脚，8 kb y t e sf l a s h 片内程序存储器，2 5 6 b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，3 2 个外部双向输入输出( i o ) 口，5 个中断优先 级2 层中断嵌套中断，2 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，看门狗 ( w d t ) 电路，片内时钟振荡器。 图3 2 给出了a t 8 9 s 5 2 的引脚结构及其复位、晶振电路。图中，电容器c i ，c 2 起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值选择典型的3 0 p f 。晶振频率的典型值 为1 1 0 5 9 2 m h z ，该频率易获得标准的波特率，有利于提高串口的通信可靠性设计， 同时又保证单片机有较高的运行速度。 r i n d 图3 3 蜂鸣器电路 1 5 墓鋈醛踅登美 3 数据采集终端的硬件设计硕卜论文 3 1 2 在线编程i s p i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 是指在线下载或在线编程功能。i s p 是一种无需将 存储芯片( 如e p r o m ) 从嵌入式设备上取出就能对其进行编程的技术。在系统编程 需要在目标板上有额外的电路完成编程任务。其优点是，即使器件焊接在电路板上， 仍可对其( 重新) 进行编程。它是f l a s h 存储器的固有特性( 通常无需额外的电路) ， f l a s h 几乎都采用这种方式编程。由于a t 8 9 s 5 2 内部有8 kb y t e sf l a s h 片内程序存储 器，所以在电路板设计的时候，要用到i s p 。 a t 8 9 s 5 2 的i s p 引脚共有4 个1 2 0 1 ：r s t 、m o s i 、m i s o 和s c k 。各引脚的功能 如下：r s t 为在线编程输入控制端。仅在i s p 下载过程中保持高电平，在系统j 下常工 作时该引脚为系统复位端，保持低电平状态。m i s o 为主机输入从机输出数据端，系 统f 常工作时该引脚为通用i o p l 5e l 线。m o s i 为主机输出从机输入数据端，系统 正常工作时该引脚为通用i o p l 6i s 线。s c k 为串行编程的时钟端，可实现主、从机 时序的同步，该时钟频率不得超过系统时钟的1 6 ，系统正常工作时该引脚为通用i o p 1 7 口线。i s p 引脚结构如图3 4 所 m l s o v ( r 盯 m d s i j r il j n u 图3 4i s p 引脚结构 3 1 3 电源模块设计 数据采集系统拥有一个优质的电源模块是其能稳定、安全工作的重要保障。设计 时通常提倡采用“器件解决”途径( 即尽量寻找合适电源芯片来解决难题) 的指导思想。 要原则合适的电源芯片，首先对电源模块进行了分类如下： ( 1 ) 按原理分类 a ) 线性稳压电源线性电源是调整管工作在放大区域的电源