摘要：結(jié)合“工業(yè)4.0”提出的智能化生產(chǎn)模式，重點(diǎn)研究并設(shè)計(jì)了一套橡塑機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng).以ARM 芯片為主控制芯片設(shè)計(jì)了GPRS無線通用收發(fā)模塊，該模塊與橡塑機(jī)PLC控制器互聯(lián)，接收PLC傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過GPRS傳送到云服務(wù)平臺(tái).該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程測(cè)控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橡塑機(jī)加工溫度，其短信報(bào)警功能可讓設(shè)備生產(chǎn)廠家及時(shí)了解設(shè)備的異常情況，系統(tǒng)的故障報(bào)修模塊可對(duì)工作人員現(xiàn)場(chǎng)排除故障作出安排并記錄過程，相關(guān)服務(wù)信息可通過計(jì)算機(jī)客戶端或手機(jī)客戶端查閱。
“工業(yè)4.0”被認(rèn)為是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命.該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型.“工業(yè)4.0”項(xiàng)目主要分為兩大主題：一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3Ｄ技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。
精密橡塑制品應(yīng)用廣泛，如汽車的關(guān)鍵零部件等.精密橡塑制品的生產(chǎn)一般是由橡塑機(jī)將橡膠原料加熱到一定溫度后用模具壓制成品.在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)橡塑機(jī)加熱溫度的控制非常重要，如溫度達(dá)不到要求則極易出現(xiàn)殘次品.此外，橡塑機(jī)在使用的過程中可能因?yàn)椴僮鞑划?dāng)或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致異常情況發(fā)生，而生產(chǎn)廠家往往因不能及時(shí)了解這些異常情況，無法采取相應(yīng)措施，而導(dǎo)致設(shè)備損壞.因此，生產(chǎn)過程中設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)備使用企業(yè)和生產(chǎn)廠家都十分關(guān)心的問題.針對(duì)上述問題，本文重點(diǎn)對(duì) “工業(yè)4.0”的智能化生產(chǎn)模式展開研究，設(shè)計(jì)了一套橡塑機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便于用戶通過遠(yuǎn)程測(cè)控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橡塑機(jī)加工溫度，同時(shí)方便相關(guān)廠家及時(shí)準(zhǔn)確掌握設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。
1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
橡塑機(jī)遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由服務(wù)平臺(tái)、通信模塊和客戶端構(gòu)成［1］，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
服務(wù)平臺(tái)由3部分構(gòu)成，分別為 ＷｅB服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、采集機(jī).ＷｅB服務(wù)提供包括 GIS設(shè)備導(dǎo)航、設(shè)備建模與在線增刪、動(dòng)畫演示、短信報(bào)警等在內(nèi)的多種功能［2］，可通過 GPRS/CＤMＡ，IｎTｅRｎｅT，3G/4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)［3］實(shí)現(xiàn)分布于不同地方的設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、手機(jī)以及廠家、用戶等之間的信息交互，達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備的目的.通信模塊采用 ARM 芯片作為主控制芯片，該模塊從橡塑機(jī)設(shè)備上的PLC獲取溫度和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)［4］，然后再通過 GPRS傳送到服務(wù)平臺(tái)，由服務(wù)器程序的采集機(jī)模塊負(fù)責(zé)接收并保存到服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)［5］.客戶端包括電腦客戶端和手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端程序同時(shí)支持主流的 ＡｎｄRｏIｄ系統(tǒng)和IＯS系統(tǒng)。
2.硬件設(shè)計(jì)
2.1 主控模塊設(shè)計(jì)
通信模塊的主控制器采用STM32系列32位ARM 微控制器STM32Ｆ1O3C8T6,內(nèi)核是 CｏRTｅX－M3，最高工作頻率是72MＨｚ，支持單周期乘法和硬件除法功能，其電路如圖2所示.其中，1O，11腳接2路模擬輸入信號(hào)，采集橡塑機(jī)加熱板的溫度；21，22腳接2路數(shù)字輸入信號(hào)，采集橡塑機(jī)運(yùn)行和故障狀態(tài)開關(guān)量；25，26腳接2路數(shù)字輸出信號(hào)，對(duì)橡塑機(jī)進(jìn)行啟、?？刂疲?2，13腳接RS485通信接口芯片，用來和上位機(jī)進(jìn)行 485 通信；3O，31 腳接GPRS通信模塊的29，3O腳，通過 ＵＡRT口將采集到的橡塑機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊。
2.2.無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
無線收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示.通信模塊無線收發(fā)部分采用芯片 MG2639，該芯片是中興 通 訊 研 制 的 GSM85O/ＥGSM9OO/ＤCS18OO/ＰCS19OO四頻工業(yè)模塊，可實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)高速傳輸.其中，7腳RSSI＿ＬＥＤ內(nèi)部下拉，為普通I/Ｏ，電流驅(qū)動(dòng)能力較弱，此處通過增加一個(gè)三極管S8O5O來驅(qū)動(dòng)ＬＥＤ燈，起到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)指示的作用.17腳為復(fù)位管腳，需要拉低5OOMS，可對(duì) MG2639進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位信號(hào)由主控制器的27腳I/Ｏ 口發(fā)出.24腳為ＰＷR(shí)ＫＥＹ管腳，通過給一個(gè)持續(xù)時(shí)間2～5S的低電平脈沖模塊即可開機(jī).29，3O腳接主控制器的ＵＡRT接口，用于發(fā)送 ＡT指令、傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、升級(jí)模塊軟件等，通信速率設(shè)置為192OOB/S。
由于模塊輸出I/Ｏ 口電平為2.8V，與 MCＵ的 ＵＡRT口連接需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，因此三極管選擇普通小功率開關(guān)管即可.ＵＡRT電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。
圖2 主控制模塊電路原理
圖3 無線收發(fā)模塊電路原理
圖4 ＵＡRT電平轉(zhuǎn)換電路原理
由于無線收發(fā)模塊的11～14管腳接SIM卡電路，故SIM卡電路在PCB布線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能靠近模塊，以防止其他干擾源干擾SIM卡讀寫.另外，SIM卡的設(shè)計(jì)需要滿足ESD電氣性能，為防止損壞SIM卡可在4路SIM卡信號(hào)上都加TVS器件 同時(shí)在進(jìn)行 Layout時(shí)信號(hào)線需經(jīng)TVS器件進(jìn)入模塊的基帶處理器，防止損壞模塊.ＵIM卡接口速率典型值在3.25MＨｚ左右，因此ＵSIM卡座應(yīng)處于距離模塊接口較近的位置，避免因走線過長(zhǎng)（走線應(yīng)不超過1OOMM）導(dǎo)致波形嚴(yán)重變形而影響通信。
2.3.輸入與輸出模塊設(shè)計(jì)
圖5 所示為模擬量輸入單元，ＡＤC＿IＮO 接STM32Ｆ1O3C8T6單片機(jī)第1O管腳,ＡＤC＿IＮ1接第11管腳，兩者通過 ＡI1和 ＡI2口輸入來采集橡塑機(jī)加熱板的溫度數(shù)據(jù).前一級(jí)采用溫度變送器將橡塑機(jī)PLC端采集的溫度數(shù)據(jù)調(diào)理到4～2OMＡ范圍，溫度與調(diào)理后的電壓是線性關(guān)系：OV對(duì)應(yīng)－2OO℃；5V對(duì)應(yīng)13OO℃.然后通過ＡI口送入控制器ＡＤC＿IＮＮ口.ＺMM5V1是穩(wěn)壓二極管，起過壓保護(hù)作用。
圖5 模擬量輸入單元電路原理
數(shù)字輸入和輸出單元采用三極管（貼片s8050封裝）作開關(guān)電路（如圖 6 所示）包括輸入和輸出電路，模塊設(shè)置2個(gè)數(shù)字量輸入口，用來采集橡塑機(jī)運(yùn)行和故障狀態(tài)開關(guān)量；設(shè)置2個(gè)數(shù)字量輸出口，用于橡塑機(jī)的啟、?？刂啤?/div>
圖 6 數(shù)字輸入和輸出模塊電路原理
2.4.電源模塊設(shè)計(jì)
3.9V 電源模塊（如圖7所示）采用 MIC293O2電源轉(zhuǎn)換芯片外加電容電阻組成 3.9V 穩(wěn)壓電路，1腳是使能端，高電平有效； 2腳＋5V 輸入；4 腳輸出穩(wěn)定的3.9V 電壓，為 GPRS芯片 MG2639提供電源.3.3V電源供電模塊（如圖8所示）采用電源轉(zhuǎn)換芯片XC6219B332MR，電容C5用于輸入端濾波，電容C6 用于輸出端濾波，為 STM32 主控制器、485接口電路和數(shù)字量輸入輸出電路提供電源。
圖7 3.9V電源模塊供電電路原理
3.軟件設(shè)計(jì)
3.1.下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
圖9所示為主控制模塊工作流程.模塊上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)硬件初始化工作；完成初始化后，模塊的采集單元定時(shí)采集橡塑機(jī)的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并通過 GPRS模塊傳送到云服務(wù)平臺(tái)［6］.圖10所示為 GPRS通信流程.GPRS模塊上電后，首先對(duì)串口進(jìn)行配置并開啟 GSM 模塊電源； 電源打開后， 模塊初始化ＡT指令，接著接收GSM主控制發(fā)送的采集數(shù)據(jù)并上傳到采集機(jī)模塊；完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，關(guān)閉 GSM 模塊電源并開中斷進(jìn)入睡眠模式，等待下一次喚醒。
圖8 3.3V電源模塊供電電路原理
圖 9 主控制模塊工作流程
圖1O GPRS通信流程
3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)服務(wù)平臺(tái)（見圖11）設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)服務(wù)中心（DSC軟件.DSC通過 GPRS通訊模塊與生產(chǎn)設(shè))備通訊，一方面采集生產(chǎn)設(shè)備的溫度以及其他實(shí)時(shí)工況上報(bào)給服務(wù)平臺(tái)，另一方面將服務(wù)平臺(tái)的指令下達(dá)給生產(chǎn)設(shè)備.DSC 與 GPRS 通訊模塊借助GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)交互信息，由通訊模塊向DSC提出申請(qǐng)建立 TCＰ鏈接.交互信息的格式采用標(biāo)準(zhǔn)的MＯＤBＵSRTＵ 協(xié)議［7］.該平臺(tái)程序是主動(dòng)方式，可以同時(shí)接收多臺(tái)下位機(jī)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)量由架設(shè)的服務(wù)器性能決定，提供包括 GIS硫化橡塑機(jī)設(shè)備導(dǎo)航、硫化橡塑機(jī)建模與在線增刪、動(dòng)畫演示、短信報(bào)警等在內(nèi)的多項(xiàng)功能。
圖11 服務(wù)平臺(tái)
4.測(cè)試結(jié)果及分析
圖12所示為硫化橡塑機(jī)的工況測(cè)試信息界面.該界面可通過圖表、列表和工礦曲線的形式實(shí)時(shí)顯示每臺(tái)硫化橡塑機(jī)的工礦信息，工況信息包括硫化時(shí)間、輔助時(shí)間以及硫化上、下模溫度等指標(biāo).通過這些數(shù)據(jù)，管理人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過程中的硫化機(jī)溫度，降低工人因?yàn)槿藶槭д`或懈怠出現(xiàn)的殘次品概率，嚴(yán)格把控硫化產(chǎn)品質(zhì)量。
圖12 硫化橡塑機(jī)的工礦測(cè)試信息界面
5.總結(jié)
本文研究并設(shè)計(jì)了一種橡塑機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的遠(yuǎn)程測(cè)控可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橡塑機(jī)加工溫度，使設(shè)備生產(chǎn)廠家及時(shí)了解設(shè)備異常情況， 系統(tǒng)提供的故障報(bào)修模塊可通過 GPRS /CＤMＡ，IｎTｅRｎｅ,T3G/4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布于不同地方的設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、手機(jī)以及廠家、用戶之間的信息交互，達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備的目的，增強(qiáng)了云計(jì)算服務(wù)的可靠性，具有較好的推廣和應(yīng)用前景。
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