本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，尤其涉及一種面向中小企業(yè)離散制造車間的數(shù)據(jù)采集終端。

背景技術(shù)：

如圖1所示，企業(yè)的信息集成三層體系包括erp層、mes層和pcs層。隨著人們對商品的需求日趨多樣化和生產(chǎn)成本的不斷上升，中小型企業(yè)的競爭越來越激烈，實施企業(yè)信息化戰(zhàn)略勢在必行。mes系統(tǒng)是企業(yè)信息化解決方案中的關(guān)鍵元素，但是目前生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所面臨的缺陷，特別是數(shù)據(jù)采集終端已無法滿足當前企業(yè)的發(fā)展要求，企業(yè)的生產(chǎn)模式正在由傳統(tǒng)的以企業(yè)為主導(dǎo)、客戶被動接受產(chǎn)品的狀態(tài)，逐漸演變?yōu)橐詽M足客戶需求為動力的大規(guī)模定制形式。而國內(nèi)現(xiàn)有的針對中小型企業(yè)離散制造車間的mes數(shù)據(jù)采集終端大多是由高校等科研單位開發(fā)的常規(guī)控制器。這些控制器一般局限于mes單一功能或部分功能，多數(shù)只為解決生產(chǎn)中某個特定領(lǐng)域出現(xiàn)的問題，普遍存在價格成本偏高、人機交互性差、數(shù)據(jù)采集不及時、可維護性和穩(wěn)定性有待提高等不足。

縱觀我國的離散制造業(yè)信息化應(yīng)用現(xiàn)狀，建設(shè)重點普遍放在erp系統(tǒng)和pcs系統(tǒng)兩個方面。現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)pcs主要采用自動化生產(chǎn)設(shè)備、自動化檢測儀器、自動化物流搬運儲存設(shè)備等解決具體生產(chǎn)過程的單個生產(chǎn)工序的瓶頸，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化控制；erp系統(tǒng)用于整合企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)資源和編制生產(chǎn)計劃，通過對企業(yè)的資源進行規(guī)劃，優(yōu)化企業(yè)的資源配置和管理為企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益。但是，這些系統(tǒng)不能夠?qū)⑵髽I(yè)資源計劃和制造單元的生產(chǎn)有效連接起來，導(dǎo)致erp不能及時獲得pcs的數(shù)據(jù)，使得erp制定的生產(chǎn)計劃與實際情況存在偏差，同時pcs也不能及時獲得erp下達的指令來調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)，從而使得離散制造企業(yè)生產(chǎn)管理的自動化和信息化建設(shè)受到嚴重的影響。

離散制造是指：由車間工人通過機械的手段或方法，將產(chǎn)品所需要的各個零部件經(jīng)過加工、組合和裝配而成的過程。離散制造的生產(chǎn)過程通常被拆分成很多加工任務(wù)來完成，每項任務(wù)僅占用企業(yè)的一小部分系統(tǒng)資源，工件從一個工作中心轉(zhuǎn)移到另外一個工作中心進行不同類型的工序加工。離散制造具有多個方面的屬性，在產(chǎn)品形態(tài)方面，離散制造的產(chǎn)品相對較為復(fù)雜，它由多個零部件構(gòu)成，具有比較固定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框架和零部件配套關(guān)系。在產(chǎn)品種類方面，離散制造企業(yè)在多品種變批量的生產(chǎn)模式下生產(chǎn)出來的系列產(chǎn)品相關(guān)性并不明確，這就要求企業(yè)的存儲物料必須具有多樣性。在加工過程方面，離散制造企業(yè)生產(chǎn)過程是由多個加工子過程串聯(lián)或并聯(lián)組成的復(fù)雜過程，這一過程中涉及更多的變化性和不確定性。從這個意義上來說，離散制造型企業(yè)的過程控制更為復(fù)雜和多變。離散制造企業(yè)的產(chǎn)能不同于流程制造企業(yè)那樣主要由設(shè)備產(chǎn)能來決定，而是主要以加工要素的配置合理性來決定，且離散制造系統(tǒng)有眾多要素。因此，同樣規(guī)模和硬件設(shè)施的不同離散制造企業(yè)因其配置要素的差異導(dǎo)致的結(jié)果可能有天壤之別。

目前中小企業(yè)離散制造車間的數(shù)據(jù)采集方式主要還是以手工抄寫的方式為主，或者結(jié)合條形碼等半自動采集技術(shù)對生產(chǎn)信息進行采集；生產(chǎn)作業(yè)指令的下達一般采用派工單的方式來組織生產(chǎn)人員進行生產(chǎn)；過程控制也主要依賴工序卡在車間各個工序之間流轉(zhuǎn)；對于投入工作現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集設(shè)備軟、硬件的集成研究較少。這些狀況容易直接導(dǎo)致以下幾個問題：

①缺乏高效和異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集方法

離散制造車間現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集一直是一個難題，傳統(tǒng)的以紙質(zhì)文檔作為載體、手工記錄的數(shù)據(jù)采集方式存在著很明顯的缺陷，人工記錄容易出錯，數(shù)據(jù)追蹤比較困難；條形碼技術(shù)又因其識別距離很短，讀取速度慢，能攜帶的數(shù)據(jù)量小且不可重寫等缺點，限制了其在離散制造車間的廣泛使用。

②車間生產(chǎn)進度信息得不到及時反饋

車間的實時生產(chǎn)信息不能及時反饋到上層生產(chǎn)管理系統(tǒng)，造成生產(chǎn)計劃、資源調(diào)度無法根據(jù)生產(chǎn)車間的實時情況做出調(diào)整，由于缺乏對車間生產(chǎn)過程信息的準確掌控，車間生產(chǎn)管理會出現(xiàn)遲滯性，不能對臨時插單或者突然取消訂單等狀況做出快速的響應(yīng)。

③生產(chǎn)設(shè)備得不到有效的控制和管理

生產(chǎn)過程的主要載體是機床設(shè)備，但它通常是一個獨立的封閉系統(tǒng)，導(dǎo)致企業(yè)管理人員不能及時、準確地獲取車間設(shè)備狀態(tài)信息，造成信息斷層。當車間機床突發(fā)故障導(dǎo)致停止生產(chǎn)時，不能及時有效地了解到機床的具體運行狀態(tài)來保障生產(chǎn)的正常運營。

④缺乏對生產(chǎn)人員的信息監(jiān)控

對于離散制造業(yè)，每一個零件都有一個標準的生產(chǎn)周期，生產(chǎn)時間的不準確會造成加工零件的質(zhì)量問題。不同的生產(chǎn)人員的熟練程度是有差異的，人員的素質(zhì)水平也是參差不一，由于對生產(chǎn)人員信息缺乏監(jiān)控，很難保證每一個零件的生產(chǎn)時間符合標準周期，從而影響到生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)。

⑤采集設(shè)備的集成性和通用性差

在離散制造車間里，擁有大量的機床和數(shù)控設(shè)備，由于這些裝備可能來源于不同的廠家，品牌不一，新老并立，具有不同的通信協(xié)議和接口種類，數(shù)據(jù)采集難度大，軟、硬件系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，為了適應(yīng)采集系統(tǒng)的功能需求，需要一個集成化較高的嵌入式系統(tǒng)平臺來進行任務(wù)調(diào)度和資源配置

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明目的在于提供一種面向中小企業(yè)離散制造車間、解決企業(yè)信息中mes層信息各異的數(shù)據(jù)采集終端。

本發(fā)明所述的面向中小企業(yè)離散制造車間的數(shù)據(jù)采集終端，其特征在于，包括微處理器、電平轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入輸出電路、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和觸摸屏；所述的微處理器還設(shè)有串口模塊和存儲單元模塊，通過串口模塊與電平轉(zhuǎn)換電路連接，通過通用輸入/輸出接口(gpio)與開關(guān)量輸入輸出電路連接，通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊對外進行有線/無線通訊，通過led接口與觸摸屏連接；

所述的電平轉(zhuǎn)換電路連接外置的低頻id讀卡器和超高頻rfid讀卡器，所述的低頻id讀卡器用于從員工id卡中讀取員工信息，所述的超高頻rfid讀卡器用于從模具電子標簽中讀取模具信息；

所述的開關(guān)量輸入輸出電路連接外置的生產(chǎn)設(shè)備，采集生產(chǎn)設(shè)備控制板上plc的i/o信號并根據(jù)i/o信號驅(qū)動對應(yīng)的指示燈。

所述的開關(guān)量輸入輸出電路包括開關(guān)量采集電路和開關(guān)量驅(qū)動電路，所述的開關(guān)量采集電路采集端連接生產(chǎn)設(shè)備控制板上plc的i/o信號端，通過光耦轉(zhuǎn)換輸入到微控制器；所述的開關(guān)量驅(qū)動電路將微處理器的驅(qū)動信號輸出至對應(yīng)的指示燈。

所述的串口模塊設(shè)有三路串口接口，第一路串口接口經(jīng)過usb轉(zhuǎn)ttl小板連接pc機、第二路串口接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路連接低頻id讀卡器、第三路串口接口經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路連接超高頻rfid讀卡器。

所述的微處理器通過超高頻rfid讀卡器讀取模具信息后進行如下運算：檢查返回數(shù)據(jù)長度是否正確，檢查模具條碼是否有效，檢查新舊模具條碼是否相同，更新模具條碼信息；采用輪詢的方式循環(huán)讀取串口數(shù)據(jù)，將模具條碼變化記錄于存儲單元模塊?？梢詼蚀_記錄生產(chǎn)過程中模具的變化情況，并及時記錄在微處理器的存儲單元模塊以便上位機查詢。

所述的微處理器通過低頻id讀卡器讀取員工信息后進行如下運算：檢查當前是否有員工條碼，若當前沒有員工條碼再檢查當前生產(chǎn)計數(shù)是否為零，若為零則判斷為新員工上崗，若不為零則判斷為不同員工上崗并上報上位機和將當前生產(chǎn)信息存儲于存儲單元模塊再替換上崗員工信息；若已存在當前員工條碼，依次檢查員工條碼長度和內(nèi)容是否一致，一致時判斷為當前員工打卡下崗，不一致時判斷為不同員工上崗并上報上位機和將當前生產(chǎn)信息存儲于存儲單元模塊再替換上崗員工信息。

本發(fā)明所述的面向中小企業(yè)離散制造車間的數(shù)據(jù)采集終端，其優(yōu)點在于，將離散的員工信息、產(chǎn)品信息在時間維度、數(shù)量、品種、設(shè)備運行狀態(tài)等各種信息在微處理器中進行比對、處理、存儲和進一步分析工作效率等。同時上位機可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊對微處理器中的存儲信息進行查詢，而微處理器也實時將每一臺生產(chǎn)設(shè)備的開關(guān)情況通過不同的指示燈直觀顯示，對設(shè)備的信息化進行有效改進。在信息發(fā)送矛盾沖突時首先在微處理器中進行既定的邏輯分析，然后再上傳至上位機進一步檢驗工時和生產(chǎn)關(guān)系的正確性。使生產(chǎn)量不會重復(fù)計算虛高，也不會少算生產(chǎn)量導(dǎo)致成本升高。

附圖說明

圖1是企業(yè)信息集成三層體系結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本發(fā)明所述數(shù)據(jù)采集終端的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明所述開關(guān)量采集電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明所述開關(guān)量驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明所述串口通過電平轉(zhuǎn)換電路對外連接示意圖；

圖6是本發(fā)明所述微處理器對模具信息處理算法流程示意圖；

圖7是本發(fā)明所述微處理器對員工信息處理算法流程示意圖。

具體實施方式

根據(jù)圖2-7所示，本發(fā)明所述的面向中小企業(yè)離散制造車間的數(shù)據(jù)采集終端主要包括微處理器、電平轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入輸出電路、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和觸摸屏。其中網(wǎng)絡(luò)通訊模塊包括ar9271usb無線網(wǎng)卡和dm9000有線網(wǎng)卡，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊用于微處理器與上位機進行通訊交換。所述的觸摸屏設(shè)有人機交互界面，連接微處理器的lcd接口，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與操作人員的信息交互。微處理器主要包括串口模塊、gpio和存儲單元模塊等。所述的串口模塊設(shè)有uart0/1/2三路串口接口，第一路uart0通過usb轉(zhuǎn)ttl小板連接pc機串口終端，第二路uart1通過電平轉(zhuǎn)換電路連接低頻id讀卡器，第三路uart2通過電平轉(zhuǎn)換電路連接超高頻rfid讀卡器。

微處理器通過gpio連接開關(guān)量輸入輸出電路后接入生產(chǎn)設(shè)備的控制器plci/o信號端，開關(guān)量輸入輸出電路包括開關(guān)量采集電路和開關(guān)量驅(qū)動電路兩個互不相關(guān)的模塊。

開關(guān)量采集電路主要完成外部生產(chǎn)設(shè)備開關(guān)量的采集，并把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑻幚砥鳎婚_關(guān)量驅(qū)動電路主要是接收上位機的指令，根據(jù)相應(yīng)的開關(guān)量狀態(tài)點亮不同顏色的led指示燈，從而直觀地將采集到的設(shè)備狀態(tài)反饋到工業(yè)現(xiàn)場。因此，無論是開關(guān)量采集電路還是開關(guān)量驅(qū)動電路都必須采取一定隔離措施，都要外接光電隔離器件。這些光電隔離器件在電路中能夠有效的抑制尖脈沖，防止終端控制器收到摧毀性損壞；同時完成邏輯電平的轉(zhuǎn)換，將工業(yè)控制中的電氣信號轉(zhuǎn)換為嵌入式處理器所能接受的電平信號；除此之外，還可以隔離電磁噪聲，抑制共模信號。

(1)開關(guān)量采集電路

本發(fā)明所述數(shù)據(jù)采集終端的主要目的是對離散制造車間實施信息化改造，實施對象基本都是一些比較老舊的機床設(shè)備，有的甚至是上世紀生產(chǎn)的機器，很難找到機床主控與外圍設(shè)備的通訊協(xié)議，所以，不能依賴于通過直接連接串口線或者網(wǎng)線到機床主控上來采集狀態(tài)信息。機床設(shè)備的控制系統(tǒng)主要以plc為核心，因此，本數(shù)據(jù)采集終端使用開關(guān)量采集電路輸入捕獲功能采集機床主控制板上plc的i/o信號點，通過i/o信號點組合就可以得知機床設(shè)備的實時運行狀態(tài)。

一個數(shù)據(jù)采集終端可以設(shè)計多路開關(guān)量采集電路以對應(yīng)多個機床設(shè)備。開關(guān)量采集電路中選用光電隔離器件是東芝公司生產(chǎn)的tlp627芯片，這款芯片數(shù)據(jù)傳輸迅速，抗干擾能力強。由于它的輸入阻抗比較小，干擾源的阻抗較大，根據(jù)分壓原理，輸入端的噪聲電壓將很小，從而有效的抑制了噪聲干擾和尖脈沖。二極管用來防止反向電流擊穿光耦。

(2)開關(guān)量驅(qū)動電路

與開關(guān)量采集電路同理，一個數(shù)據(jù)采集終端可以設(shè)計多路開關(guān)量驅(qū)動電路以對應(yīng)多個機床設(shè)備，開關(guān)量驅(qū)動電路的主要功能是將微處理器處理好的信號反饋到被控對象，以led指示燈作為該機床設(shè)備狀態(tài)的指示燈。開關(guān)量的驅(qū)動與采集設(shè)計思路相同，只是方向反，同樣需要采取光電隔離措施，選用的光電隔離器件依然是tlp627芯片。光電隔離芯片輸入端工作電壓是+3.3v，輸出端需要的電壓是+24v，這兩個電壓源必須相互獨立才能夠起到良好的絕緣效果。開關(guān)量驅(qū)動電路還可實現(xiàn)對機床設(shè)備運行狀態(tài)的顯示作用。

本發(fā)明所述數(shù)據(jù)采集終端包括硬件設(shè)計和程序設(shè)計，低頻id讀卡器對員工id卡讀取員工信息，超高頻rfid讀卡器對模具電子標簽讀取模具信息，上述的員工信息和模具信息輸入微處理器后進行邏輯處理。離散制造車間里的員工有操作員、質(zhì)檢員、調(diào)試員和維修員，且各工種的人員眾多，如何快速而準確地確定某個員工的信息是一項艱難的任務(wù)。企業(yè)為每一個員工配備了一張擁有唯一編號的id卡，通過rs-232串行通信接口上的低頻id讀卡器讀取id卡可以成功獲得員工條碼，完成員工信息的認證。本發(fā)明所選用的id讀卡器是em系列的非接觸式射頻id讀卡器，該讀卡器性能穩(wěn)定，工作溫度范圍廣，適合應(yīng)用在工業(yè)控制環(huán)境中。

一般情況下，不同的產(chǎn)品對應(yīng)不同的模具，這也意味著知道了模具條碼也即獲得產(chǎn)品信息。本發(fā)明使用超高頻rfid讀卡器采集模具條碼時，需要與rfid電子標簽搭配完成，需預(yù)先將rfid電子標簽嵌入到模具里，作為模具的唯一標識。微處理器通過超高頻rfid讀卡器讀取出rfid電子標簽上的模具條碼信息，也即確定了產(chǎn)品信息。車間的模具一般固定的時間比較長，且位置固定，當模具更換的時候，超高頻rfid讀卡器很容易地識別出模具條碼的變化。

微處理器在收到模具信息時進行算法運算，此算法的核心在于判斷新舊模具條碼是否一致的問題，為此，設(shè)置了buff[]與display_buff[]兩個緩沖區(qū)和data與data_old兩個局部變量。buff用來存儲串口接收到的原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)過于冗長，不利于數(shù)據(jù)處理與顯示；display_buff用來保存從buff第6位開始截取的數(shù)據(jù)；data是表示display_buff緩沖區(qū)中的數(shù)組轉(zhuǎn)化后的字符串；data_old是表示上一次display_buff緩沖區(qū)中的數(shù)組轉(zhuǎn)化后的字符串。根據(jù)rfid的技術(shù)特點，程序運行之后，采用輪詢的方式讀取串口數(shù)據(jù)，隨著時間變化這些數(shù)據(jù)不斷刷新，程序中通過多次比較分析，最終確定模具條碼變化情況并記錄于儲存單元模塊，以供上位機查詢監(jiān)控。

在正常工作情況下，離散制造車間的機床設(shè)備具有唯一占有性，即從工人打卡開始到工人打卡結(jié)束這期間，每一臺機床只能配有一名工人在崗工作。車間人員機動性比較大，可能會出現(xiàn)當前存在員工條碼的時候，又接收到新的員工條碼，或者由于工人疏忽大意在沒打卡的情況，操作機器設(shè)備進行生產(chǎn)。員工條碼處理算法的核心就在于如何保證機床設(shè)備的唯一占有性和可容錯性，確保生產(chǎn)活動正常進行。此算法有兩個要點，其一，當前存在員工條碼的時候，處理器又接收到新的員工打卡請求，這對應(yīng)在實際的生產(chǎn)過程中，就是上一個員工下班的時候沒有打卡，新的員工又來打卡上班。對于這種情況，不能直接把上一個員工的生產(chǎn)信息忽略或者覆蓋掉，而是要將上一個員工的模具計數(shù)、在崗時間等完整信息保存好，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)給上位機，才可以進行下一個員工上班的操作。其二，當前不存在員工條碼，但是生產(chǎn)計數(shù)不為零，對應(yīng)在實際的生產(chǎn)過程中，即在崗員工上班的時候未打卡，且已經(jīng)開始生產(chǎn)。在這種情況下，不能屏蔽無員工條碼生產(chǎn)狀況下的相關(guān)計數(shù)信息，必須在下一個員工請求上崗認證的時，把這些生產(chǎn)計數(shù)信息先發(fā)送到上位機，再進行下一個員工的正常上崗操作，如此，有利于保持生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性。

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。