基于STM32和uCOS-II的注塑车间MES数据采集与监控系统设计

麦源振，谷 刚，王志平

MAI Yuan-zhen1 ,GU Gang1 ,WANG Zhi-ping2

（1.广东工业大学 自动化学院，广州 510006；2.广东省自动化研究所，广州 510070）

0 引言

2009年我国塑料制品总产值达到1.1万亿元，成为全球最大的塑料制品生产和消费国。但自金融危机以来，注塑加工企业面临日益激烈的国内外竞争，订单减少，利润下降。目前，特别是注塑加工企业中的中小型企业，普遍存在生产数据难以实时采集，生产过程监控困难，质量问题追溯困难，设备利用率难以有效提高等问题，导致以上原因的一个重要因素是注塑车间是没有建立一个统一的实时信息控制平台[1]。

注塑行业是以离散制造为主，流程制造为辅的行业。拥有大量的机床和数控设备，这些机床和数控设备种类多、品牌杂、新老并存。设备的协议与接口种类差别很大，通讯接口之间兼容性差，数据采集难度大。针对以上特点，文献[2]只从管理的角度提出了注塑行业的调度模型，文献[3～5]提出了离散制造业MES生产数据采集方案，采集机床、模具与员工等基础信息，但缺少人机交互设计。文献[6]利用ClickOnce技术提出了MES人机交互方案，但此方案并不适用与离散制造业特别是注塑车间设备种类多，通信兼容性差等特点。因此本文针对注塑行业特点，利用嵌入式技术与人机交互技术，基于STM32及uCOS-II实时操作系统，设计出一套针对注塑行业特点，具有生产及管理信息交互的注塑车间MES数据采集监控系统。

1 系统架构设计

图1 注塑车间MES系统总架构

1.1 主控制器

图1为注塑车间MES系统总架构，其中包括采集监控系统和上位机管理系统两大部分。其中采集监控系统部分负责采集员工信息，注塑机状态信息，模具信息，触摸屏交互信息以及实现网络通信。因此，系统需要丰富的USART接口、SPI接口以及丰富的定时器，由于本系统采用uCOS-II操作系统，对主控芯片的频率和存储资源有较高的要求，因此本系统控制模块主芯片采用基于Cortex-M3架构的STM32F103系列微处理器。作为最新一代的嵌入式ARM处理器，STM32F103系列微处理器为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低了系统功耗，同时提供了卓越的计算性能和先进的中断响应系统[7]。

1.2 模具信息采集模块

文献[8]分析了使用RFID技术改造后的模具管理流程，突出了RFID技术在模具管理中的重要作用。本系统针对模具信息采集采用RFID技术。RFID技术具有防水、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息可以随意修改、可以识别高速运动中的物体，可识别多个标签，可以在恶劣环境下工作等优点[9]。RFID技术主要分为RFID阅读器和RFID电子标签两大部分，本系统采用C216023频率为860MHz～960MHz的超高频中距离一体式读写器。电子标签采用UHF耐高温抗金属标签，工作温度-40℃～300℃。

1.3 注塑机信息采集模块

文献[10]提出采用采集PLC信号点信息的方式来进行机床状态的监控方案，针对前言提到的中小型注塑企业设备特点，本系统通过注塑机PLC信号点检测注塑机的状态。使用STM32F103的输入捕获功能采集注塑机控制板上的I/O信号点，通过I/O信号的组合得到注塑机实时状态信息，电路如图2所示，使用PS2805-4光耦，控制器能稳定的采集PLC信号点的状态。

图2 输入信号采集电路

1.4 通信模块

大多数专业的协议栈都是由BSD TCP/IP协议栈派生出来，但BSD协议栈比较庞大，大多数小型嵌入式设备不宜使用。本系统选择LwIP作为通信协议栈，基于LwIP，在硬件上选择嵌入式以太网控制器ENC28J60芯片，通过SPI接口与STM32连接。ENC28J60兼容IEEE802.3的以太网控制器，集成MAC控制器和10BASE-T PHY控制器，自带缓冲区、DMA。其工作电路图如图3所示。通过嵌入式以太网技术，可以将注塑车间设备及其他传感器的数据统一发送到服务器，有效解决了通信协议不统一的问题。

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

图3 ENC28J60电路

本系统采用uCOS-II实时操作系统。uCOS-II是专门为嵌入式系统设计的硬实时(Hard Real Time)多任务内核。它的内核精简，多任务管理功能相对完善，实时性能好，可裁剪，可固化，源码开放，可移植性强。uCOS-II应用广泛，适应性强，从8位到64位处理器都可以移植[11]。针对uCOS-II系统任务优先级的分配，本文使用单调执行率调度发RMS(Rate Monotonic Scheduling)，这种方法基于任务的执行率，执行最繁重的任务优先级最高，如图4所示。

图4 uCOS-II任务执行率

给出一系列n值，表示系统中的不同任务数。要使所有的任务满足硬件实时条件，必须使不等式(1)成立。

不等式中Ei是任务i的最长执行时间，Ti是任务i的执行周期。Ei/Ti是任务i所需要的时间。当n趋向无穷大的时候，CPU的极限时间值为ln2，即0.693，所以对于实时系统，任务i的总的CPU利用的时间应该小于70%。

图5 主程序流程图

本系统软件设计流程如图5所示，主程序开始前，把外设数据处理函数设置成需要执行的任务，然后设置任务的优先级及堆栈大小。初始化硬件资源后，调用OSInit函数以建立两个任务：空闲任务和CPU利用率统计任务。在开始多任务之前，必须建立至少一个任务，这里先建立了一个TaskStart()任务，最后执行OSSStart()，将控制权移交给uCOS-II内核，开始执行多任务，其中关键代码如下：

2.2 人机交互软件设计

交互设计流程如图6所示，注塑机旁边的触摸屏通过Modbus协议与嵌入式控制器进行通信，嵌入式控制器通过以太网控制器ENC28J60与服务器通信，系统交互的内容包括工人权限管理、质量管理、模具管理以及排产调度四大部分。

Modbus协议有两种通信模式：ASCII模式和RTU模式。本系统采用RTU模式，在RTU模式下，数据帧中的每个字节用2个十六进制字符来表示。可以看出该模式在同样的传输速率下，能传输比ASCII模式更多的数据[12]。其中RTU模式下的主站查询数据帧如表1所示。

本系统采用TK6070iP触摸屏，使用宏指令的方式进行编程，在宏指令里的关键程序如下：

图6 人机交互设计流程图

3 应用结果

本系统在现场的应用如图7所示，在每一台注塑机旁边安装了一套采集监控系统，通过该系统，注塑机状态、员工状态、模具信息以及交互信息能从现场车间直接通过以太网传送到后台服务器，放置在现场的看板可以显示其中相关的信息。

图7 现场应用

图8显示的是放置现场的看板，主要显示的功能为：1）现场每一台注塑机的状态。包括生产、维修、待机、试模等。2）工人的工作状态。3）模具状态。4）员工生产数量累、生产周期及生产效率；5）排产调度信息。通过应用表明，由于本系统的使用，现场信息统计及生产调度的工作量减少了最少2/3。提高了整个MES系统执行的效率，每年可以为企业节省几十万元的成本，提高了企业的生产效率。

表1 RTU模式主站查询数据帧格式

图8 现场看板

4 结论

本文提出的基于STM32与uCOS-II的数据采集监控系统已经投入使用，本系统实现了对注塑车间不同种类注塑设备的数据采集和监控功能，通过触摸屏，使系统具有了灵活的交互性，通过嵌入式和以太网技术，采集和监控系统和上层服务器实现了有效的通信，并有效解决了通信协议不统一的问题。而且本系统的定制性较强，灵活性较高，有较高的推广应用价值，能适用于其他注塑、五金车间的MES系统。

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