探究离散制造业的数据采集之路

陈丽珍，傅江成（广东省电子技术研究所，广东 广州 510630）

1 引言

设备层是产品加工制造的载体，也是现场信息产生的源头。然而遗憾的是现有离散制造业MES与设备层的集成还少有实现。其主要原因是与设备层的集成实现难度较大。主要难度包括：制造设备种类繁多，大多数设备与信息化系统集成困难；设备层人员主体是工人，信息交互平台需要面向工人操作；离散制造车间环境相对比较恶劣，对软硬件一体化的集成平台要求较高等[2]。

设备层的数据采集是本项目实施的重点和难点，也是合作方的重要需求，是提高制造业自动化水平和精细化管理的重要手段。生产现场有大量自动化设备，大多采用DCS、PLC来进行控制，设备自身能自动准确记录各种生产信息，理论上只要能与这些自动化设备做好数据接口，就能准确采集所需要的数据，但是实际上设备种类繁多、协议与接口类型差别很大，给数据采集工作增加了难度。以手工作业的工序，易受到人工因素的影响，如果采集方式设计繁琐，操作者不把信息反馈作为一个必不可少的动作来执行，就不能保证上报数据的及时性和准确性，这使得手工作业的数据采集实现起来变得异常的困难复杂。

本论文探究了多种方式、多种模式的数据采集之路，以满足不同类型离散制造型企业的多种设备和人工操作的数据采集需求。项目实施的系统物理部署图简易示范如图1所示。

图1 系统物理部署图

2 嵌入式信息代理终端

在探究数据采集之路之前，先介绍其配套的终端，即嵌入式信息代理终端。该终端是由基于嵌入式处理器的硬件系统和基于嵌入式操作系统的软件系统构成。嵌入式处理器采用目前主流的ARM核处理器，如ATMEL的at91rm9200，cirrus logic 的ep93xx系列，TI的tms320dm644x。

嵌入式信息代理终端的硬件总体设计采用“核心板”和“接口扩展板”的模块化设计思想，“核心板”可以脱离“接口扩展板”独立工作，“接口扩展板”要依赖于“核心板”工作。核心板和接口扩展板的设计方案具体如图2、图3所示。

图2 核心板的设计方案

图 3 接口扩展板的设计方案

嵌入式操作系统可选用商用的嵌入式系统如vxWorks或者开源嵌入式Linux系统，前者对内存等资源消耗小，实时性相对较高；后者则功能强，并且容易移植很多开源组件，如AppWeb w eb服务器，samba CIFS文件共享，libxm l XM L处理库，QTE嵌入式图形库等，并且支持Python、Perl、PHP、Java等多种高级脚本语言，方便嵌入式信息代理设备上应用软件开发。不过前者也可以向w indriver公司购买相应的嵌入式软件中间件实现，如Web Server、Web Service、OPC、Fieldbus、CORBA等相关中间件。

3 数据采集之路

按照不同的分类原则，数据采集可以有不同的种类。按照采集方式的不同，可以分为自动、手动和半自动。前者在整个过程中不需要人工干预，一旦安装便能采集预先设定的数据采集对象（人、设备、原材料等生产数据）；第二种在采集过程中需要不断地人工输入实时信息，一旦停止输入，便得不到需要采集的信息；最后一种是结合条形码、RFID等半自动化采集技术。

3.1 自动数据采集之路

该方式以软件技术为主要手段、硬件技术为辅助手段。具体还可以分以下几种实现模式。

（1）自动之路1：监控模式

对于无通信接口但有HM I的生产设备，在生产设备的主控器和HM I之间并一根电缆线，嵌入式信息代理设备通过监控主控器和HM I的数据流获取生产数据，接线示范如图4所示。

图4 监控模式

（2）自动之路2：直接通信模式

对于带通信接口的生产设备，直接通过生产设备通信接口可以获取生产数据，接线示范如图5所示。

图5 直接通信模式

（3）自动之路3：植入转发模式

针对不带通信接口的经济型生产设备，我们研究出利用“植入转发”的采集方法，即在转发HM I（Human Machine Interface）与生产设备的通信数据的同时植入有用的监控信息，能适用于大部分生产设备的数据采集，如图6所示。

图6 植入转发模式

以上三种模式都需要分析相关的通信协议，包括通信接口方式、报文格式等分析。报文格式举例如图7所示。

图7 报文格式

某种命令的请求帧数据格式举例如图8所示。

图8 请求帧数据格式

对应的应答帧数据格式举例如图9所示。

图9 应答帧数据格式

（4）自动之路4：硬件信号监控

对于不满足以上3种模式的情况，生产设备内置了各种传感器，这种情况可以采用硬件信号点监控方式来自动获取相应的生产数据。

（5）自动之路5：机器视觉

对于纸质文档文件，可以利用OCR（光学位置识别）技术进行自动采集，其基本原理是利用摄像头或扫描仪对文档进行数字化，然后再进行图像处理（包括文字区域定位、字符提取、特征提取、分类算法设计及识别处理几个部分），自动生成各种类型的文档数据；对于印刷基片的外观识别，可以采用CCD图像识别技术。

3.2 半自动数据采集之路

对于含条码（一维或二维）的生产设备或产品数据，可以利用条形码扫描枪输入相关信息；对于移动的物体（如仓库）或条件恶劣的环境（如电镀线）可以采用RFID技术。

3.3 手动数据采集之路

以手工作业的工序，可以结合条形码、RFID等半自动化方式进行完工、物料、质量等信息的采集。对于纯手工的工序，采用嵌入式信息代理终端及配套简易的嵌入式HM I，来提高手工输入的效率。

针对半自动化和手动之路，都需要在嵌入式信息代理终端设计配套的、人性化嵌入式HM I，具体操作流程举例如图10所示。

4 探究问题

在项目实施过程中，以下几种情况的数据采集仍遇到一些棘手问题，还需继续深入研究。

模拟仪表的数据采集；

没有HM I的生产设备的数据采集；

自适应波特率的生产设备的数据采集。

图10 HM I操作流程

5 结语

本论文结合项目的实际需求，提出了多种方式、多种模式可行的数据采集之路。在项目执行过程中，也遇到了一些困挠（在第4章节有所提及），希望今后有机会和广大同仁们一起探究这些情况的数据采集之路。

[1] 2011 Desran compressor development target and main task [DB/OL]. http://www.desran.com/en/news-230.html, 2012-03-27.

[2] 刘飞. 离散制造业MES需要实现与设备层的集成[J]. 中国制造业信息化,2007 (9) : 14.