基于STM32的工业智能摘挂牌控制系统设计

耿树巧 王力超

摘 要：设计一种工业智能摘挂牌控制系统，可实现对厂内电气设备的权限控制.设计主要包括中央控制模块、继电器模块、显示模块、读卡模块、网络模块、存储器和电源模块.该控制系统可以避免人为因素造成设备异常通电或启动，有效降低工厂安全生产事故发生概率.

关键词：摘挂牌;工业控制;STM32

[中图分类号]TP23 [文献标志码]A

Design of an Industrial Intelligent List andDelist Control System Based on STM32

GENG Shuqiao1，2， WANG Lichao1

（1.Anhui Polytechnic University，School of Electrical Engineering，Anhui，Wuhu 241000，China;2.University of Science and Technology of China，School ofEngineering Science，Anhui，Hefei 230026，China）

Abstract：An industrial intelligent list and delist control system is designed，which can control the power of electrical equipment in the factory. The design mainly includes central control module， relay module， display module， card reading module， network module， memory module and power module. The control system can avoid abnormal power-on or start-up of equipment caused by human factors， and effectively reduce the probability of accidents in factory safety production.

Key words：list and delist; industrial control; STM32

保障安全生產是现代工厂制定管理制度的重中之重.在正常生产过程中，各种设备会经历生产、检修和停机3个过程.为了控制生产和检修工作的安全风险，尤其是预防因设备的异常通电或启动而导致安全事故的发生，许多工厂制定并实施了设备电气柜摘挂牌管理制度[1]，就是操作工在操作设备进行生产时，在设备电气柜规定位置挂上一个操作牌，提示其他工人禁止关闸;检修工在检修设备时，在设备电气柜规定位置挂上一个操作牌，提示其他工人禁止合闸.传统的摘挂牌管理制度依靠人为遵守，存在弊端：工人在操作设备前如果忘记挂牌，很可能造成严重的安全生产事故;工人在完成相关工作后忘记摘牌，导致其他工种按照管理制度无法进行后续操作，很可能影响工厂的生产效率;操作牌挂在设备电气柜规定位置上，容易被“别有用心”的人故意取走，从而造成安全生产事故.如若安排管理人员值守，又会增加大量的人力成本.因此，设计一套全自动化的工业智能摘挂牌控制系统非常有必要.本文设计一款摘挂牌控制系统，可以有效减少因人为疏忽导致发生安全生产事故的概率，通过科技手段确保工厂摘挂牌管理制度能够贯彻执行.

1 硬件部分

工业智能摘挂牌控制系统的主要设计思想：通过微型控制单元根据事先设定好的控制逻辑关系对继电器进行控制，从而实现对电气设备的合闸/关闸动作.系统总体架构可分为以下几个部分：中央控制模块、继电器模块、显示模块、读卡模块、网络模块、存储器和电源模块.系统总体架构如图1所示.

1.1 中央控制模块

中央控制模块是意法半导体的STM32F407.[2]中央控制模块主要负责与显示模块、读卡模块、网络模块和存储器之间的信息交互，并按照工厂的摘挂牌管理制度实现预先设定的逻辑判断功能，从而控制对应继电器模块的通断.

1.2 继电器模块

继电器模块由中央控制模块直接控制其通断.[3]由于继电器模块外接各种电气设备，所以必须用光耦做好强电和弱电之间的隔离，防止因外部故障反向击穿中央控制模块，烧坏摘挂牌全自动控制系统.继电器模块的设计如图2所示.

图2 继电器模块原理图

1.3 显示模块

显示模块选用北京迪文科技有限公司生产的迪文DGUS屏.[4]该显示屏把GUI分解成控件并按照页面来配置，控件显示直接由变量控制，中央控制模块仅仅需要通过串口改写变量值即可实现控件显示的相应改变.当触摸屏或键盘录入时，中央控制模块仅需要通过参数改变时的串口中断触发来读取录入变量值即可，使用非常方便.

1.4 读卡模块

读卡模块设计以工牌作为摘挂牌操作的唯一身份识别方式.硬件选用RC522 RFID射频IC卡感应模块，该模块具有低电压、体积小、低成本的优点.[5]模块采用3.3 V工作电压，通过SPI接口直接与中央控制模块相连接通信，有利于减少连线，缩小PCB板体积.

1.5 网络模块

网络模块主要负责与服务器之间进行TCP/IP通信[6]，实现从服务器端下发设备控制权限，从设备端上传操作记录等功能.由于中央控制模块选用的STM32F407内部自带网络MAC控制

图3 网络模块原理图

器，因此，只需要外加一个PHY芯片即可实现网络通信功能.本设计选择LAN8720A[7]，该芯片采用RMII接口与STM32F407通信，占用IO口较少，另加上网络变压器RJ45头（HR91105A）一起组成一个10 M/100 M自适应网卡.网络模块的设计如图3所示.

1.6 存储器

采用SD卡作为权限数据、设备名称数据和操作记录数据的存储器.SD卡采用4位SDIO方式驱动，理论上最大速度可以达到24 MB/S，非常适合高速存储.存储器的设计如图4所示.

1.7 电源模块

电源模块输入为24 V直流，同时输出三路，分别是12 V直流和两路5 V直流，这三路输出是分离的.12 V直流供显示模块使用，5 V直流供继电器模块使用，另一路5V直流经过稳压芯片后转为3.3 V，供其他模块使用.电源模块的设计如图5所示.

2 软件部分

摘挂牌全自动控制系统软件部分主要有主函数、初始化函数、显示函数、读卡函数、网络通信函数、存储函数、权限判断函数和继电器控制函数等.

2.1 读卡函数

读卡模块采用SPI方式与中央控制模块相通信.SPI是一种串行外围设备接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线[8]，其内部结构如图6所示.SPI接口一般使用4条线通信，分别是：MISO，主设备数据输入，从设备数据输出;MOSI，主设备数据输出，从设备数据输入;SCLK，时钟信号，由主设备产生;CS，从设备片选信号，由主设备控制.

图6 SPI内部结构

2.2 网络通信函数

网络通信函数使用LWIP[9]，是TCP/IP的一种实现方式，轻量级IP协议，在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，因此非常适合在低端嵌入式系统中使用.基本的TCP

處理过程被分割为6个功能函数来实现，如图7所示：tcp_input（），tcp_process（）及tcp_receive（）函数与TCP输入有关，tcp_write（），tcp_enqueue（）及tcp_output（）则用于TCP输出.

2.3 存储函数

采用SD卡作为存储器，其中STM32F409的SDIO控制器包含SDIO适配器模块和APB2总线接口两个部分，其功能如图8所示.

工业智能摘挂牌控制器外观如图9所示.操作工和维修工在某工位上进行挂牌操作，设备的操作记录栏会有相应的显示，工位状态也有相应的变化，如图10所示.

3 总结

设计了一款全自动化的工业摘挂牌控制系统，可以有效实现工厂内对电气设备操作的权限

控制，避免因人为因素造成设备异常通电或启动导致的安全事故的发生，对保证工厂内安全生产具有非常重要的意义.

参考文献

[1]陆荣峰，阮一晖，裴桦.安全生产中上锁挂牌制度浅议[J].建筑机械化，2013（5）：79-80.

[2]曾浩，张祺，郑斯凯.基于STM32F407的图像远程采集终端[J].工业控制计算机，2014，27（11）：81-83.

[3]李沂蒙.具有过流与欠压保护功能的电子继电器控制IC设计[D].成都：电子科技大学，2018.

[4]李银平.基于STM32的动态称重分选系统的研发与实现[D].重庆：重庆大学，2016.

[5]肖川.基于STM32的免驱动RFID读卡器设计[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2016（1）：35-37.

[6]刘陶唐，肖川.基于uCOS与uIP的抽象层实现[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2017（2）：60-63.

[7]何勉，许军.基于嵌入式WEB的智能家居系统设计[J].陕西理工大学学报：自然科学版，2017，33（1）：39-43.

[8]陈中，张子睿.基于MSP430单片机的SPI总线通信控制系统研究[J].淮海工学院学报：自然科学版，2018，27（2）：35-40.

[9]石盼，何东伟，徐博铭.基于LWIP的IAP远程升级技术研究[J].机电一体化，2017，23（5）：30-34.

编辑：琳莉

收稿日期：2019-09-11

基金项目：安徽省自然科学基金项目（1808085QE169）;安徽工程大学青年科研基金项目（自然科学类）（2017YQ03）;安徽省高等教育提升计划自然科学研究一般项目（TSKJ2017B24）;安徽工程大学引进人才科研启动基金项目（2016YQQ017）

作者简介：耿树巧（1987-），女，江苏淮安人.博士 ，主要从事电子技术研究;王力超（1986-），男，安徽芜湖人.博士，主要从事电子技术研究.