基于GPRS的智能彎箍機(jī)檢測控制系統(tǒng)開發(fā)

丁承君+李宗奎+朱雪宏+馮玉伯+齊春輝

摘 要： 為實(shí)現(xiàn)鋼筋彎箍機(jī)制造商對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及提高維修和管理效率，設(shè)計(jì)了一套基于GPRS的智能彎箍機(jī)檢測控制系統(tǒng)。以STM32F103RCT6單片機(jī)為主芯片，采集現(xiàn)場溫濕度、主軸加速度以及設(shè)備PLC的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過GPRS模塊W801G把數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控客戶端。管理人員可通過監(jiān)控客戶端的上位機(jī)觀測到遠(yuǎn)程終端的信息并對其進(jìn)行控制，其中監(jiān)控客戶端的上位機(jī)使用LabVIEW開發(fā)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)傳輸可靠，能夠滿足對彎箍機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測控制的要求。

關(guān)鍵詞： 彎箍機(jī)； GPRS； 監(jiān)控客戶端； LabVIEW； 智能彎箍機(jī)； 檢測控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN876?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）05?0159?04

Abstract： In order to realize the remote monitoring of the equipment and improve the efficiency of maintenance and ma?nagement， a GPRS?based intelligent detection control system of hoop?bending machine was designed. The STM32F103RCT6 is taken as the main chip to collect the site temperature and humidity， principal?axis acceleration and related data of the PLC， and transmit the data to the monitoring client through the GPRS module W801G. Managers can monitor and control the information of the remote terminal through the monitoring client′s upper computer developed by LabVIEW. The test results show that the system has normal operation and reliable data transmission， and can meet the requirements of the hoop?bending machine for remote detection control.

Keywords： hoop?bending machine； GPRS； monitoring client； LabVIEW； intelligent hoop?bending machine； detection control system

隨著現(xiàn)代社會城市化的快速發(fā)展，各種形狀的鋼筋制品在建筑行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，需求量越來越大[1?3]。彎箍機(jī)作為實(shí)現(xiàn)鋼筋加工成型的主要設(shè)備，需求量也因此隨之增高[4]。世界經(jīng)濟(jì)一體化和企業(yè)全球化的快速發(fā)展使得彎箍機(jī)制造商的設(shè)備遍布在世界各個(gè)角落，這樣就給彎箍機(jī)制造商帶來了維修效率的挑戰(zhàn)，設(shè)備一旦發(fā)生故障，維修人員則需要到設(shè)備現(xiàn)場檢測維修，這樣就使制造商的維修成本居高不下，并且維修效率低下，對彎箍機(jī)制造商來講，如果不能及時(shí)對設(shè)備進(jìn)行維修，將最終導(dǎo)致企業(yè)降低客戶滿意度，進(jìn)而失去市場占有率[5]。而對彎箍機(jī)客戶來講，設(shè)備的可靠性和可維護(hù)性直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)加工，如果設(shè)備發(fā)生故障卻得不到及時(shí)維修，將極大地影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[5?6]。針對這一現(xiàn)狀，本文結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智能彎箍機(jī)檢測控制系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)制造商對彎箍機(jī)的遠(yuǎn)程檢測控制，提高維修效率。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

檢測控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程終端、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控客戶端三部分組成，系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖1所示，遠(yuǎn)程終端主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場溫濕度、加速度、GPS等傳感器以及PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并根據(jù)監(jiān)控客戶端命令監(jiān)控現(xiàn)場彎箍機(jī)；通信網(wǎng)絡(luò)包括GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后再轉(zhuǎn)到Internet網(wǎng)絡(luò)，最終到達(dá)監(jiān)控客戶端；監(jiān)控客戶端負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上顯示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控、地圖顯示、操作日志查詢、報(bào)警顯示等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程終端包括STM32微處理器、GPRS通信模塊、GPS模塊、傳感器和PLC等主要模塊，如圖2所示為遠(yuǎn)程終端的結(jié)構(gòu)示意圖，GPRS模塊自帶天線接口和SIM接口。本系統(tǒng)以STM32F103RCT6嵌入式處理器為核心對現(xiàn)場溫濕度、加速度、GPS等傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集以及對PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制，其中PLC是控制彎箍機(jī)的邏輯控制器，處理器自帶的SPI Flash模塊用于數(shù)據(jù)存儲，現(xiàn)場顯示部分由觸摸屏實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過GPRS無線模塊W801G傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控客戶端。

2.1 微處理器模塊

遠(yuǎn)程終端采用STM32F103RCT6作為微處理器，它是ST公司生產(chǎn)的一款低成本、低功耗、高性能的32位單片機(jī)[7]，采用ARM V7架構(gòu)，具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，84個(gè)中斷，16級可編程優(yōu)先級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入，工作溫度范圍為-40～85 ℃，工作電源為DC 3.3～5 V。微處理器對現(xiàn)場溫濕度、加速度、GPS和PLC的數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行解碼，然后通過GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測控制。

2.2 PLC

遠(yuǎn)程彎箍機(jī)的控制器采用匯川H2U?2416PLC，具有24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出，輸入電壓為AC 220 V，包含兩個(gè)獨(dú)立物理串行通信口，分別命名為COM0和COM1。COM0具有編程、監(jiān)控功能，若需要也可由用戶定義為其他功能，COM1功能完全由用戶自由定義。COM0硬件為標(biāo)準(zhǔn)RS 485和RS 422，兩者兼容，接口端子為8孔鼠標(biāo)頭母座。COM1硬件為RS 485，接口為接線端子，在本系統(tǒng)中PLC與處理器采用RS 485協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。此PLC具有體積小、調(diào)試方便、成本低等優(yōu)勢，滿足對彎箍機(jī)控制的需求。endprint

2.3 傳感器

遠(yuǎn)程終端上連接了1個(gè)溫濕度傳感器和2個(gè)加速度傳感器。溫濕度傳感器使用DHT11模塊，通信方式采用串行通信（單線雙向）。具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，溫度測量范圍為0～50 ℃，測量誤差±2 ℃；濕度測量范圍為20%～95%（0～50 ℃范圍），濕度測量誤差為±5%，工作電源為DV 3.3～5 V。加速度傳感器用來檢測彎箍機(jī)中心軸振動頻率，采用GY?9250模塊，陀螺儀范圍為2 000 （°）/s，加速度范圍為磁場范圍為±4 800 μT，與處理器連接采用I2C通信協(xié)議。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊采用北京天同誠業(yè)科技有限公司的W801G模塊，圖3是W801G模塊與STM32單片機(jī)的連接圖。W801G模塊與微處理器模塊通過串口相連，W801G模塊的TXD1和RXD1管腳分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。此外，W801G模塊還提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示接口，LCDBL_LED引腳的輸出脈沖信號用于控制LED 燈，作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)的指示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程終端軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程終端工作流程圖如圖4所示，系統(tǒng)上電后STM32和GPRS模塊首先初始化，然后等待監(jiān)控客戶端上位機(jī)配置參數(shù)發(fā)起連接，成功連接后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，管理人員在監(jiān)控客戶端發(fā)出指令，經(jīng)GPRS模塊傳給STM32，依據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集或是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制；當(dāng)采集到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)再經(jīng)GPRS模塊反饋給監(jiān)控客戶端，期間如果監(jiān)控客戶端關(guān)閉上位機(jī)程序，則斷開連接。

3.1.1 串口初始化

STM32和GPRS通信模塊采用串口相連，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往監(jiān)控客戶端，數(shù)據(jù)在串口中的傳輸都是以幀的形式進(jìn)行，起始位為1位，數(shù)據(jù)位為8位，停止位1位，波特率為9 600 b/s。下面是設(shè)置串口初始化的主要程序：

void uart_init（u32 pclk2，u32 bound）

{

float temp；

u16 mantissa；

u16 fraction；

temp=（float）（pclk2*1000000）/（bound*16）；

//得到USARTDIV

mantissa=temp； //得到整數(shù)部分

fraction=（temp?mantissa）*16； //得到小數(shù)部分

mantissa<<=4；

mantissa+=fraction；

RCC?>APB2ENR|=1<<2； //使能PORTA口時(shí)鐘

RCC?>APB2ENR|=1<<14； //使能串口時(shí)鐘

GPIOA?>CRH&=0XFFFFF00F； //I/O狀態(tài)設(shè)置

GPIOA?>CRH|=0X000008B0； //I/O狀態(tài)設(shè)置

RCC?>APB2RSTR|=1<<14； //復(fù)位串口1

RCC?>APB2RSTR&=～（1<<14）； //停止復(fù)位

//波特率設(shè)置

USART1?>BRR=mantissa； //波特率設(shè)置

USART1?>CR1|=0X200C； //1位停止，無校驗(yàn)位

#if EN_USART1_RX //如果使能了接收

//使能接收中斷

USART1?>CR1|=1<<8； //PE中斷使能

USART1?>CR1|=1<<5； //接收緩沖區(qū)非空中斷使能

MY_NVIC_Init（3，3，USART1_IRQChannel，2）；

//組2，最低優(yōu)先級

#endif

}

3.1.2 傳感器數(shù)據(jù)采集

在遠(yuǎn)程現(xiàn)場，STM32主要采集現(xiàn)場的溫濕度和主軸振動頻率，當(dāng)監(jiān)控客戶端下達(dá)采集指令時(shí)，通過GPRS模塊傳達(dá)給STM32，STM32對指令進(jìn)行分析后采集數(shù)據(jù)，以溫濕度傳感器為例，下面是采集數(shù)據(jù)的主要程序：

while（1）

{

if（t%10==0） //每100 ms讀取一次

{

DHT11_Read_Data（&temperature，&humidity）；

//讀取溫濕度值

LCD_ShowNum（60+40，150，temperature，2，16）； //讀取溫度

LCD_ShowNum（60+40，170，humidity，2，16）； //讀取濕度

}

delay_ms（10）；

}

3.2 監(jiān)控客戶端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控客戶端的上位機(jī)界面采用NI公司的LabVIEW軟件設(shè)計(jì)，LabVIEW提供很多外觀和現(xiàn)實(shí)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可方便地創(chuàng)建用戶界面，監(jiān)控客戶端畫面中帶有使用PLC型號，可以讓操作人員更直觀地了解到現(xiàn)場使用設(shè)備信號，及時(shí)針對不同型號制定不同的管理方案，便于監(jiān)控人員使用[8?9]。監(jiān)控客戶端用于處理遠(yuǎn)程終端上傳的數(shù)據(jù)，分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否正常，并根據(jù)分析結(jié)果做出回應(yīng)并下傳指令，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。上位機(jī)軟件的功能模塊如圖5所示。

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1） 數(shù)據(jù)監(jiān)控和讀取GPS。讀取PLC以及傳感器的數(shù)據(jù)并在上位機(jī)界面顯示，便于分析現(xiàn)場情況。針對設(shè)備故障問題，管理人員在上位機(jī)中修改PLC的數(shù)據(jù)，以便廠家遠(yuǎn)程解決問題；考慮到制造商想要方便地查看各設(shè)備的分布情況，系統(tǒng)還采集GPS定位信息，并在上位機(jī)上顯示地圖分布，方便廠家做出戰(zhàn)略調(diào)整。endprint

2） 用戶管理功能。考慮到系統(tǒng)的安全性，上位機(jī)需要輸入正確的用戶名和密碼才能登錄，根據(jù)權(quán)限使用人員分為操作員和管理員，操作員只能夠?qū)h(yuǎn)程設(shè)備實(shí)施檢測控制維護(hù)等功能；而管理員比操作員多了增刪用戶、更改用戶權(quán)限和密碼的功能，這樣就避免了非權(quán)限人員對系統(tǒng)進(jìn)行的操作，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，方便管理。

3） 系統(tǒng)報(bào)警功能。在連接某個(gè)設(shè)備后，如若有報(bào)警，會立即在上位機(jī)中顯示報(bào)警指示燈，并且會彈出報(bào)警提示框提示報(bào)警的信息，還可以查看報(bào)警記錄，便于廠家分析報(bào)警原因。

4） 設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫。在上位機(jī)中建立設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫，當(dāng)發(fā)出設(shè)備以及更換設(shè)備等操作時(shí)，管理人員都要對設(shè)備使用進(jìn)行記錄從而做到設(shè)備檔案詳細(xì)，便于處理設(shè)備維修及設(shè)備保修期問題。

5） 日志管理。系統(tǒng)采取全面的日志管理機(jī)制。對數(shù)據(jù)的每次操作，都將詳細(xì)記錄操作時(shí)間、操作者以及進(jìn)行的操作等信息，操作及其對象將被記錄在操作日志數(shù)據(jù)庫中。日志記錄可以全部或按條件部分進(jìn)行顯示與瀏覽，以方便管理人員查看分析。

4 測 試

管理人員通過監(jiān)控客戶端上位機(jī)設(shè)置選擇需要連接的設(shè)備，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程設(shè)備通信，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控客戶端并實(shí)時(shí)顯示，圖6為監(jiān)控客戶端實(shí)時(shí)檢測到彎箍機(jī)PLC的狀態(tài)圖，測試結(jié)果證明系統(tǒng)能夠有效地完成數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了管理人員遠(yuǎn)程登錄檢測控制彎箍機(jī)的功能，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

本文提出一套基于GPRS的智能彎箍機(jī)檢測控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程終端采用STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控客戶端，使管理人員可隨時(shí)查看彎箍機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，不受設(shè)備安裝距離的影響，并進(jìn)行設(shè)備故障診斷分析和維護(hù)。

本系統(tǒng)對于國民經(jīng)濟(jì)而言，可加強(qiáng)我國制造業(yè)在全球化市場上的競爭力，對我國裝備制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本系統(tǒng)已經(jīng)在建科機(jī)械（天津）股份有限公司批量使用，實(shí)際效果表明，該系統(tǒng)功能正常，運(yùn)行可靠，滿足彎箍機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要，對于以后升級3G/4G系統(tǒng)具有參考意義。

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