耿樹巧 王力超

摘?要：設計一種工業(yè)智能摘掛牌控制系統(tǒng)，可實現對廠內電氣設備的權限控制.設計主要包括中央控制模塊、繼電器模塊、顯示模塊、讀卡模塊、網絡模塊、存儲器和電源模塊.該控制系統(tǒng)可以避免人為因素造成設備異常通電或啟動，有效降低工廠安全生產事故發(fā)生概率.

關鍵詞：摘掛牌;工業(yè)控制;STM32

[中圖分類號]TP23?[文獻標志碼]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

保障安全生產是現代工廠制定管理制度的重中之重.在正常生產過程中，各種設備會經歷生產、檢修和停機3個過程.為了控制生產和檢修工作的安全風險，尤其是預防因設備的異常通電或啟動而導致安全事故的發(fā)生，許多工廠制定并實施了設備電氣柜摘掛牌管理制度[1]，就是操作工在操作設備進行生產時，在設備電氣柜規(guī)定位置掛上一個操作牌，提示其他工人禁止關閘;檢修工在檢修設備時，在設備電氣柜規(guī)定位置掛上一個操作牌，提示其他工人禁止合閘.傳統(tǒng)的摘掛牌管理制度依靠人為遵守，存在弊端：工人在操作設備前如果忘記掛牌，很可能造成嚴重的安全生產事故;工人在完成相關工作后忘記摘牌，導致其他工種按照管理制度無法進行后續(xù)操作，很可能影響工廠的生產效率;操作牌掛在設備電氣柜規(guī)定位置上，容易被“別有用心”的人故意取走，從而造成安全生產事故.如若安排管理人員值守，又會增加大量的人力成本.因此，設計一套全自動化的工業(yè)智能摘掛牌控制系統(tǒng)非常有必要.本文設計一款摘掛牌控制系統(tǒng)，可以有效減少因人為疏忽導致發(fā)生安全生產事故的概率，通過科技手段確保工廠摘掛牌管理制度能夠貫徹執(zhí)行.

1?硬件部分

工業(yè)智能摘掛牌控制系統(tǒng)的主要設計思想：通過微型控制單元根據事先設定好的控制邏輯關系對繼電器進行控制，從而實現對電氣設備的合閘/關閘動作.系統(tǒng)總體架構可分為以下幾個部分：中央控制模塊、繼電器模塊、顯示模塊、讀卡模塊、網絡模塊、存儲器和電源模塊.系統(tǒng)總體架構如圖1所示.

1.1?中央控制模塊

中央控制模塊是意法半導體的STM32F407.[2]中央控制模塊主要負責與顯示模塊、讀卡模塊、網絡模塊和存儲器之間的信息交互，并按照工廠的摘掛牌管理制度實現預先設定的邏輯判斷功能，從而控制對應繼電器模塊的通斷.

1.2?繼電器模塊

繼電器模塊由中央控制模塊直接控制其通斷.[3]由于繼電器模塊外接各種電氣設備，所以必須用光耦做好強電和弱電之間的隔離，防止因外部故障反向擊穿中央控制模塊，燒壞摘掛牌全自動控制系統(tǒng).繼電器模塊的設計如圖2所示.

圖2?繼電器模塊原理圖

1.3?顯示模塊

顯示模塊選用北京迪文科技有限公司生產的迪文DGUS屏.[4]該顯示屏把GUI分解成控件并按照頁面來配置，控件顯示直接由變量控制，中央控制模塊僅僅需要通過串口改寫變量值即可實現控件顯示的相應改變.當觸摸屏或鍵盤錄入時，中央控制模塊僅需要通過參數改變時的串口中斷觸發(fā)來讀取錄入變量值即可，使用非常方便.

1.4?讀卡模塊

讀卡模塊設計以工牌作為摘掛牌操作的唯一身份識別方式.硬件選用RC522?RFID射頻IC卡感應模塊，該模塊具有低電壓、體積小、低成本的優(yōu)點.[5]模塊采用3.3?V工作電壓，通過SPI接口直接與中央控制模塊相連接通信，有利于減少連線，縮小PCB板體積.

1.5?網絡模塊

網絡模塊主要負責與服務器之間進行TCP/IP通信[6]，實現從服務器端下發(fā)設備控制權限，從設備端上傳操作記錄等功能.由于中央控制模塊選用的STM32F407內部自帶網絡MAC控制

圖3?網絡模塊原理圖

器，因此，只需要外加一個PHY芯片即可實現網絡通信功能.本設計選擇LAN8720A[7]，該芯片采用RMII接口與STM32F407通信，占用IO口較少，另加上網絡變壓器RJ45頭（HR91105A）一起組成一個10?M/100?M自適應網卡.網絡模塊的設計如圖3所示.

1.6?存儲器

采用SD卡作為權限數據、設備名稱數據和操作記錄數據的存儲器.SD卡采用4位SDIO方式驅動，理論上最大速度可以達到24?MB/S，非常適合高速存儲.存儲器的設計如圖4所示.

1.7?電源模塊

電源模塊輸入為24?V直流，同時輸出三路，分別是12?V直流和兩路5?V直流，這三路輸出是分離的.12?V直流供顯示模塊使用，5?V直流供繼電器模塊使用，另一路5V直流經過穩(wěn)壓芯片后轉為3.3?V，供其他模塊使用.電源模塊的設計如圖5所示.

2?軟件部分

摘掛牌全自動控制系統(tǒng)軟件部分主要有主函數、初始化函數、顯示函數、讀卡函數、網絡通信函數、存儲函數、權限判斷函數和繼電器控制函數等.

2.1?讀卡函數

讀卡模塊采用SPI方式與中央控制模塊相通信.SPI是一種串行外圍設備接口，是一種高速的、全雙工、同步的通信總線[8]，其內部結構如圖6所示.SPI接口一般使用4條線通信，分別是：MISO，主設備數據輸入，從設備數據輸出;MOSI，主設備數據輸出，從設備數據輸入;SCLK，時鐘信號，由主設備產生;CS，從設備片選信號，由主設備控制.

圖6?SPI內部結構

2.2?網絡通信函數

網絡通信函數使用LWIP[9]，是TCP/IP的一種實現方式，輕量級IP協(xié)議，在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，因此非常適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用.基本的TCP

處理過程被分割為6個功能函數來實現，如圖7所示：tcp_input（），tcp_process（）及tcp_receive（）函數與TCP輸入有關，tcp_write（），tcp_enqueue（）及tcp_output（）則用于TCP輸出.

2.3?存儲函數

采用SD卡作為存儲器，其中STM32F409的SDIO控制器包含SDIO適配器模塊和APB2總線接口兩個部分，其功能如圖8所示.

工業(yè)智能摘掛牌控制器外觀如圖9所示.操作工和維修工在某工位上進行掛牌操作，設備的操作記錄欄會有相應的顯示，工位狀態(tài)也有相應的變化，如圖10所示.

3?總結

設計了一款全自動化的工業(yè)摘掛牌控制系統(tǒng)，可以有效實現工廠內對電氣設備操作的權限

控制，避免因人為因素造成設備異常通電或啟動導致的安全事故的發(fā)生，對保證工廠內安全生產具有非常重要的意義.

參考文獻

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編輯：琳莉

收稿日期：2019-09-11

基金項目：安徽省自然科學基金項目（1808085QE169）;安徽工程大學青年科研基金項目（自然科學類）（2017YQ03）;安徽省高等教育提升計劃自然科學研究一般項目（TSKJ2017B24）;安徽工程大學引進人才科研啟動基金項目（2016YQQ017）

作者簡介：耿樹巧（1987-），女，江蘇淮安人.博士?，主要從事電子技術研究;王力超（1986-），男，安徽蕪湖人.博士，主要從事電子技術研究.