基于云平台的PCB 产线能耗监测系统设计

2022-07-22虞晓琼刘序平陈睿杰

现代制造技术与装备 2022年5期

虞晓琼蒋键刘序平陈睿杰

（1.东莞职业技术学院，东莞 523808；2.广东合通建业科技股份有限公司，东莞 523808）

我国的印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）生产企业有49.5%集中在珠三角，数量约为1 173 家。这些企业在生产过程中会消耗大量电能。以东莞一家中小型PCB 生产企业为例，该企业拥有各工序设备23 台，年耗电数百万千瓦时，年度电费达到300 多万元。在用电高峰季，多地还会采取限电措施，对企业生产影响显著。因此，对PCB 生产流程中各个环节的用电量及产量进行分项统计，为制定合理的生产计划提供数据支持成为急需解决的问题。当机器设备不使用时，停机停水可以显著减少能耗费用[1]。采集车间的温湿度数据，可为评估空调系统的效果和优化系统提供数据基础。源于以上需求，本文设计了一套基于云平台的PCB 产线能耗监测系统，可实时监测设备的能耗和产量，采集车间温湿度信息，从而及时发现设备空转、故障等情况，同时量化空调系统效果，以便于管理者及时调整生产来降低企业的电费开支，提高产线的运行效率。

1 系统总体设计

本系统采用无线传感器网络连接，由多个数据采集终端、数据网关和云平台构成，如图1 所示。数据采集终端安装在PCB 生产设备上，实时采集能耗、产量、温湿度环境信息，并按照指定的格式，经ZigBee 无线网络将数据定向传输给数据网关。数据网关处理接收的数据，通过WiFi 连接到互联网并上传到云平台。云平台将各项数据进行可视化处理后，用户可以通过手机、电脑等终端随时查看生产设备和车间环境的信息[2]。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集终端

数据采集终端安装在生产设备上，负责采集PCB生产设备的能耗和产量，并采集其感知半径内的环境信息。数据采集终端数量可根据工厂规模调整。终端可以安装电流互感器、光电传感器以及温湿度传感器等，还可以根据用户需求添加其他传感器。根据用户需求，每个终端可以配置一个传感器或同时配置多个传感器。

2.1.1 主处理器CC2530

CC2530 是TI 德州仪器用于ZigBee 通信的系统芯片。它集成了卓越性能的射频收发器与增强8051MCU，可编程闪存，且有许多其他功能。CC2530提供了ZigBee 协议栈（Z-Stack ™），使得开发者可以快速进行应用系统开发。CC2530 有CC2530F32、CC2530F64、CC2530F128、CC2530F256 共4 种不同的型号Flash 版本，分别具有32 kB、64 kB、128 kB、256 kB 的Flash 内存[3]。本系统选用CC2530F256，配备256 kB 的Flash 闪存。

2.1.2 电流互感器

系统采用电流互感器（Current Transformer，CT）采集U、V、W 三相的电流信号，如图2 所示。因为主处理器不能直接处理电流信号，所以系统采用信号调理电路将电流互感器输出信号转换为0 ～3.3 V 的电压信号。信号调理电路包括电流转换电路、滤波电路和电压转换电路。电流转换电路通过电阻、电容等外围分立器件，将电流信号转化为电压信号。滤波电路通过阻容电路和集成运放实现电信号的低通滤波。电压转换电路通过模拟器件LTC1966 将交流信号转换为与其有效值成正比的直流电压信号，并对输出的电压信号进行0 ～3.3 V 的限幅。工业电压的值是确定的，将电流值与电压值相乘即可得到能耗的参考值。

2.1.3 光电传感器

光电传感器集成了一对红外发射和接收管。发射管发出红外线，红外线遇到障碍物（反射面）时被反射回来，接收管接收到红外线后，OUT 引脚输出的信号发生变化。它经常被用来确定前方是否有障碍[4]。障碍物距离的阈值可以用电位器调节。将光电传感器安装在设备传送滚筒上方，发射管对准滚筒之间的空隙。当滚筒上没有PCB 板时，发射管发出的红外线无法反射回来，接收管无信号。当PCB 板通过传送滚筒时，光电传感器OUT 引脚的输出电平由低电平转变为高电平。

2.1.4 温湿度传感器

系统采用DHT11 进行温湿度采集，配有专用的NTC 来测量温度和集成的8 位微控制器，从而将温度和湿度值数据串行输出给主处理器。

2.2 数据网关

数据网关安装在WiFi 信号良好并便于人员观察的位置。终端将采集的数据通过ZigBee 无线网络发送到网关，待网关进行数据处理后传输到云平台。网关不仅负责接收和处理传感节点发送的传感数据，还负责接收来自监控中心的指令。若数据有异常，网关进行声光报警并将信息发送到云平台。

2.2.1 显示和声光报警

数据网关的主处理器是CC2530，接入液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）、蜂鸣器和发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）等，进行数据显示和声光报警。

2.2.2 WiFi 模块

如图3 所示，系统使用的WiFi 模块是ESP8266，具有封装尺寸小、功耗超低的特点，可通过UART 接口连接到主处理器CC2530。ESP8266 专注于移动终端和物联网应用，可将用户的物理设备便捷地连接到WiFi 网络，实现互联网或局域网的通信。

3 系统软件设计

PCB 产线能耗监测系统可分为数据采集终端、数据网关和OneNET 云服务器3 大部分[5]。数据采集终端节点负责接收传感器数据并发送给网关。网关将多个终端节点采集的PCB 产线数据和环境数据进行汇总和处理，并上传到OneNET 服务器，以供用户远程查看。此外，当PCB 产线或环境出现异常时，网关的LCD 屏上会显示数据异常的报警信息。OneNET云服务器负责接收数据网关上传的数据，并进行统计和保存，然后以人性化图形进行显示，以便于管理人员观察和管理。

3.1 软件总体设计

数据采集终端和数据网关的主处理器都是CC2530，软件总体架构类似。系统上电后，先进行软件系统初始化和资源初始化。软件系统初始化是初始化一些变量，包括操作系统抽象层（Operating System Abstraction Layer，OSAL）任务表、任务结构体和序列号。资源初始化主要对内存大小、中断系统、NV 等各种设备模块资源进行分配，然后OSAL 通过osal_add_task 将传感器信号读取、数据打包、数据发送等任务添加到任务表中形成链表，并按优先级进行先后排序。优先级高的先运行，优先级低的后运行，任务之间通过消息队列的方式进行通信，最后以一个无限循环的形式运行系统。软件流程图如图4 所示。

3.2 云平台接入

OneNET 云平台是中国移动面向物联网的平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS）的开放平台，具有开发成本低、稳定性高及开发周期短等优点。平台可以实现设备离线、修改、认证、激活及创建等整个生命周期的管理，并提供了丰富的开发工具和多种应用程序接口（Application Program Interface，API），还能将终端数据准确、详尽地存档。该平台支持Modbus、消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）等访问协议。

4 系统测试

通过调试，本PCB 产线能耗监测系统可以正常工作。用户通过电脑直接访问OneNET 网址或者使用手机App 点击PCB 产线能耗监测系统，可进入平台设备管理界面。测试阶段，两台设备被接入监测系统，管理系统界面如图5 所示。管理系统界面包括两部分，左侧是设备能耗和产量信息，右侧是环境信息。此外，左侧上方两个折线图分别代表设备1 和设备2 的能耗数据，左侧下方两个折线图标识两台设备的产量数据，而右侧的环境监控界面分别显示了一楼车间和二楼车间的温度数据和湿度数据。