定制家居柔性化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)信息交互模型

張國(guó)梁，侯曉鵬，蔡振江，邸賀安，王燕龍

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，保定 071000；2. 河北依麗蘭家具有限公司，雄安新區(qū)，071600；3. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；4. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，保定 071000；5. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院，保定 071000）

0 引 言

工業(yè)化 4.0和智能制造的發(fā)展使家居市場(chǎng)及生產(chǎn)方式發(fā)生了較大變化[1-2]，基于較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和對(duì)個(gè)性化需求的適應(yīng)性，大規(guī)模定制（Mass Customization，MC）成為信息時(shí)代家居制造業(yè)發(fā)展的主流模式[3]。定制家居制造企業(yè)在柔性化生產(chǎn)線規(guī)劃和建設(shè)中，皆會(huì)根據(jù)生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)和要求，在某個(gè)工段或某項(xiàng)工藝需求上采購(gòu)某些設(shè)備制造廠家的某種獨(dú)特功能的設(shè)備[4-5]，例如金田豪邁的開料鋸、躍通的木門加工設(shè)備、意瑪?shù)姆膺厵C(jī)或是埃夫特的噴涂機(jī)器人等。這些設(shè)備制造廠商根據(jù)生產(chǎn)成本、功能的不同而采用不同廠家、不同總線的控制系統(tǒng)[6-8]，因此大規(guī)模定制家居制造企業(yè)采購(gòu)這些設(shè)備后，如何將其關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成前后動(dòng)作互動(dòng)、報(bào)警信息關(guān)聯(lián)的柔性化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)信息的前后傳遞成為工業(yè)化4.0背景下急需解決的關(guān)鍵問題[9-10]。

針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)比較深入[11-12]。LoRa技術(shù)在工業(yè)無(wú)線傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[13-14]，使其可用于工廠車間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)[15]，宦娟等[16]基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖塘多傳感信息的遠(yuǎn)程采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。汪鳳珠等[17]基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議構(gòu)建了鹽堿地田間監(jiān)控系統(tǒng)。統(tǒng)一了各種OPC 技術(shù)規(guī)劃的OPC UA具有跨平臺(tái)性、可互操作性、安全可靠[18-19]?；贠PC UA開發(fā)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信中間件[20-22]可通過Modbus TCP/IP協(xié)議讀取數(shù)據(jù)并以統(tǒng)一格式在OPC UA服務(wù)器地址空間中存儲(chǔ)[23]。在農(nóng)機(jī)制造物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)中，PLC可通過OPC Server與多個(gè)工位進(jìn)行信息交互[24-25]。

已有研究為數(shù)據(jù)信息交互和產(chǎn)品的智能制造提供了可以借鑒的思路，但其研究的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的總線類型相對(duì)單一。本文主要針對(duì)定制家居柔性化生產(chǎn)線存在的總線協(xié)議眾多、數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一的問題，研究其控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互方法；使用面向?qū)ο缶幊痰脑O(shè)計(jì)思路，建立數(shù)據(jù)信息交互模型；采用Modbus TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同類型控制器間的信息流轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)傳遞。

1 定制家居柔性化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 定制家居柔性化生產(chǎn)線工藝流程

定制家居的柔性化生產(chǎn)和智能制造一般包括 4個(gè)組成部分，即智能加工中心和生產(chǎn)線、智能化生產(chǎn)控制中心、智能化生產(chǎn)執(zhí)行過程管控和智能化倉(cāng)儲(chǔ)/運(yùn)輸與物流[26]。根據(jù)定制家居的生產(chǎn)工藝，其柔性化生產(chǎn)線如圖 1所示，包含基材分揀、開料、打孔、封邊和包裝等工序。

1.2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

選取圖 1中部分單機(jī)，建立定制家居柔性化生產(chǎn)線模型控制系統(tǒng)，典型的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 定制家居柔性化生產(chǎn)線工藝流程Fig.1 Technological process of flexible production line for customized home furnishing

圖2 定制家居柔性生產(chǎn)線模型控制系統(tǒng)框架Fig.2 Control system structure of flexible production line model for customized home furnishing

根據(jù)定制家居柔性化生產(chǎn)工藝流程，選取的典型工段依次為龍門分揀機(jī)器人、RGV運(yùn)料小車、開料裁板鋸、立體緩存機(jī)器人、U型封邊線、打孔機(jī)器人和終點(diǎn)緩存區(qū)。每個(gè)工段所用控制器的類型各不相同，所對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)部傳輸協(xié)議也有差別[27]。

各工段控制器與總控的數(shù)據(jù)傳輸方式采用基于以太網(wǎng)總線的Modbus TCP/IP協(xié)議?？偪刈鳛榭蛻舳藢?duì)作為服務(wù)器的各工段控制器進(jìn)行讀寫操作，在TIA Portal軟件中，通過調(diào)用Modbus TCP塊庫(kù)中的Modbus TCP Client功能塊實(shí)現(xiàn)通信。而為將各個(gè)工段的控制系統(tǒng)整合到Modbus TCP/IP協(xié)議，需為各工段控制器增加相應(yīng)的硬件設(shè)備或者調(diào)用相應(yīng)的軟件程序，如表1所示。

其中，RTU-EN01為 Modbus TCP 遠(yuǎn)程I/O通訊模塊；TwinCAT Modbus TCP Server是Modbus通訊的驅(qū)動(dòng)軟件程序；S7-1200系列PLC要求固件版本在V2.0及以上；SMART系列PLC要求固件版本在V2.2及以上。調(diào)用MB_Server Library的控制器，其集成的以太網(wǎng)口需支持Modbus TCP/IP協(xié)議。

表1 各工段控制器硬件擴(kuò)展或軟件調(diào)用Table 1 Hardware expansion or software calling of single equipment controllers

2 數(shù)據(jù)信息交互模型與方法設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)信息交互模型總體框架

采用面向?qū)ο缶幊痰脑O(shè)計(jì)思路[28-29]，即以類和對(duì)象對(duì)工段進(jìn)行建模。將柔性化生產(chǎn)線的每一工段定義為一個(gè)類對(duì)象，將該工段完成加工生產(chǎn)所需的輸入/輸出指令和工藝參數(shù)定義為對(duì)象的方法和屬性。

將定制家居柔性化生產(chǎn)線的類分為公共類和私有類 2種，公共類主要面向加工工件信息（加工編號(hào)、長(zhǎng)度、寬度、厚度、數(shù)量）和工段的電氣控制如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、指令輸入、狀態(tài)輸出等，而私有類則主要針對(duì)具體工段的工藝參數(shù)。具體工段類對(duì)象通過繼承父類（私有類）和公共類而建立。

將類對(duì)象的屬性和方法與工段主機(jī) Modbus寄存器地址信息（類型、地址和長(zhǎng)度）建立映射關(guān)系。各工段主機(jī)作為Modbus TCP/IP服務(wù)器，系統(tǒng)總控作為Modbus TCP/IP客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互?；贛odbus TCP/IP協(xié)議的定制家居柔性化生產(chǎn)線模型控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互模型總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)信息交互模型總體框架Fig.3 Overall structure of data information interaction model

2.2 柔性化生產(chǎn)線工段類建模

2.2.1 柔性化生產(chǎn)線公共類設(shè)計(jì)

柔性化生產(chǎn)線的加工對(duì)象是具有一定尺寸和加工編號(hào)信息的板材，通過一個(gè)公共的加工板材類表示；每一工段皆有系統(tǒng)工作/停止、限位、聯(lián)機(jī)總控/單機(jī)運(yùn)行等輸入信號(hào)，通過一個(gè)公共的指令輸入類表示；工段的啟停指示燈、聯(lián)機(jī)/單機(jī)狀態(tài)、超限報(bào)警、電磁閥動(dòng)作等輸出信號(hào)，通過一個(gè)公共的狀態(tài)輸出類表示；驅(qū)動(dòng)電機(jī)可能是伺服電機(jī)或變頻電機(jī)，分別通過一個(gè)公共的伺服電機(jī)類和變頻電機(jī)類表示。使用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML，5個(gè)公共類及屬性定義如圖4所示，從左到右依次為伺服電機(jī)類、變頻電機(jī)類、加工工件類、指令輸入類和狀態(tài)輸出類，每一類中列出了常用的公有屬性。

圖4 公共類設(shè)計(jì)Fig.4 Public classes design

2.2.2 柔性化生產(chǎn)線私有類設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2，定制家居柔性化生產(chǎn)線模型控制系統(tǒng)的工段數(shù)量為7，為每一工段定義一個(gè)私有類，如圖5所示。

圖 5中由左至右的私有類依次對(duì)應(yīng)龍門分揀機(jī)器人工段、RGV運(yùn)料小車工段、開料裁板鋸工段、立體緩存機(jī)器人工段、U型封邊線工段、打孔機(jī)器人工段和終點(diǎn)緩存區(qū)工段。各工段私有類的私有屬性分別對(duì)應(yīng)圖 5中類圖中的字段。需要說明的是，龍門分揀機(jī)器人工段依靠三軸伺服電機(jī)完成基材板從立體原料庫(kù)到輥臺(tái)的傳遞，為此不設(shè)置私有屬性和方法，從公共類中繼承。

圖5 私有類設(shè)計(jì)Fig.5 Private classes design

2.2.3 柔性化生產(chǎn)線工段類繼承關(guān)系

柔性化生產(chǎn)線的7個(gè)私有工段類需繼承5個(gè)公共類。以開料裁板鋸為例，具體的工段對(duì)象與類之間的繼承關(guān)系如圖 6所示并用實(shí)現(xiàn)三角符號(hào)符號(hào)表示。任一工段對(duì)象都將繼承其父類和 5個(gè)公共類的屬性和方法，從而形成具體的生產(chǎn)工段對(duì)象。

圖6 工段類的繼承關(guān)系Fig.6 Inheritance relationship among classes

2.3 數(shù)據(jù)信息交互方法設(shè)計(jì)

建立柔性化生產(chǎn)線工段類對(duì)象的屬性與工段主機(jī)Modbus寄存器地址的映射關(guān)系；由于特定的系統(tǒng)總控對(duì)工段主機(jī)Modbus地址的操作函數(shù)是唯一的，因此將工段類對(duì)象的方法即對(duì)屬性的讀寫命令統(tǒng)一為一個(gè)函數(shù)主體，每次該函數(shù)在使用時(shí)的區(qū)別僅在于根據(jù)屬性類型的不同改變讀寫長(zhǎng)度和讀寫模式，以本文所選的系統(tǒng)總控S7-1500為例，統(tǒng)一的函數(shù)主體是MB_CLIENT。通過上述操作即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互模型與硬件控制系統(tǒng)的實(shí)例化，從而完成交互方法的設(shè)計(jì)。

屬性與Modbus寄存器地址的映射關(guān)系如表2所示。根據(jù)所建工段私有類和公共類的結(jié)構(gòu)，并考慮具體工段開發(fā)時(shí)的功能冗余，以字為單位，設(shè)定工段對(duì)象的屬性占用的地址總數(shù)為200，實(shí)踐表明200個(gè)字的地址空間滿足工藝要求。在地址分配中，5個(gè)公共類和1個(gè)私有父類的屬性和方法各占有確定的地址區(qū)域，以U型封邊線為例，地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表2 Modbus寄存器與對(duì)象映射表Table 2 Mapping table between Modbus register and objects

表3 U型封邊線與Modbus寄存器地址的映射表Table 3 Mapping table between Modbus register and banding line of U type

由表2和表3可以看出，定制家居柔性化生產(chǎn)線的每一工段對(duì)象與工段主機(jī) Modbus寄存器地址具有明確的映射關(guān)系，如此，數(shù)據(jù)信息的寫入和讀取操作只需通過統(tǒng)一的MB_CLIENT函數(shù)針對(duì)確定的地址空間進(jìn)行。

3 數(shù)據(jù)信息交互模型運(yùn)行效果分析

在硬件連接、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)信息交互模型建立的基礎(chǔ)上，通過定制家居柔性化生產(chǎn)線模型的實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行浴?/p>

3.1 數(shù)據(jù)信息交互方法實(shí)例化

系統(tǒng)總控S7-1500作為Modbus TCP/IP客戶端，對(duì)各工段主機(jī)進(jìn)行讀寫操作。以打孔機(jī)器人模型為例，數(shù)據(jù)信息交互程序如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)信息交互程序界面Fig.7 Interactive program of data information

在MB_CLIENT函數(shù)中，參數(shù)MB_MODE對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的讀寫操作，讀操作指總控從工段主機(jī)控制器中讀取參數(shù)和狀態(tài)，寫操作指總控將命令和參數(shù)發(fā)送給工段主機(jī)控制器；通過修改MB_DATA_ADDR對(duì)應(yīng)的起始地址和MB_DATA_LEN對(duì)應(yīng)的通訊長(zhǎng)度來(lái)滿足不同工段的工藝需求。

在 S7-1500中建立針對(duì)工段主機(jī)控制器的信息交互數(shù)據(jù)塊，運(yùn)行狀態(tài)如表4所示，DB塊中的數(shù)據(jù)即為工段類對(duì)象的屬性和方法，與工段主機(jī)Modbus寄存器地址對(duì)應(yīng)并在程序運(yùn)行時(shí)顯示監(jiān)視實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

表4 數(shù)據(jù)信息交互數(shù)據(jù)塊運(yùn)行狀態(tài)Table4 Running status of data information interaction

所建模型采用基于Modbus TCP/IP總線的分布式、模塊化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[30]，使每臺(tái)單機(jī)的交互信息高效、規(guī)范，程序的可讀性高。后期的設(shè)備維護(hù)和新功能開發(fā)只需在DB塊的冗余空間上填寫相關(guān)的變量，底層的硬件地址無(wú)需變動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的更新，簡(jiǎn)單方便。運(yùn)行效果表明不論工段控制系統(tǒng)的類型如何，在TIA Portal軟件中，S7-1500皆即可與其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，為數(shù)據(jù)交互的軟件實(shí)現(xiàn)提供了解決方案。

3.2 數(shù)據(jù)信息交互和采集

3.2.1 數(shù)據(jù)信息交互

定制家居柔性化生產(chǎn)線模型控制系統(tǒng)物理樣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖 8所示。從左至右依次為系統(tǒng)總控、龍門分揀機(jī)器人模型、RGV運(yùn)料小車模型、開料裁板鋸模型、立體緩存機(jī)器人模型、U型封邊線模型、打孔機(jī)器人模型、終點(diǎn)緩存區(qū)模型。

圖8 定制家居柔性生產(chǎn)線模型控制系統(tǒng)物理樣機(jī)Fig.8 Control system physical prototype of flexible production line model for customized home furnishing

以打孔機(jī)器人模型為例，總控與具體工段的數(shù)據(jù)交互效果如圖9所示。

圖9 打孔機(jī)器人模型運(yùn)行狀態(tài)Fig.9 Operating status of punching robot model

圖 9中，在總控設(shè)定速比下，打孔機(jī)器人模型的伺服電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并反饋電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，在總控中輸入打孔零件參數(shù)，則在分機(jī)界面中正確接收此信息并顯示；在分機(jī)中改變的榫孔個(gè)數(shù)和加工面位置信息則正確傳遞給總控。同理，在其他 6個(gè)工段主機(jī)和總控之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互試驗(yàn)，結(jié)果表明數(shù)據(jù)信息交互正確率為100%，且可滿足5 Hz的生產(chǎn)工藝要求。以U型封邊線模型為例，總控發(fā)出200 ms脈沖，并從1開始計(jì)數(shù)至1 000；U型封邊線模型控制器接受此脈沖值，從1開始計(jì)數(shù)至1 000，表明所建數(shù)據(jù)交互模型在5 Hz的采樣頻率下不存在數(shù)據(jù)丟失的問題。

3.2.2 數(shù)據(jù)信息采集

基于所建數(shù)據(jù)交互模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，以立體緩存機(jī)器人、U型封邊線和打孔機(jī)器人為例，出于篇幅考慮，只列出了部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示。表5中，節(jié)點(diǎn)名稱對(duì)應(yīng)工段類對(duì)象的屬性；節(jié)點(diǎn)地址對(duì)應(yīng)工段主機(jī)Modbus寄存器地址；節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)采樣值。由此可見，各工段通過Modbus TCP/IP協(xié)議連接到整個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了硬件總線接口的統(tǒng)一。

表5 數(shù)據(jù)信息采集列表（部分）Table 5 List of collected data (Part)

4 結(jié) 論

本文以板式定制家居柔性化生產(chǎn)線為例，研究數(shù)據(jù)信息交互模型，主要結(jié)論如下。

1）采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，建立了工段類模型和基于Modbus TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)信息交互模型，實(shí)現(xiàn)了不同生產(chǎn)工段間的信息流轉(zhuǎn)和多種控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互；針對(duì)不同的工藝要求，該交互模型易于擴(kuò)展和移植，數(shù)據(jù)傳輸和交互易于實(shí)現(xiàn)。

2）具體應(yīng)用效果表明，基于Modbus TCP/IP協(xié)議和數(shù)據(jù)交互模型的定制定居柔性化生產(chǎn)線模型總控和各工段間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，在5 Hz的采樣和交互頻率下數(shù)據(jù)不丟失，傳輸正確率達(dá)到了100%，滿足板式定制家居柔性化生產(chǎn)線的工藝需求。