基于Niagara的物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

邢 森，閆利文，江津海

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222； 2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350)

0 引 言

智能制造這一概念伴隨德國(guó)工業(yè)4.0的提出而出現(xiàn)，即通過物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)將工業(yè)生產(chǎn)中的原材料供應(yīng)，產(chǎn)品制造，成品銷售等生產(chǎn)流程信息數(shù)據(jù)化、智慧化，從而實(shí)現(xiàn)高速高效私人化的產(chǎn)品供應(yīng)。隨著“中國(guó)智造2025”口號(hào)的提出，我國(guó)制造業(yè)開始了由傳統(tǒng)制造向智能制造的逐步轉(zhuǎn)型[1]。生產(chǎn)線作為產(chǎn)品制造過程必經(jīng)的路線。生產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化是實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)的必要條件[2]。

基于市場(chǎng)的需要，搭建智能化生產(chǎn)線的企業(yè)不段增多。目前，智能化生產(chǎn)線在產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)和設(shè)備故障診斷等方面，受到各設(shè)備之間通訊協(xié)議的兼容問題影響[3]。在生產(chǎn)線升級(jí)設(shè)備和技術(shù)時(shí)，生產(chǎn)線的智能管理系統(tǒng)也需要再次開發(fā)。

筆者提出了基于Niagara應(yīng)用框架開發(fā)平臺(tái)的智能生產(chǎn)線管理系統(tǒng)，該智能生產(chǎn)線管理系統(tǒng)結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)的產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)技術(shù)和故障診斷技術(shù)。在改善上述問題的前提下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線全生產(chǎn)過程的智能控制與信息檢測(cè)。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

該系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化生產(chǎn)線系統(tǒng)。其通過Niagara應(yīng)用框架開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合專家系統(tǒng)分析方法對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制管理。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)應(yīng)用通過具有簡(jiǎn)單的操作頁(yè)面和更加直觀的數(shù)據(jù)視圖人機(jī)交互界面，可以讓管理人員更加清晰的了解生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況與總體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整。以感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)的三層體系架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)線管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)[4]。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 感知識(shí)別層

感知識(shí)別層通常簡(jiǎn)稱為感知層，感知與識(shí)別物體是該層首要功能。感知層由傳感器、讀寫器與攝像頭等具有隨時(shí)隨地監(jiān)控、測(cè)量等感知能力獲取物體信息的設(shè)備和包括GPS/GIS、T2T等終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)關(guān)等無線接入設(shè)備組成[5]，為物聯(lián)網(wǎng)的核心，感知識(shí)別層強(qiáng)調(diào)物聯(lián)網(wǎng)的“物”這一部分[6]，而“物”則解釋為感知到人類所必要的一切信息的終端設(shè)備與技術(shù)，例如RFID、二維碼與識(shí)別器、手機(jī)等[7]。

為了達(dá)成生產(chǎn)線智能化這一功能，系統(tǒng)必須獲取精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。采用溫濕度、壓力、位移、速度等傳感器,用于準(zhǔn)確獲取包含生產(chǎn)線在生產(chǎn)制造時(shí)周圍的工作狀況以及工業(yè)機(jī)器人、機(jī)床與傳送帶等設(shè)備工作時(shí)的運(yùn)行參數(shù)。全面的監(jiān)控與測(cè)量不但對(duì)數(shù)據(jù)量進(jìn)行擴(kuò)容，而且使后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理更加全面，相應(yīng)的提高了容錯(cuò)性。除了工業(yè)中常用的傳感器，還增加了視覺傳感器。視覺傳感器可以同時(shí)獲取更加豐富的數(shù)據(jù)，同步進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)視覺傳感器還擁有極高的靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。視覺傳感器可以同深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，促成更加精確的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。引入視覺傳感技術(shù)促成生產(chǎn)力和自動(dòng)化程度的提升。

1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層又被稱作網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)傳輸層將由感知層獲取的所需數(shù)據(jù)通過各種形式的物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、處理、長(zhǎng)距離傳輸、遠(yuǎn)程查詢與管理等多種功能。網(wǎng)絡(luò)傳輸層所需的關(guān)鍵技術(shù)不僅包括有線和無線的廣域通信網(wǎng)絡(luò)，還需要諸如ZigBee、SigFox與Wi-Fi等接入和承載技術(shù)。

該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)輸入層采用互聯(lián)網(wǎng)作為廣域通信網(wǎng)絡(luò)，Modbus、ZigBee、MQTT等通信協(xié)議接入與承載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與傳感器、PLC、無線訪問接入點(diǎn)(Wireless Access Point，AP)與上位機(jī)軟件依次連接。遵循生產(chǎn)線設(shè)備實(shí)際位置以及誰(shuí)被所需采集的數(shù)據(jù)數(shù)量對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，通過使用Modbus通訊協(xié)議的RS485兼容串口，對(duì)連接口的電纜、信號(hào)位、傳輸波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使PLC同設(shè)備和傳感器之間達(dá)成數(shù)據(jù)通信。PLC不僅接入數(shù)據(jù)采集設(shè)備還接入生產(chǎn)線執(zhí)行端元器件，并采用具有短距、低速、低功耗以及短延時(shí)等特點(diǎn)的Zigbee通信技術(shù)傳輸至AP通過互聯(lián)網(wǎng)向服務(wù)器發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙向通訊。上位機(jī)通過基于客戶端與服務(wù)器之間進(jìn)行信息發(fā)布與訂閱傳輸?shù)腗QTT協(xié)議來達(dá)成遠(yuǎn)程查詢和管理功能[8]。MQTT協(xié)議的基本原理與實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 MQTT協(xié)議基本原理與實(shí)現(xiàn)

1.3 綜合應(yīng)用層

綜合應(yīng)用層又稱應(yīng)用層，其重要功能是利用從感知層采集經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳輸至該層服務(wù)器進(jìn)行分析處理后的數(shù)據(jù)為用戶帶來多種多樣的定制服務(wù)。綜合應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的最終發(fā)展目的，將物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用平臺(tái)融入各領(lǐng)域?qū)I(yè)應(yīng)用中，為各領(lǐng)域向智能化方向發(fā)展提供了可行方案。

自動(dòng)化生產(chǎn)線中所使用的大型設(shè)備、系統(tǒng)以及儀器儀表等多為不同制造商制造生產(chǎn)，其所使用的協(xié)議不盡相同，使數(shù)據(jù)收集與傳輸變得十分困難。這增加了生產(chǎn)、管理和運(yùn)維等部門的任務(wù)量，提高了管理和運(yùn)維的本錢。系統(tǒng)通過Niagara這一用于解決設(shè)備連接問題的物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)，解決了上述問題。同時(shí)系統(tǒng)經(jīng)過對(duì)收集到的數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)智能化生產(chǎn)，并針對(duì)用戶需求進(jìn)行私人定制，將設(shè)備運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、人員與原材料管理等深度結(jié)合，使工廠各部門達(dá)成數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。提升生產(chǎn)與管理效率，減少運(yùn)維的本錢。

智能生產(chǎn)線系統(tǒng)以Niagara物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，用以實(shí)現(xiàn)下述功能。

(1) 生產(chǎn)線運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，例如廠房?jī)?nèi)溫濕度，設(shè)備工作狀態(tài)等。

(2) 通過機(jī)器視覺對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表面質(zhì)量檢測(cè)。

(3) 實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，如設(shè)備故障報(bào)警、高溫報(bào)警、產(chǎn)品質(zhì)量報(bào)警等；。

(4) 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示，提供歷史數(shù)據(jù)曲線與數(shù)據(jù)表格。

(5) 多用戶管理，通過用戶所屬職能設(shè)置不同用戶類型及管理權(quán)限。

(6) 同時(shí)支持用戶于本地和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問與控制。

系統(tǒng)局部邏輯開發(fā)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的局部邏輯開發(fā)

2 系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

在物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)線系統(tǒng)中，軟件的部分功能在Niagara開發(fā)平臺(tái)以外進(jìn)行處理與加工，將數(shù)據(jù)結(jié)果通過MQTT通訊協(xié)議傳入Niagara平臺(tái)進(jìn)行二次加工。

系統(tǒng)融合了基于Faster R-CNN[9]的表面缺陷檢測(cè)技術(shù)，可以在物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)線中實(shí)時(shí)掌握產(chǎn)品的質(zhì)量問題和廢品率，從而及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝等影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素。使用基于故障樹和機(jī)器學(xué)習(xí)的設(shè)備故障診斷技術(shù)可以及時(shí)且有效的發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中設(shè)備出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的問題[10]。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，降低運(yùn)維成本。

2.1 Niagara物聯(lián)網(wǎng)框架開發(fā)平臺(tái)

在Niagara 物聯(lián)網(wǎng)框架開發(fā)平臺(tái)中，通過創(chuàng)建不同類型的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，將人機(jī)交互界面同生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)合進(jìn)工作站內(nèi)開發(fā)的邏輯視圖中。此外，Niagara開發(fā)平臺(tái)內(nèi)的Palette庫(kù)提供了大量的開發(fā)組件，將所需的邏輯和函數(shù)組件直接拖拽到邏輯視圖中即可，這種圖形化的開發(fā)模式不僅降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，使開發(fā)者可以更加關(guān)注于系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在企業(yè)更新設(shè)備和技術(shù)時(shí)，可以保留原有的控制和檢測(cè)設(shè)備。Niagara開發(fā)平臺(tái)自帶的人機(jī)交互開發(fā)模塊可以簡(jiǎn)潔、有效展示生產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)視圖。人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5 人機(jī)交互界面

2.2 基于Faster R-CNN的產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)技術(shù)

產(chǎn)品的表面缺陷檢測(cè)可以有效的杜絕或減少殘次品流入市場(chǎng)。而機(jī)器視覺技術(shù)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線智能化和精密控制的有效手段，具有可靠性高、檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快、成本低和適用性廣等突出優(yōu)點(diǎn)。

采用基于Faster R-CNN的產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)技術(shù)，首先通過Convlayers層對(duì)圖像進(jìn)行特征提取，然后利用RPN層生成檢測(cè)框，最后運(yùn)用Fast R-CNN對(duì)檢測(cè)框內(nèi)圖像進(jìn)行分類。Faster R-CNN網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Faster R-CNN網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)

Faster R-CNN的損失主要分為RPN損失和Fast R-CNN損失，且兩部分損失都包含分類損失和回歸損失。總損失函數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

系統(tǒng)中RPN網(wǎng)絡(luò)的分類損失函數(shù)采用二分類對(duì)數(shù)損失函數(shù)，損失函數(shù)公式：

(2)

而在Fast R-CNN網(wǎng)絡(luò)的分類損失函數(shù)采用多分類交叉熵?fù)p失，損失函數(shù)公式：

(3)

兩部分損失函數(shù)的回歸損失均采用smothL1函數(shù)。損失函數(shù)公式：

(4)

區(qū)別只在于在RPN訓(xùn)練時(shí)，σ=3而在Fast R-CNN訓(xùn)練時(shí)，σ=1。

可有效識(shí)別產(chǎn)品表面的不同缺陷，且具有較高的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，引入Niagara開發(fā)出產(chǎn)品表面質(zhì)量檢測(cè)界面，如圖7所示。

圖7 產(chǎn)品表面質(zhì)量檢測(cè)界面

2.3 生產(chǎn)線設(shè)備故障預(yù)測(cè)分析

伴隨著工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)于生產(chǎn)線設(shè)備的要求不斷提高。企業(yè)的收益與生產(chǎn)設(shè)備在無故障狀態(tài)下安全運(yùn)行息息相關(guān)。這需要一種對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備故障進(jìn)行提前預(yù)警的方法，以降低對(duì)正常生產(chǎn)秩序的影響。而現(xiàn)階段生產(chǎn)線設(shè)備都處于以定時(shí)維護(hù)為主，輔以工程師對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判斷的預(yù)測(cè)方式。這不但會(huì)出現(xiàn)在設(shè)備發(fā)生問題時(shí)無法第一時(shí)間判斷出故障原因的情況，還有可能因?yàn)榉乐构收习l(fā)生而進(jìn)行維修過剩的情況。

而伴隨物聯(lián)網(wǎng)與以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)的引入，使生產(chǎn)線設(shè)備故障預(yù)測(cè)技術(shù)成為可能。工程師通過專業(yè)知識(shí)，分析設(shè)備故障的產(chǎn)生原因，以此建立設(shè)備故障樹模型。依照故障樹模型對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備故障問題進(jìn)行標(biāo)簽化分類。同經(jīng)過邊緣計(jì)算處理的設(shè)備數(shù)據(jù)集一起，搭建生產(chǎn)線設(shè)備故障預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。并將此模型引入生產(chǎn)先管理系統(tǒng)，系統(tǒng)故障診斷預(yù)警界面如圖8所示。

圖8 故障診斷預(yù)警界面

3 結(jié) 語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，文中提出的系統(tǒng)圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Niagara開發(fā)平臺(tái)具有豐富接口的特點(diǎn)。從不同的系統(tǒng)整合信息，引入機(jī)器視覺傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品表面缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以更加準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和排除廢品。引入生產(chǎn)線設(shè)備故障預(yù)測(cè)技術(shù)，改善傳統(tǒng)設(shè)備維護(hù)存在的隱患。但在生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)備與技術(shù)升級(jí)時(shí)，故障預(yù)警模型需要重新設(shè)計(jì)，還有改進(jìn)的空間。通過系統(tǒng)簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面，生產(chǎn)和維護(hù)等部門可以便捷有效的對(duì)生產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線智能管理。