一種智能裝配生產(chǎn)線云監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

邢明亮，鄧三鵬，周旺發(fā)，佘明輝

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機器人及智能裝備研究院，天津 300222；2.天津市智能機器人技術(shù)及應(yīng)用企業(yè)重點實驗室，天津 300350；3.天津博諾智創(chuàng)機器人技術(shù)有限公司，天津 300350；4.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351119）

0 引言

目前，大多數(shù)的裝配生產(chǎn)線是通過人工進行現(xiàn)場監(jiān)測，在人口紅利逐漸消失的大環(huán)境下，給企業(yè)帶來了巨大的成本壓力[1]。針對這一現(xiàn)象，以包括工業(yè)機器人，PLC，RFID 和智能相機等設(shè)備的智能裝配生產(chǎn)線為例，開發(fā)一套實用的云監(jiān)控系統(tǒng)，通過云端服務(wù)器的運行能力進行數(shù)據(jù)處理以及遠程監(jiān)控，完成產(chǎn)品裝配生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動、實時、準(zhǔn)確采集及可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)了裝配生產(chǎn)線的透明化管理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

云監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)可分為4 層，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層和設(shè)備層。應(yīng)用層主要負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，并完成與工作人員的交互。網(wǎng)絡(luò)層在系統(tǒng)中起承上啟下的作用，向上通過HTTP通信協(xié)議接受業(yè)務(wù)要求，向下通過MQTT 通信協(xié)議接受網(wǎng)關(guān)傳輸來的數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)讀寫數(shù)據(jù)和緩存數(shù)據(jù)等操作，并下達指令要求?？刂茖雍驮O(shè)備層緊密結(jié)合，實現(xiàn)了生產(chǎn)資源的高度集成，同時可實時采集多源數(shù)據(jù)，并將其傳送至MySQL 云數(shù)據(jù)庫。設(shè)備層中的傳感器、智能相機及工業(yè)機器人等設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)、RFID 識別、無線網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，再通過控制層的PLC、觸摸屏HMI 及監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)控制生產(chǎn)設(shè)備的功能，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 功能模塊設(shè)計

通過對現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、處理、顯示、實現(xiàn)工作人員遠程隨時隨地用不同的IT 設(shè)備對裝配生產(chǎn)線的情況進行監(jiān)控，并對生產(chǎn)現(xiàn)場的突發(fā)情況做出及時處理。

根據(jù)智能裝配生產(chǎn)線的特點設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)的6大功能模塊。生產(chǎn)看板模塊：直觀顯示現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并控制設(shè)備的離線和在線狀態(tài)。設(shè)備監(jiān)控模塊：對機器人各個關(guān)節(jié)的角度、位置和速度，智能相機運行狀態(tài)等重要信息進行監(jiān)測，并對現(xiàn)場設(shè)備進行動作控制。生產(chǎn)進度模塊：通過對PLC 數(shù)據(jù)塊的信息采集，獲取生產(chǎn)線設(shè)備的運行狀態(tài)，得知訂單的生產(chǎn)進度。倉庫管理模塊：通過傳感器技術(shù)對物料進行實時統(tǒng)計，RFID 射頻識別技術(shù)實時跟蹤物料狀態(tài)信息，并進行生產(chǎn)信息追溯。統(tǒng)計報表模塊：對剛輪、中間法蘭、輸出法蘭和軸套組合體原料消耗進行實時統(tǒng)計，方便對成品的出入庫記錄和查詢。生產(chǎn)管理模塊：接受訂單，并將接收到的生產(chǎn)訂單分解、生成BOM 表，下達至各個工位，當(dāng)生產(chǎn)線發(fā)生生產(chǎn)異常時，自動彈出新的對話框提示工作人員。

2 數(shù)據(jù)采集

在設(shè)計的智能裝配生產(chǎn)線中使用PLC 作為主控制器，通過工業(yè)以太網(wǎng)通信配合工業(yè)機器人、智能相機等設(shè)備完成外圍控制任務(wù)，并負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集如圖2 所示。通過PLC 采集數(shù)據(jù)主要有2 種方式：（1）網(wǎng)關(guān)通過交換機與PLC 通信，在PLC 寄存器中采集出機器人及其他設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫；（2）利用PLC 的CPU 以及子模塊提供的I/O 口作為數(shù)據(jù)采集的接口，安裝傳感器直接對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集。

圖2 現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集

機器人控制柜通過伺服驅(qū)動器和傳感器實時獲取機器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)。工業(yè)機器人編程軟件將控制柜中工業(yè)機器人的軸速度、軸位置等狀態(tài)數(shù)據(jù)生成代碼，下載到PLC 寄存器中，完成對工業(yè)機器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。

智能相機獲取減速器模型的中間法蘭、輸出法蘭圖像，算法平臺將法蘭的位置信息轉(zhuǎn)化為機器人坐標(biāo)系下的位置，并按照機器人的固定通信格式（物體坐標(biāo)參數(shù)、物體屬性參數(shù)、物體ID 編碼）傳輸給機器人控制柜，機器人根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)按照指定軌跡運動。

RFID 是一種先進的數(shù)據(jù)采集及射頻識別技術(shù)[2]。在剛輪物料上綁定RFID 電子標(biāo)簽，在伺服變位模塊上安裝RFID 讀寫器，通過信號線直接將PLC 的RF120C 通信模塊與RFID 電子標(biāo)簽相連，在剛輪搬運時根據(jù)規(guī)則由讀寫器將剛輪信息寫入RFID 電子標(biāo)簽中，并將剛輪信息同步傳輸?shù)皆票O(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)送指令控制機器人動作，每次搬運剛輪和成品入庫時RFID 都會讀取標(biāo)簽內(nèi)容，判斷是否與監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度一致，完成RFID 的復(fù)位、寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的功能。

3 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理

云物聯(lián)網(wǎng)平臺可以把智能裝配生產(chǎn)線所需的數(shù)據(jù)都放到網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)存取、運算等目的[3]。網(wǎng)關(guān)可以通過不同協(xié)議與現(xiàn)場設(shè)備進行通信，然后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MQTT 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以發(fā)送到云端，減少了連接到云平臺的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量。以云服務(wù)器為核心，將MySQL 數(shù)據(jù)庫、Web 服務(wù)等部署在云服務(wù)器上，通過網(wǎng)關(guān)將智能裝配生產(chǎn)線的狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫，如圖3 所示。

網(wǎng)關(guān)通過交換機分別與現(xiàn)場控制器PLC、機器人、智能相機、變頻器以及HMI 連接，通過PLC 采集數(shù)據(jù)存入內(nèi)部寄存器后，確定監(jiān)測數(shù)據(jù)的PLC 變量地址，并在網(wǎng)關(guān)的配置軟件中創(chuàng)建相應(yīng)的變量，網(wǎng)關(guān)按照ModbusTCP 協(xié)議規(guī)則進行讀寫數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部計算，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MQTT 協(xié)議的JOSN 格式，實現(xiàn)PLC 寄存器地址與MQTT 地址對應(yīng)的關(guān)系，然后在網(wǎng)關(guān)中保存。

網(wǎng)關(guān)通過HTTP 獲得域名解析出IP 地址，與連接的云服務(wù)器外網(wǎng)IP 地址一致，生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過MQTT 通信協(xié)議同步到MySQL 云數(shù)據(jù)庫中，與云服務(wù)器完成信息交互，客戶端通過HTTP 訪問接入云服務(wù)器的HTTP 端口獲取云上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)、云平臺與客戶端三者可在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過接入互聯(lián)網(wǎng)建立連接，任何安裝瀏覽器的客戶端只要向云服務(wù)器發(fā)送指令，即可實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控，從而實現(xiàn)PLC 及下層設(shè)備與工作人員的遠程通信。

4 Web 應(yīng)用開發(fā)

使用移動可視化開發(fā)、Web 可視化開發(fā)、業(yè)務(wù)邏輯開發(fā)工具，搭建系統(tǒng)界面，配置控件的數(shù)據(jù)源與網(wǎng)關(guān)設(shè)備相對應(yīng)，通過可視化編程的方式搭建自己的業(yè)務(wù)服務(wù)，并發(fā)布到服務(wù)端實現(xiàn)設(shè)備與云的聯(lián)動控制。云監(jiān)控系統(tǒng)界面總體由生產(chǎn)看板，設(shè)備監(jiān)控（圖4）、生產(chǎn)進度（圖5）、生產(chǎn)管理、倉庫管理、報表統(tǒng)計六個模塊組成，工作人員通過遠程輸入地址即可實現(xiàn)對智能裝配生產(chǎn)線的遠程監(jiān)控。

圖4 設(shè)備監(jiān)控

圖5 生產(chǎn)進度

5 現(xiàn)場測試

為驗證智能裝配生產(chǎn)線云監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實時性，以減速器模型的裝配為例，對智能相機數(shù)據(jù)、機器人第五個關(guān)節(jié)角度以及環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)控測試。智能裝配生產(chǎn)線選用CPU-1214 DC/DC/DC 型號的西門子PLC 為主控制器，型號為KUKA-KR4 的庫卡機器人完成減速器模型裝配的動作、華?？萍?2CG-E小面陣工業(yè)相機完成原料的識別和定位。云監(jiān)控系統(tǒng)采用5G 網(wǎng)絡(luò)連接到外網(wǎng)供遠程訪問。

經(jīng)過3個月的現(xiàn)場運行，云監(jiān)控系統(tǒng)延遲可以控制在15 耀30 ms，可以滿足對智能裝配生產(chǎn)線的實時性需求。生產(chǎn)看板如圖6 所示，智能相機捕獲的法蘭顏色和角度信息如表1 所示，機器人根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地完成減速器模型裝配，機器人第五關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)如圖7 所示。通過現(xiàn)場測試比對可知，設(shè)備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)均是正確的。從而驗證該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。

圖6 生產(chǎn)看板

表1 智能相機捕獲的法蘭顏色和角度信息

圖7 關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

隨著工業(yè)云平臺、通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字化工廠的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集、處理、反饋變得尤為重要。針對一種智能裝配生產(chǎn)線，開發(fā)一套云監(jiān)控系統(tǒng)，將PLC 采集到的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至云端進行高級算法處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，并及時反饋到生產(chǎn)現(xiàn)場。現(xiàn)場測試驗證結(jié)果表明，該云監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性高、實時性好，降低了企業(yè)的用人成本，對企業(yè)的設(shè)備管理與維護產(chǎn)生了積極作用，具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益。