全自動(dòng)智能制造產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)互動(dòng)與實(shí)現(xiàn)

林先鋒 鐘臻哲 陳建成

（作者單位：廈門盈趣科技股份有限公司）

引言

數(shù)字化、信息化和智能化是制造業(yè)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代化的客觀路徑，產(chǎn)線的數(shù)字化控制（numerical control）是制造智能化的基礎(chǔ)，而格式歸一化之后的各類有效數(shù)控信號(hào)，通過(guò)各類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端人機(jī)界面對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)整和干預(yù)等操作[1]。越來(lái)越多的先進(jìn)信息技術(shù)在該場(chǎng)景下被不斷地應(yīng)用于制造業(yè)，形成了產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的循環(huán)推進(jìn)[2]。這種跨學(xué)科的技術(shù)融合讓制造業(yè)的升級(jí)能夠跟上電子信息浪潮的快速迭代進(jìn)程。各類前沿信息技術(shù)為制造業(yè)提供了生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化、企業(yè)層級(jí)管理的信息化和全生命周期迭代的智能化。近年來(lái)，基于產(chǎn)線的數(shù)字化和智能化演進(jìn)催生了大量垂直領(lǐng)域的交叉學(xué)科場(chǎng)景，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，大規(guī)模定制及數(shù)字孿生[3,4]等物聯(lián)網(wǎng)制造以及其他學(xué)科的交叉場(chǎng)景成為了當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)離散智能產(chǎn)線架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能產(chǎn)線架構(gòu)的數(shù)據(jù)聯(lián)通基于類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（heterogeneous）基礎(chǔ)設(shè)施，聯(lián)合管理系統(tǒng)（United Management System,UMS）和選擇順應(yīng)性裝配機(jī)械手臂（Selective Compliance Assembly Robot Arm，SCARA）。本項(xiàng)目提出了一套基于模塊化柔性組合、機(jī)器視覺(jué)、圖像處理、人工智能、低時(shí)延無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)等前沿技術(shù)的自動(dòng)化非標(biāo)產(chǎn)線架構(gòu)。基于該架構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩條能夠?qū)崟r(shí)接收在線訂單，并完成物料組裝、包裝到出貨的非標(biāo)自動(dòng)化產(chǎn)線。其中一條產(chǎn)線具有實(shí)時(shí)視頻服務(wù)的功能。基于該架構(gòu)和自動(dòng)化產(chǎn)線，中小企業(yè)能夠節(jié)省大部分人力成本，快速進(jìn)行產(chǎn)線功能的拓展和迭代，為企業(yè)提供具備快速反應(yīng)能力的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。該架構(gòu)如圖1 所示，其產(chǎn)線實(shí)例如圖2 所示。

在該架構(gòu)中產(chǎn)線的物料集散由可編程自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，AGV）完成。流水線由多個(gè)工站靈活組裝拼接，各工站間的流水線控制由分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System,DCS）或可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC）預(yù)編程控制并接受遠(yuǎn)程（Manufacturing execution systems，MES）或現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面（Human Machine Interface,HMI）的參數(shù)調(diào)節(jié)配置。主要的工作由SCARA、鐳射雕刻模塊或其他特定功能的模塊完成，SCARA 工位等功能模塊的自動(dòng)定位、裝配和檢測(cè)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)。制造現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)PLC/DCS 集成傳送給邊緣計(jì)算單元（集成于圖1 中多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，Multi-Protocol Gateway,MPGW），MPGW 集成了多種一般場(chǎng)景/工業(yè)場(chǎng)景下的有線/無(wú)線通信傳輸協(xié)議，以滿足客戶端各類應(yīng)用對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的需求。集成的協(xié)議包括但不限于常用工業(yè)總線技術(shù)（EIP-legacy/TSN,PROFIBUS，EtherCAT 等）、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)Zigbee、Wi-Fi（802.11b/a/g/n/ac/ax）或EDGE/WCDMA/LTE/5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)MPGW 的網(wǎng)絡(luò)類型集成多樣性和處理性能可根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制。根據(jù)算力負(fù)載均衡結(jié)果，具有一定邊緣計(jì)算能力的MPGW 將經(jīng)過(guò)一定預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸給云端服務(wù)器，云端服務(wù)器通過(guò)Jason/XML 等語(yǔ)義化格式將時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式冗余存儲(chǔ)。根據(jù)部署企業(yè)（客戶）的方案規(guī)模，該分布式邊緣設(shè)備可以先將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)中臺(tái)，在中臺(tái)內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)處理、語(yǔ)義化等功能，再將處理好的數(shù)據(jù)與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信。此架構(gòu)保障了數(shù)據(jù)的冗余，提升了防災(zāi)性，而該中臺(tái)也可以通過(guò)運(yùn)營(yíng)商提供的虛擬專網(wǎng)多接入邊緣計(jì)算中心（Multi-Access Edge Computing，MEC）實(shí)現(xiàn)算力卸載，保障了成本與數(shù)據(jù)安全性。網(wǎng)絡(luò)層亦通過(guò)VLAN、IP 端口隔離、應(yīng)用權(quán)限分級(jí)、MD5 加密等多層隱私和安全技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有物聯(lián)網(wǎng)安全措施的生產(chǎn)過(guò)程信息化，保證各職能部門對(duì)多維產(chǎn)線具備對(duì)應(yīng)的掌控能力。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可被用于進(jìn)行shapelet 趨勢(shì)和聚類分析，或被送往人工智能模塊通過(guò)長(zhǎng)短記憶網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)序預(yù)測(cè)。在產(chǎn)業(yè)鏈上下游的供應(yīng)商/客戶等節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)其權(quán)限接入（Supply Chain/Relationship Management,SCM/SRM）系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同。

該流水線架構(gòu)在不同負(fù)載下均能夠降低相似產(chǎn)線的人工成本。

以兩年低、中、高工作負(fù)載和滿負(fù)載情況下公站的人力成本預(yù)估（P1）：

P1=(工站數(shù)★(每站工人數(shù))+維護(hù)人員)★2 年年薪+人工站價(jià)格

以全自動(dòng)產(chǎn)線的人力成本預(yù)估（P2）：

P2=（維護(hù)人員）★2 年年薪+自動(dòng)工站價(jià)格

預(yù)估結(jié)果如圖3 所示，即便在低產(chǎn)線負(fù)載的情況下，本自動(dòng)產(chǎn)線仍能夠節(jié)省50%以上的成本。

基于機(jī)械視覺(jué)的機(jī)器手自動(dòng)化控制

本文中產(chǎn)線自動(dòng)化基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的模式識(shí)別和自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的非標(biāo)流水線往往需要大規(guī)模使用人力進(jìn)行位置矯正、傳動(dòng)控制和質(zhì)量把關(guān)。本項(xiàng)目通過(guò)自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，在降低非標(biāo)定制產(chǎn)線上人力需求的同時(shí)，提升了品質(zhì)管控環(huán)節(jié)的效率。本項(xiàng)目的機(jī)器視覺(jué)模塊包括以下幾部分。

1.基于邊緣的視覺(jué)定位

通過(guò)線、弧、幾何形狀或直角邊緣的排列組合確定工裝當(dāng)前的位置和角度的信息x、y、θ。通過(guò)與基準(zhǔn)對(duì)比，將位置和角度的偏移量x'、y'、θ'傳輸給PLC。在下一操作前，流水線控制單元隨即根據(jù)偏移量調(diào)節(jié)、糾正或定位工裝、物料等流水線單元的位置，保證機(jī)械手或其他單元執(zhí)行下一操作前，工裝、物料等單元處于可操作狀態(tài)。

2.基于AOI 的圖像缺陷檢測(cè)

客戶端將選定的定制圖案發(fā)送給服務(wù)器端后，服務(wù)器會(huì)將定制圖案發(fā)送給鐳雕單元，在進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)存檔前，鐳雕單元對(duì)圖案進(jìn)行預(yù)處理——使用灰度歸一化、圖像降噪、空間域銳化等技術(shù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)；鐳雕完成后光學(xué)原件對(duì)雕刻結(jié)果拍攝；處理單元對(duì)圖像進(jìn)行降噪、空間域銳化等增強(qiáng)。預(yù)處理完成后，計(jì)算單元對(duì)拍攝的照片和標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行區(qū)域定位和邊緣差異對(duì)比，對(duì)比結(jié)果輸出給PLC。若差異超過(guò)預(yù)定閾值，則判定不合格，重新?lián)Q件雕刻，如圖4 所示。

一套具權(quán)限控制的生產(chǎn)視頻直播

針對(duì)客戶端感知層面，本系統(tǒng)在非保密且具備用戶體驗(yàn)價(jià)值的加工環(huán)節(jié)，架設(shè)若干IP 化視頻采集設(shè)備，具備實(shí)時(shí)視頻傳輸能力的IP 化流水線工站單元如圖5 所示。傳輸層面，根據(jù)業(yè)務(wù)量大小，企業(yè)可以選擇通過(guò)MPGW 進(jìn)行預(yù)處理和現(xiàn)場(chǎng)云端通信，也可以僅通過(guò)MPGW 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，在云端進(jìn)行預(yù)處理或編碼。網(wǎng)絡(luò)層面，數(shù)據(jù)到達(dá)云端之后，基于不同的服務(wù)類型進(jìn)行編碼并傳輸?；诓煌姆?wù)類型，編碼后的視頻文件被傳向RTMP、CDN 或一般云端存儲(chǔ)服務(wù)器。對(duì)不同的通信流量和質(zhì)量需求，采用了不同的流量管理模式，降低了服務(wù)成本。用戶可以通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等多媒體終端直播觀看、下載或在線回看選中的個(gè)人專屬生產(chǎn)環(huán)節(jié)。應(yīng)用層面，該“個(gè)人專屬”生產(chǎn)環(huán)節(jié)由賬號(hào)密碼以及對(duì)應(yīng)的訂單編號(hào)進(jìn)行權(quán)限一一對(duì)應(yīng)控制，確保用戶互動(dòng)定制設(shè)備過(guò)程中的私密性，以提升用戶體驗(yàn)。

結(jié)論

隨著“中國(guó)制造2025”計(jì)劃的不斷推進(jìn)，處于產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，具備各類規(guī)模的企業(yè)亟需一套智能制造總成方案來(lái)控制一線制造的成本，并接入產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同進(jìn)行管理，以提升自身生產(chǎn)效率和全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同效率。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)鏈末端企業(yè)也需要通過(guò)一套集中的智能制造體系為客戶提供大規(guī)模定制化服務(wù)。

本文提供的智能制造架構(gòu)從智能制造體系出發(fā)，為中小企業(yè)提供一套具備個(gè)性化定制功能和模塊拓展替代能力的自動(dòng)化產(chǎn)線。該產(chǎn)線通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)完成SCARA 和其他功能模塊的自動(dòng)化，并通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和多協(xié)議網(wǎng)關(guān)完成感知層、接入層和網(wǎng)絡(luò)層基礎(chǔ)建設(shè)的集成。低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)保證了用戶通過(guò)多種媒介對(duì)制造的關(guān)鍵步驟進(jìn)行監(jiān)察，分別滿足了B 端對(duì)質(zhì)量的需求和C端用戶對(duì)商品歸屬感占有的本能。該架構(gòu)中提供了邊緣、云算力并保證了產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用的可拓展性。通過(guò)與運(yùn)營(yíng)商的MEC 等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基建和增值服務(wù)進(jìn)行協(xié)作，本架構(gòu)能夠?yàn)橹行∑髽I(yè)擁抱產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供一個(gè)低門檻、快反應(yīng)的實(shí)施互動(dòng)智能制造方案，為廠商贏得用戶的信任提供了有力保障。

注

項(xiàng)目來(lái)源：基于多維度創(chuàng)新方法的疫情防控產(chǎn)品研發(fā)與快速轉(zhuǎn)化應(yīng)用（2020IM010100）