基于SIMATIC IOT2040的智能產(chǎn)線次品分揀人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

任 琪 ， 蔡言秀

（1.長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙市鵬揚(yáng)教學(xué)設(shè)備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

智能制造作為工業(yè)4.0的組成部分之一，智能生產(chǎn)線與辦公信息系統(tǒng)之間的人機(jī)交互方式日新月異。但不同制造商以及不同時(shí)間、不同技術(shù)水平生產(chǎn)的機(jī)器設(shè)備，存在著通信協(xié)議不統(tǒng)一等問(wèn)題[1]。這就給遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和管理員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況調(diào)整方案帶來(lái)極大不便。

針對(duì)此類情況，課題組設(shè)計(jì)了一種人機(jī)交互系統(tǒng)，上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，管理員也能夠根據(jù)監(jiān)控到的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)手動(dòng)發(fā)送生產(chǎn)操作指令。該系統(tǒng)采用西門子SIMATIC IOT2040智能網(wǎng)關(guān)，首先完成智能產(chǎn)線、控制器、上位機(jī)等不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集和處理；再通過(guò)騰訊云平臺(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給“騰訊連連”小程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。SIMATIC IOT2040智能網(wǎng)關(guān)支持多種通信協(xié)議，因而該方案能夠應(yīng)用于不同產(chǎn)商生產(chǎn)設(shè)備的通信。

1 產(chǎn)線功能分析

智能產(chǎn)線次品分揀系統(tǒng)選用PLC控制，能夠自動(dòng)完成對(duì)產(chǎn)品工件的高度檢測(cè)。系統(tǒng)包含自動(dòng)運(yùn)行、單步運(yùn)行、復(fù)位三種模式，為了安全生產(chǎn)，只有在急停狀態(tài)下才能實(shí)施工作模式的選擇和切換。當(dāng)急停按鈕被按下時(shí)，無(wú)論系統(tǒng)處在哪種工作狀態(tài)，將立即停止所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)；當(dāng)安全隱患排除后，如需再次運(yùn)行設(shè)備，系統(tǒng)要求按鈕復(fù)位到初始位置，方可運(yùn)行[2]。

系統(tǒng)在自動(dòng)或單步運(yùn)行狀態(tài)下，釋放急停按鈕，按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)；當(dāng)上料點(diǎn)物料檢測(cè)傳感器檢測(cè)到有工件后，同步帶驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)傳送帶將工件送至高度檢測(cè)點(diǎn)；高度檢測(cè)組件中的紅外測(cè)物料高度傳感器HG-C1050便會(huì)對(duì)工件高度進(jìn)行檢測(cè)，并轉(zhuǎn)換為與高度成比例的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)0 V～5 V輸出；該電信號(hào)通過(guò)PLC模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為0～27 648的數(shù)字量信號(hào)，存儲(chǔ)到PLC的模擬量寄存器中；最后傳送帶會(huì)將工件搬運(yùn)到右側(cè)工件出貨點(diǎn)。此時(shí)，PLC將模擬量寄存器中的值與正品標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果超出標(biāo)準(zhǔn)值范圍，則PLC判斷其為不合格工件，排料氣缸動(dòng)作將物料排出；如果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，則PLC判斷其為合格工件。在接收到下一工作站的空閑信號(hào)后，升降氣缸帶動(dòng)推料向下一站氣缸下行，推料向下一站氣缸動(dòng)作完成推料，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)分揀。推料完成后，升降氣缸帶動(dòng)推料向下一站氣缸上行，電機(jī)M1開(kāi)始反轉(zhuǎn)，同步帶輸送組件回到搬運(yùn)初始位置，準(zhǔn)備下一個(gè)工件的分揀[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 元器件選型

智能產(chǎn)線次品分揀人機(jī)交互系統(tǒng)硬件體分為PLC控制系統(tǒng)和智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)兩部分[4-5]。其主要元器件有控制器、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、上位機(jī)、智能網(wǎng)關(guān)等。具體的元器件選型如表1所示。

表1 元器件選型

2.2 主電路設(shè)計(jì)

調(diào)速直流電機(jī)拖動(dòng)傳送帶完成產(chǎn)品搬運(yùn)工作，電機(jī)控制電路如圖1所示。中間的繼電器K1實(shí)現(xiàn)電機(jī)使能控制，當(dāng)K1線圈通電，K1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電機(jī)得電啟動(dòng)。中間的繼電器K2控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)拖動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品搬運(yùn)到目標(biāo)位置，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)將傳送結(jié)構(gòu)送回初始位置。限位開(kāi)關(guān)是防止傳送機(jī)構(gòu)越位的機(jī)構(gòu)，當(dāng)傳送機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位或初始位時(shí)，限位開(kāi)關(guān)常閉觸頭斷開(kāi)，調(diào)速直流電機(jī)斷電，傳送機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行，保護(hù)傳送機(jī)構(gòu)不會(huì)因越位而撞壞其他機(jī)械部件。

圖1 電機(jī)控制電路圖

3 系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)

3.1 HMI上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

HMI人機(jī)控制界面可以有效提高人機(jī)交流的便利性以及系統(tǒng)的靈活性。根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，將HMI界面設(shè)計(jì)成多個(gè)層級(jí)窗口，如圖2所示，其中包括用戶登錄界面、分揀狀態(tài)查看界面、生產(chǎn)數(shù)據(jù)總覽界面、設(shè)備 I/O 測(cè)試界面等[6]。

圖2 HMI界面設(shè)計(jì)

1）登錄界面可以防止非專業(yè)人員的錯(cuò)誤操作以及保護(hù)某些設(shè)置參數(shù)，在組態(tài)畫(huà)面時(shí)引入了用戶管理系統(tǒng)，不同用戶擁有不同的操作權(quán)限。

2）分揀狀態(tài)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控智能產(chǎn)線工作時(shí)的狀態(tài)。通過(guò)按鍵，手動(dòng)控制切換功能得以實(shí)現(xiàn)，整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)用性得以提高。

3）生產(chǎn)數(shù)據(jù)界面可以查看當(dāng)前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如當(dāng)前產(chǎn)品總數(shù)、目標(biāo)產(chǎn)品數(shù)量、廢料數(shù)量等。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，點(diǎn)擊面板上的產(chǎn)量清零按鈕可以清空目標(biāo)產(chǎn)量和當(dāng)前產(chǎn)量，輸入新的目標(biāo)產(chǎn)量點(diǎn)擊開(kāi)始生產(chǎn)就可以繼續(xù)新的生產(chǎn)。只要保持物料的供給，產(chǎn)線即可自動(dòng)運(yùn)行，直至運(yùn)行到當(dāng)前產(chǎn)量等于目標(biāo)產(chǎn)量為止。

4）I/O 測(cè)試界面可以顯示設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)，包括手動(dòng)控制信號(hào)狀態(tài)、自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和氣缸動(dòng)作狀態(tài)。其中手動(dòng)控制信號(hào)狀態(tài)包括自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)、手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、復(fù)位狀態(tài)、急停狀態(tài)等。自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)如表2所示。

表2 自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)狀態(tài)

3.2 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

為保障智能產(chǎn)線上不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，解決設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制器、上位機(jī)和云平臺(tái)各通信系統(tǒng)各自為戰(zhàn)以及通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問(wèn)題[7]。本系統(tǒng)采用支持多種協(xié)議的SIMATIC IOT2040智能網(wǎng)關(guān)，通過(guò)以太網(wǎng)通信方式，可以靈活地從控制器、傳感器、上位機(jī)上收集和處理數(shù)據(jù)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2.1 智能網(wǎng)關(guān)及運(yùn)行環(huán)境配置

IOT 2040智能網(wǎng)關(guān)配備兩個(gè)網(wǎng)口，將X1P1 LAN網(wǎng)口對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡Eth0以DHCP方式自動(dòng)獲取動(dòng)態(tài)IP，連接到網(wǎng)絡(luò)；X2P1 LAN網(wǎng)口對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡Eth1設(shè)為靜態(tài)IP，這樣IOT 2040智能網(wǎng)關(guān)與控制器、觸摸屏、計(jì)算機(jī)就處于同一網(wǎng)段。

登錄Putty，連接到IOT 2040智能網(wǎng)關(guān)，在Putty命令行中輸入node /usr/lib/node_modules/node-red/red &啟動(dòng)Node-RED，即可在瀏覽器中打開(kāi)網(wǎng)關(guān)IP地址的1880端口進(jìn)入到Node-RED界面。

Putty連接到IOT 2040智能網(wǎng)關(guān)后，使用NPM安裝節(jié)點(diǎn)，或者在Node-Red開(kāi)發(fā)界面的節(jié)點(diǎn)管理中安裝所需要的節(jié)點(diǎn)。例如Node-Red自帶的48個(gè)節(jié)點(diǎn)、Dashboard節(jié)點(diǎn)、S7節(jié)點(diǎn)、MySQL節(jié)點(diǎn)、騰訊云Iotexplorer節(jié)點(diǎn)等[8]。

3.2.2 智能網(wǎng)關(guān)、PLC間數(shù)據(jù)采集

次品分揀智能網(wǎng)關(guān)、PLC間數(shù)據(jù)采集具體過(guò)程如下：“s7 in”節(jié)點(diǎn)是基于 S7 協(xié)議，從SIMATIC PLC讀取布爾量數(shù)據(jù)，使用Dashboard中的text節(jié)點(diǎn)將布爾量數(shù)據(jù)的“true”和“false”狀態(tài)顯示在Node-RED Dashboard中。浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)可以用chart節(jié)點(diǎn)展現(xiàn)。反之，“s7 out”節(jié)點(diǎn)是將Node-RED Dashboard中的布爾量數(shù)據(jù)寫(xiě)入PLC。這樣，智能網(wǎng)關(guān)便實(shí)現(xiàn)了與PLC輸入輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送[9]。

報(bào)文中無(wú)法識(shí)別的布爾量數(shù)據(jù)的“true”和“false”，則通過(guò)Dashboard平臺(tái)自帶的function節(jié)點(diǎn)編輯程序，轉(zhuǎn)換成設(shè)備端請(qǐng)求報(bào)文和遠(yuǎn)程控制請(qǐng)求報(bào)文的布爾量數(shù)據(jù)格式。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

在本地的計(jì)算機(jī)上安裝MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，在Navicat 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件中建立與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的連接，添加相應(yīng)的表格，并為需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)列名[10]。為了方便查看數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間，在每個(gè)表格新建“cur_time”列，并設(shè)置字段自動(dòng)更新為創(chuàng)建時(shí)的時(shí)間。在向數(shù)據(jù)庫(kù)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，在Node-red平臺(tái)上的function節(jié)點(diǎn)中編寫(xiě)程序，對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用SQL語(yǔ)法“insert into table_name（列1，列2...）values （值1，值2...）”執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)寫(xiě)入的MySQL操作。

3.2.4 騰訊云平臺(tái)

騰訊云平臺(tái)是智能產(chǎn)線設(shè)備和管理者之間的紐帶，當(dāng)PLC接收到的傳感器控制信號(hào)和輸出的執(zhí)行設(shè)備信號(hào)上傳到騰訊云平臺(tái)后，操作員可以在“騰訊連連”小程序中掃描設(shè)備調(diào)試欄目中的二維碼，遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)試設(shè)備，進(jìn)行多終端的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該智能產(chǎn)線次品分揀人機(jī)交互系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線的自動(dòng)化與信息化。在聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備上登錄云平臺(tái)，操作者就能在遠(yuǎn)程控制目標(biāo)產(chǎn)量的同時(shí)，監(jiān)控廢料的數(shù)量和當(dāng)前的成品數(shù)量，還對(duì)生產(chǎn)過(guò)程具有的一定的管理和控制權(quán)限。通過(guò)智能產(chǎn)線HMI界面監(jiān)控生產(chǎn)線的工作狀態(tài)和一些關(guān)鍵的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生特殊情況來(lái)不及觸發(fā)各工作站的硬件急停時(shí)，使用觸摸屏就能使產(chǎn)線“一鍵急停”。 利用“騰訊連連”小程序綁定云端建立的虛擬設(shè)備，操作者就可以監(jiān)視產(chǎn)線當(dāng)前生產(chǎn)狀態(tài)、當(dāng)前產(chǎn)量，并控制其目標(biāo)產(chǎn)量。通過(guò)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)讀取現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備得到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理分析，還能夠得到實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。