基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱沖壓生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

蘇志同

【摘 要】隨著汽車輕量化的發(fā)展，高強(qiáng)鋼熱成形工藝的發(fā)展和普遍應(yīng)用，對(duì)熱沖壓成形生產(chǎn)線也提出了新的要求。在保證生產(chǎn)線高效運(yùn)行的同時(shí)，生產(chǎn)過程中的安全性、自動(dòng)化設(shè)備的工作狀態(tài)及工作人員安全都能夠通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和智能分析好得到更大的保證。

【關(guān)鍵詞】高強(qiáng)鋼熱成形;熱沖壓生產(chǎn)線;安全性;網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控;生產(chǎn)線特征識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）15-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.018

Research and Application of Monitoring System for Hot Stamping Production Line Based on Industrial Internet

SU Zhi-tong

（Qingdao Kingerobot Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266000，China）

【Abstract】With the development of automobile lightweight，the development and universal application of high-strength steel hot forming process has also put forward new requirements for hot stamping forming production lines.While ensuing the efficient operation of the production line，the safety in the production process，the working state of the automation equipment and the safety of the staff can all be ensured through real-time monitoring and intelligent analysis.

【Key words】High-strength steel hot forming; Hot stamping production line; Safety; Network Video Monitoring; Production line feature recognition

高強(qiáng)鋼板熱沖壓生產(chǎn)線是有伺服壓力機(jī)、多層箱式爐和自動(dòng)輸送系統(tǒng)組成。坯料被機(jī)械手拆垛，送進(jìn)加熱爐。被加熱坯料（900-950°C）被機(jī)械手送到壓力機(jī)模具上。壓力機(jī)合模（坯料成形）-保壓（冷卻淬火）后，零件被出料機(jī)械手從模具上取出，放在傳送帶上。高強(qiáng)鋼板從500-700MPa經(jīng)過成形強(qiáng)化，達(dá)到1500MPa。熱坯料在機(jī)械手輸送過程中做空間曲線運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手與機(jī)械手、機(jī)械手與壓力機(jī)呈協(xié)同工作狀態(tài)。盡管自動(dòng)控制系統(tǒng)考慮了安全控制的各種控制策略的應(yīng)用，但是建立獨(dú)立的傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，以提高熱沖壓生產(chǎn)線的輸送監(jiān)控對(duì)安全生產(chǎn)是必要的。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的生產(chǎn)安全主要是通過人直覺和經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏穩(wěn)定和可靠性。根據(jù)實(shí)際需要，從熱沖壓工藝過程和安全性角度將生產(chǎn)線分為安全區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)和高危區(qū)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的方式來監(jiān)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和環(huán)境狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)連接的方式將網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)連接起來，通過控制手段對(duì)其控制采集視頻，實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本原理包括壓縮、編碼以及采集，同時(shí)還有網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括攝像部分、傳輸部分、顯示部分以及控制部分。在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送方式下，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的快速和實(shí)時(shí)傳輸是系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵。應(yīng)考慮從壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面分析視頻快速傳輸?shù)姆椒?，提出的解決方案。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及視覺監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 熱沖壓生產(chǎn)線的安全行為分析

在對(duì)熱沖壓生產(chǎn)線安全性分析之前，首先對(duì)熱沖壓中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)進(jìn)行分類分析。

2.1.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)碰撞

機(jī)械危險(xiǎn)是指由于機(jī)器零件、工具以及生產(chǎn)線中可能產(chǎn)生傷害的物理因素的總稱。產(chǎn)生機(jī)械危險(xiǎn)的主要因素一般在運(yùn)動(dòng)交接位置、機(jī)械不穩(wěn)定抖動(dòng)，或者輸送坯料從卡爪中脫落。這些機(jī)械危險(xiǎn)是自動(dòng)化生產(chǎn)中的潛在危險(xiǎn)，影響生產(chǎn)線的安全，造成事故停機(jī)，甚至可能對(duì)人員造成傷害。

2.1.2 高溫危害

加熱爐的進(jìn)出料的機(jī)械手，長時(shí)間、連續(xù)進(jìn)出爐，受高溫環(huán)境加熱。坯料出爐的高溫?zé)彷椛鋵?duì)周邊設(shè)備的影響都會(huì)影響了生產(chǎn)線的安全運(yùn)行。

2.1.3 振動(dòng)危險(xiǎn)

熱沖壓生產(chǎn)線，盡管機(jī)械伺服壓力機(jī)工作較平穩(wěn)，但進(jìn)行沖壓過程會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。送料機(jī)器人在高速輸送過程中，可能由于設(shè)備控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)。

2.2 熱沖壓生產(chǎn)線安全性區(qū)域分析

根據(jù)以上的分析，在熱沖壓生產(chǎn)線中存在各種各樣的危險(xiǎn)和安全隱患。通過分類分區(qū)，為視頻監(jiān)控提供建?；A(chǔ)。將熱沖壓的整個(gè)車間分為三個(gè)區(qū)域：黑色所在的矩形區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)生產(chǎn)車間，也就是廠房;黃色矩形所在的區(qū)域?yàn)閲鷻趨^(qū)域，圍欄上設(shè)有安全門;紅色區(qū)域?yàn)楦髟O(shè)備圍成的中間的狹小區(qū)域。按危險(xiǎn)的程度不同，將生產(chǎn)線安全區(qū)域分為安全區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)以及高危區(qū)。

安全區(qū)域因?yàn)橛邪踩珖鷻诘谋Ｗo(hù)，不易發(fā)生危險(xiǎn)事故，屬于車間的安全區(qū)。在該區(qū)域有人工通道和叉車專用通道。危險(xiǎn)區(qū)域包含有熱沖壓生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)輸送機(jī)械手。在該區(qū)域會(huì)發(fā)生振動(dòng)危險(xiǎn)、噪音危險(xiǎn)以及機(jī)械危險(xiǎn)。在連續(xù)生產(chǎn)的過程中，一般不允許工作人員進(jìn)入此區(qū)域。

高危區(qū)域面積狹小，是熱沖壓生產(chǎn)的關(guān)鍵區(qū)域，但是也屬于熱沖壓產(chǎn)線的高度危險(xiǎn)區(qū)域，在該區(qū)域可能會(huì)發(fā)生機(jī)械危險(xiǎn)和熱危險(xiǎn)，是安全性最差，也是最應(yīng)該關(guān)注的區(qū)域禁止操作人員隨意進(jìn)出。

2.3 熱沖壓生產(chǎn)線系統(tǒng)的故障模型

在熱沖壓生產(chǎn)過程中，一般有兩種故障形式：（1）可修復(fù)故障，如空冷時(shí)間過長致使板料沖壓溫度不夠、輸送過程產(chǎn)生疊料、等，一般可按廢料處理來執(zhí)行機(jī)械手操作解決，不會(huì)影響生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。（2）嚴(yán)重故障，如機(jī)械手運(yùn)行過程中和加熱爐、壓力機(jī)發(fā)生碰撞，機(jī)械手運(yùn)行出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡錯(cuò)誤等，這些故障將導(dǎo)致生產(chǎn)線停運(yùn)檢修，無法通過自動(dòng)化控制來快速解決，并且修復(fù)這些故障可能需要很長的時(shí)間。通過視頻監(jiān)控技術(shù)，可以回放故障發(fā)生的過程，快速輔助判斷故障產(chǎn)生的原因。

2.4 熱沖壓生產(chǎn)線視頻監(jiān)控高清視頻傳輸

數(shù)字視頻采集主要線通過前端攝像機(jī)進(jìn)行采集，將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)字信號(hào)傳輸過程往往還伴隨著視頻的壓縮處理。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控包括現(xiàn)場設(shè)備層、控制層和信息層。設(shè)備層是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的最底層，面向各種電子設(shè)備，底層設(shè)備要求可靠性高?？刂茖訉儆谥虚g層，控制層與設(shè)備層和信息層都相連，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，需要高傳輸速率和高實(shí)時(shí)性。信息層屬于最頂層，通信可以更加廣泛，可利用互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，屬于數(shù)據(jù)量較大的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控屬于分布式離散化的系統(tǒng)。不同層之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸減少了這樣的一個(gè)差異性。

熱沖壓生產(chǎn)線中，為了更好地將視頻監(jiān)控系統(tǒng)和總控系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)的連接方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸采用雙絞線，但是熱沖壓現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾較多，部分區(qū)域采用光纖傳送。

采用OPNET仿真研究了采用交換機(jī)星型結(jié)構(gòu)和壓縮技術(shù)可實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)性視頻傳輸，高清視頻是指視頻格式在720P以上的視頻顯示，包括720p、1080p以及1080i。目前，主要的高清系統(tǒng)主要采用IP化壓縮網(wǎng)絡(luò)視頻的方式解決，也就是采用高碼流的傳輸方式。根據(jù)熱成形生產(chǎn)線高清視頻監(jiān)控的研究設(shè)計(jì)，采用多路高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和一個(gè)交換機(jī)組成的傳輸模型，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)高清視頻為720P和1080P。交換機(jī)背板帶寬設(shè)計(jì)要求交換機(jī)的背板寬帶大于等于總寬帶，即滿足C≤G。最后計(jì)算包交換率，要求網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的包交換率至少大于此計(jì)算的包交換率。

2.5 熱沖壓生產(chǎn)線視頻監(jiān)控的安全生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)

從生產(chǎn)線中復(fù)雜的零件中提取出有用的信息是關(guān)鍵。視頻由一幀一幀在時(shí)間上連續(xù)的圖像組成，即通過處理圖像中的信息就可以實(shí)現(xiàn)視頻信息的實(shí)時(shí)處理，能夠快速識(shí)別出物理對(duì)象中的位置和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)等重要信息。成功構(gòu)建了高強(qiáng)鋼板熱沖壓生產(chǎn)線的互聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在安全區(qū)對(duì)高危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)長周期遠(yuǎn)程監(jiān)控，或無線聯(lián)接手機(jī)應(yīng)用客戶端監(jiān)控。

該系統(tǒng)在多條生產(chǎn)線上投入運(yùn)行，對(duì)提高生產(chǎn)安全性有良好的保障作用。同時(shí)，對(duì)意外故障，可以從循環(huán)數(shù)據(jù)庫中提取視頻記錄，用于故障的重現(xiàn)和分析，從而優(yōu)化改善生產(chǎn)線的總控制系統(tǒng)

3 結(jié)語

熱沖壓生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足實(shí)時(shí)顯示、視頻回放和圖像抓拍的功能。根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理和熱沖壓生產(chǎn)線的安全性要求，成功開發(fā)了生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在安全區(qū)域?qū)ξｋU(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出了采用視頻監(jiān)控圖像特征的識(shí)別方法，快速提取了熱沖壓生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)動(dòng)位置，并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置及輸送裝置的運(yùn)動(dòng)干涉識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了安全碰撞避讓控制。

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