面向中小企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

劉計(jì)良,苗 鵬,陳裕鵬,李 俊

(汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海洋學(xué)院,廣東 汕尾 516600)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是多關(guān)節(jié)的機(jī)械設(shè)備,可代替人完成重復(fù)性、繁重、危險(xiǎn)的工作[1]。工業(yè)機(jī)器人設(shè)備可與企業(yè)制造車間的其他自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及通信數(shù)據(jù)的共享,實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行。但工業(yè)機(jī)器人設(shè)備是專業(yè)設(shè)備,其運(yùn)行及維護(hù)需要專業(yè)人士跟進(jìn),尤其是遠(yuǎn)程快速監(jiān)測(cè)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與報(bào)警信息對(duì)設(shè)備診斷及維修具有至關(guān)重要的作用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與云制造[2-4]技術(shù)的發(fā)展加快了設(shè)備的更新?lián)Q代,企業(yè)現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備大多有數(shù)據(jù)通信接口,通過(guò)后期平臺(tái)系統(tǒng)的搭建可實(shí)現(xiàn)對(duì)中小制造企業(yè)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的遠(yuǎn)程管理、監(jiān)測(cè)及維護(hù)。本研究以汕尾市中小企業(yè)國(guó)產(chǎn)某工業(yè)機(jī)器人為例,設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人硬件設(shè)備的利用及整合,為信息化平臺(tái)建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

李伯虎率先就云制造的概念、基礎(chǔ)架構(gòu)及硬件資源的接入等方面做了較為全面的研究,根據(jù)實(shí)際案例針對(duì)性地提出了面向大型企業(yè)及中小微企業(yè)在云制造運(yùn)行模式及涉及的核心技術(shù)問(wèn)題[5]。戰(zhàn)德臣[6]等提出積極利用大型企業(yè)集團(tuán)的資源優(yōu)勢(shì)建立云制造平臺(tái),實(shí)現(xiàn)與中小制造企業(yè)的資源共享,帶動(dòng)中小企業(yè)的信息化發(fā)展。尹超[7]等提出面向中小企業(yè)的云制造平臺(tái),整合中小企業(yè)間的硬件設(shè)備資源,為其應(yīng)用云制造技術(shù)提供了理論技術(shù)支撐。

斯坦福大學(xué)與麻省理工提出并應(yīng)用了遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)[8],實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床等設(shè)備的遠(yuǎn)程接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程控制及故障診斷,對(duì)新一代的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)嵌入式應(yīng)用推廣起到了關(guān)鍵作用[9]。很多日本車企已實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床、PLC技術(shù)的遠(yuǎn)程控制及管理,實(shí)現(xiàn)了客戶設(shè)備故障的遠(yuǎn)程監(jiān)控及處理,提升了設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理及開(kāi)工運(yùn)行效率。我國(guó)于20世紀(jì)后期開(kāi)始對(duì)工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制等方面做了大量的理論研究及實(shí)踐應(yīng)用,其中最具代表性的是哈工大提出的嵌入式遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)[10],該系統(tǒng)的面世標(biāo)志著我國(guó)在工業(yè)生產(chǎn)及云制造領(lǐng)域的研究及應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破,為推進(jìn)工業(yè)制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型升級(jí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的接入

云平臺(tái)的硬件設(shè)備層是將企業(yè)內(nèi)部的工業(yè)機(jī)器人硬件設(shè)備通過(guò)廠家的通信接口連接到平臺(tái),設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)將不同企業(yè)、不同類型的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備信息進(jìn)行統(tǒng)一管理及調(diào)用,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與硬件設(shè)備的互聯(lián)互通。云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)可查看設(shè)備所屬企業(yè)、品牌、類型、型號(hào)、運(yùn)行狀態(tài)等信息。中小制造業(yè)企業(yè)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)備查看、增加、修改及刪除等操作,設(shè)備詳細(xì)參數(shù)會(huì)同步到管理數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控底層設(shè)備層的接入。

1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成

遠(yuǎn)程監(jiān)控是通過(guò)電腦主機(jī)利用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離設(shè)備的監(jiān)視及控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是控制端與被控端共同組成的能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互的軟、硬件系統(tǒng),該系統(tǒng)的應(yīng)用基本實(shí)現(xiàn)了生活場(chǎng)景中所涉及的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作、管理及應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能化管理,形成了各種類型設(shè)備管理云端化的應(yīng)用模式。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要涉及的核心模塊是數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的信息交換。數(shù)據(jù)采集是將各種聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一云端化,形成設(shè)備數(shù)據(jù)的資源數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)信息交互模塊與設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)比對(duì),控制端的設(shè)備管理員需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行相應(yīng)操作,被控端的設(shè)備則根據(jù)控制端傳輸過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)。

1.3 用戶管理模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 流程框架體系搭建

用戶管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在考慮安全的前提下盡可能使用國(guó)產(chǎn)編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),主要的核心模塊包括用戶界面、硬件設(shè)備控制界面、設(shè)備添加界面、修改界面及監(jiān)控界面等,以及用戶及設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。用戶點(diǎn)擊登錄,用戶數(shù)據(jù)庫(kù)將進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì),實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶身份、權(quán)限及注冊(cè)新用戶使用審核。登錄界面結(jié)合企業(yè)特色進(jìn)行布局設(shè)計(jì),登錄窗口實(shí)現(xiàn)用戶登錄、賬戶錯(cuò)誤提示、注冊(cè)新賬戶、密保問(wèn)題及密碼找回等功能。

登錄賬戶。本系統(tǒng)需要賬號(hào)和密碼才可登錄,用戶點(diǎn)擊登錄后,后臺(tái)用戶賬戶數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)對(duì)用戶的賬號(hào)和密碼進(jìn)行驗(yàn)證,予以通過(guò)或拒絕。

密碼找回。當(dāng)用戶忘記密碼或密碼連續(xù)輸入錯(cuò)誤可按照系統(tǒng)提示進(jìn)行密碼找回。

注冊(cè)新賬戶。新加盟的設(shè)備提供商或制造業(yè)普通用戶可通過(guò)登錄界面注冊(cè)使用賬戶。

1.3.2 用戶數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

用戶數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)SQL進(jìn)行搭建,核心是將企業(yè)用戶、普通用戶及后臺(tái)管理員賬戶等進(jìn)行分類管理及使用權(quán)限的賦予,實(shí)現(xiàn)后臺(tái)管理者對(duì)普通用戶和企業(yè)用戶的遠(yuǎn)程登錄及技術(shù)支持。通過(guò)搭建動(dòng)態(tài)的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)列表,實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新及調(diào)整,利用加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶數(shù)據(jù)庫(kù)信息的保護(hù)及安全高效運(yùn)行。

1.3.3 工作流程

云平臺(tái)管理后臺(tái)提供給企業(yè)用戶登錄網(wǎng)址,中小工業(yè)機(jī)器人企業(yè)用戶可根據(jù)需要進(jìn)行賬號(hào)注冊(cè)及登錄,平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)提供密碼找回、賬戶注銷、賬號(hào)切換等遠(yuǎn)程輔助用戶登錄服務(wù)。當(dāng)企業(yè)用戶注冊(cè)登錄賬號(hào)后,可根據(jù)操作提示對(duì)本企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人硬件設(shè)備進(jìn)行資源云化,將企業(yè)內(nèi)部的設(shè)備實(shí)現(xiàn)云端化監(jiān)控及管理。

1.3.4 企業(yè)設(shè)備界面

企業(yè)將工業(yè)機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)云端化后,根據(jù)工業(yè)機(jī)器人所屬的品牌及功能進(jìn)行分類管理,目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的工業(yè)機(jī)器人品牌包括ABB、KUKA、發(fā)那科、安川、華數(shù)、新松等。按照工業(yè)機(jī)器人的功能又可劃分為焊接、搬運(yùn)、涂膠、噴涂等類型。本系統(tǒng)采用同品牌的工業(yè)機(jī)器人功能分類,以便用戶在數(shù)據(jù)庫(kù)中更便捷地查找所需的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備信息。

1.3.5 云平臺(tái)系統(tǒng)工作流程

用戶成功登錄云平臺(tái)系統(tǒng)界面后,普通用戶可操作的設(shè)備界面主要包括設(shè)備目錄、設(shè)備信息列表、添加設(shè)備按鍵、刪除設(shè)備按鍵、遠(yuǎn)程控制按鍵、實(shí)時(shí)監(jiān)視按鍵及往期錄像按鍵。企業(yè)用戶登錄設(shè)備界面后,按照界面的信息提示進(jìn)行設(shè)備信息錄入,完成新設(shè)備的添加。不同類型的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備參數(shù)可根據(jù)詳細(xì)參數(shù)界面對(duì)工業(yè)機(jī)器人各類參數(shù)進(jìn)行添加,以便區(qū)分不同工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的使用精度及應(yīng)用范圍。

1.3.6 設(shè)備添加界面的設(shè)計(jì)

添加設(shè)備界面中主要添加設(shè)備的基本信息,包括設(shè)備所屬企業(yè)、機(jī)器人設(shè)備命名、機(jī)器人所屬品牌、設(shè)備類型、運(yùn)行速度、設(shè)備精度及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等基本信息,方便用戶了解設(shè)備的基本狀況。設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)是由中小企業(yè)群體共同接入添加而來(lái),工業(yè)機(jī)器人設(shè)備云端化操作步驟如圖1所示。

1.3.7 遠(yuǎn)程控制功能

工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的核心基礎(chǔ)是企業(yè)工業(yè)機(jī)器人與其他硬件設(shè)備的遠(yuǎn)程接入及工業(yè)機(jī)器人的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化,將工業(yè)機(jī)器人的設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)云端化,形成設(shè)備數(shù)據(jù)資源池,通過(guò)計(jì)算機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的遠(yuǎn)程控制及管理[11]。中小企業(yè)云平臺(tái)可模擬和仿真企業(yè)生產(chǎn)制造場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能管理。在對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí),賦予每臺(tái)設(shè)備不同的IP地址及通信地址,云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源虛擬化,批量化的云計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)大量設(shè)備的管理及控制。用戶使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及控制,進(jìn)一步降低了企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)設(shè)備的智能網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)監(jiān)控及管理。

2 測(cè)試設(shè)備的搭建

測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案以該工業(yè)機(jī)器人的焊接機(jī)器人為例進(jìn)行搭建(如圖2所示),其中計(jì)算機(jī)A可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的連接與控制。安裝在機(jī)器人設(shè)備上的各類傳感器及監(jiān)控設(shè)備可將采集到的工業(yè)機(jī)器人信息數(shù)據(jù)通過(guò)信息通道傳輸?shù)接?jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)進(jìn)行云端化傳輸?shù)街行∑髽I(yè)工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制平臺(tái),普通用戶可通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)訪問(wèn)云平臺(tái),實(shí)時(shí)查看工業(yè)機(jī)器人的設(shè)備信息及加工運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖2 設(shè)備搭建

遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制是工業(yè)機(jī)器人設(shè)備在加工運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵功能,當(dāng)運(yùn)動(dòng)傳感器或視頻采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常范圍,平臺(tái)第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警信息,工作人員可及時(shí)查看工業(yè)機(jī)器人的加工運(yùn)行信息,當(dāng)判斷為情況異常則遠(yuǎn)程停止工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行,若為傳感器采集數(shù)據(jù)異常而實(shí)際加工運(yùn)行無(wú)問(wèn)題,則可取消報(bào)警信息,工業(yè)機(jī)器人繼續(xù)正常工作。

溫濕度采集功能是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。溫濕度是影響工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行的重要因素,溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人的壓縮機(jī)散熱受阻,空壓機(jī)受熱保護(hù)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。溫濕度對(duì)于焊接機(jī)器人的加工運(yùn)行會(huì)造成一定的影響,常見(jiàn)的熱脹冷縮、縮孔縮松等缺陷均與溫濕度等參數(shù)有一定的關(guān)系,環(huán)境中的溫濕度信息采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面和單次采集界面,用戶可隨時(shí)查看采集到的企業(yè)車間溫濕度數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度信息的控制,用戶可采用單次采集的方式,對(duì)于工業(yè)機(jī)器人加工環(huán)境溫濕度要求不高的場(chǎng)景也可采用此界面。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果,中小企業(yè)工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程視頻信息提取、采集數(shù)據(jù)云端化、IP分配、普通及后臺(tái)用戶登錄、數(shù)據(jù)傳輸、用戶對(duì)工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的遠(yuǎn)程狀態(tài)查看及控制,基本實(shí)現(xiàn)了需要測(cè)試的功能,后期將對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息時(shí)效性進(jìn)行進(jìn)一步拓展,確保平臺(tái)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行。