劉正超 屠袁飛 劉犇

摘 要：隨著國(guó)家2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)的提出，制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)成為各注塑企業(yè)都將面臨的問題。為打造個(gè)性化的智能工廠，解決傳統(tǒng)注塑制造企業(yè)生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)過(guò)程不可控的問題，實(shí)現(xiàn)注塑生產(chǎn)實(shí)時(shí)高效、過(guò)程可視化、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化目標(biāo)，現(xiàn)提出設(shè)計(jì)基于LoRa無(wú)線通信技術(shù)的注塑機(jī)聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)工廠看板實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題;通過(guò)生產(chǎn)管理實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，清晰了解生產(chǎn)進(jìn)度;通過(guò)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、圖表直觀體現(xiàn)，全面掌握工廠情況，為注塑企業(yè)實(shí)現(xiàn)“注塑工業(yè)4.0”提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：注塑企業(yè);智能工廠;LoRa;注塑工業(yè)4.0

0? ? 引言

當(dāng)前，大多數(shù)注塑制造企業(yè)的計(jì)劃排班仍通過(guò)口述下達(dá)計(jì)劃，因生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)度不可控，常常導(dǎo)致計(jì)劃產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量相差較遠(yuǎn)，員工工作效率得不到保證，生產(chǎn)計(jì)劃不能按時(shí)完成。一個(gè)班次結(jié)束后，需要安排專門的人員對(duì)當(dāng)前班次產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，然后以人工錄入產(chǎn)量報(bào)表系統(tǒng)的方式進(jìn)行匯總分析，這就大大降低了工作效率，且容易出現(xiàn)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)上的誤差。因此，企業(yè)計(jì)劃制訂者和部門管理者亟需實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的可視化，于是設(shè)計(jì)基于LoRa無(wú)線通信技術(shù)的注塑機(jī)聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)成為實(shí)現(xiàn)“注塑工業(yè)4.0”的重要組成部分。

1? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如今，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)得到了廣泛推廣和應(yīng)用，低功耗、大連接、長(zhǎng)距離的LoRa無(wú)線通信技術(shù)得到了廣大物聯(lián)網(wǎng)用戶的青睞，加速了智慧注塑工廠的轉(zhuǎn)型升級(jí)。LoRa無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸相較于傳統(tǒng)的有線傳輸方式，大大節(jié)省了實(shí)施成本，更加穩(wěn)定，同時(shí)LoRa技術(shù)自帶AES128加密算法，保證了通信數(shù)據(jù)的安全性。

現(xiàn)提出針對(duì)注塑生產(chǎn)企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，主要是基于LoRa新技術(shù)為注塑企業(yè)實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)聯(lián)網(wǎng)，并依靠信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)生產(chǎn)車間的全過(guò)程監(jiān)控管理，其中包括對(duì)設(shè)備的管理和操作人員的管理，并依據(jù)云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備保養(yǎng)周期、檢修周期、更換周期的管理，從而實(shí)現(xiàn)智能管理目標(biāo)，更高效地服務(wù)好每一個(gè)用戶。

1.1? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本系統(tǒng)的研究旨在實(shí)現(xiàn)注塑企業(yè)生產(chǎn)工藝信息實(shí)時(shí)顯示和生產(chǎn)管理的功能，以達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控?？梢詫?shí)時(shí)獲取當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)對(duì)設(shè)備出現(xiàn)的問題進(jìn)行響應(yīng)。

（2）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。監(jiān)控注塑機(jī)當(dāng)前生產(chǎn)的產(chǎn)品、單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)量、單個(gè)產(chǎn)品的節(jié)拍工時(shí)、生產(chǎn)合格率等。根據(jù)設(shè)定的比較基數(shù)與實(shí)際值進(jìn)行比較，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)量與設(shè)定數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，超差報(bào)警。根據(jù)單個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)間周期與設(shè)定的時(shí)間周期進(jìn)行對(duì)比，超差報(bào)警。

（3）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表自動(dòng)分析對(duì)比。自動(dòng)分析產(chǎn)量的達(dá)成率、合格率、直通率，實(shí)現(xiàn)效率分析等，支持報(bào)警數(shù)據(jù)的問題追溯。

（4）逐步實(shí)現(xiàn)企業(yè)減員增效，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，最終提高注塑企業(yè)信息化管理水平，實(shí)現(xiàn)效益最大化、可持續(xù)化等。

1.2? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)注塑車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄、報(bào)警提示、效率分析、產(chǎn)品工藝信息動(dòng)態(tài)性維護(hù)等功能，保證車間生產(chǎn)運(yùn)行更加高效、可控，本系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用B/S架構(gòu)，形成“管理端+智能數(shù)采集中器+數(shù)采可視終端”的立體化管理模型。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.3? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

數(shù)據(jù)采集層主要用于采集注塑機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。該層每臺(tái)注塑機(jī)配置一臺(tái)數(shù)采可視終端，數(shù)采可視終端與注塑機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議，實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)采可視終端對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，然后顯示到終端觸摸大屏，具體畫面內(nèi)容如圖2所示。在觸摸屏上可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前生產(chǎn)的所有信息，并支持產(chǎn)量跟蹤、報(bào)警上報(bào)的功能，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa技術(shù)上傳到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)層。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)層主要通過(guò)智能數(shù)采集中器應(yīng)用LoRa無(wú)線通信技術(shù)實(shí)時(shí)采集每臺(tái)數(shù)采可視終端的數(shù)據(jù)，并可下達(dá)命令給每臺(tái)終端，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到云服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)端到云的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層主要用于客戶端遠(yuǎn)程訪問云端數(shù)據(jù)庫(kù)獲取當(dāng)前設(shè)備計(jì)劃的執(zhí)行情況。通過(guò)圖表直觀掌握工廠整個(gè)生產(chǎn)的過(guò)程，無(wú)須添加任何其他中間環(huán)節(jié)，就可實(shí)現(xiàn)LoRa應(yīng)用方案的數(shù)據(jù)傳輸。

2? ? 數(shù)據(jù)采集原理分析

2.1? ? 終端數(shù)據(jù)采集

每臺(tái)注塑機(jī)都有Modbus通信接口，支持TCP/IP和RS485通信兩種方式。數(shù)采可視終端固定于車間現(xiàn)場(chǎng)，可進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、工藝等相關(guān)操作，與注塑機(jī)采用RS485通信方式，實(shí)時(shí)采集注塑機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)采可視終端自帶可編程邏輯控制器，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程處理后打包，打包后的數(shù)據(jù)通過(guò)LoRa技術(shù)發(fā)送到智能數(shù)采集中器，并有專用接口與可視觸摸終端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

2.2? ? 云端數(shù)據(jù)采集

云端數(shù)據(jù)的采集主要通過(guò)智能數(shù)采集中器完成。智能數(shù)采集中器可采用TCP或MQTT方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器中。具體的功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.3? ? 客戶端數(shù)據(jù)展示

客戶端數(shù)據(jù)主要來(lái)源于云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，根據(jù)云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)整合、質(zhì)量分析、報(bào)表分析，實(shí)現(xiàn)注塑企業(yè)管理者遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)度的跟蹤，及時(shí)解決出現(xiàn)的問題，并可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)情況及報(bào)警信息進(jìn)行溯源，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，提高生產(chǎn)效率。通過(guò)數(shù)據(jù)整合，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，直觀查看統(tǒng)計(jì)信息。具體的質(zhì)量分析圖如圖4所示。

3? ? 系統(tǒng)功能優(yōu)勢(shì)

（1）可實(shí)時(shí)采集、處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)物料信息、注塑機(jī)設(shè)備及模具、計(jì)劃管理、生產(chǎn)進(jìn)度、質(zhì)量信息等的系統(tǒng)化管理與采集，使注塑企業(yè)生產(chǎn)管理者能夠隨時(shí)掌控生產(chǎn)狀態(tài)，保證決策的時(shí)效性和有效性。

（2）對(duì)生產(chǎn)流程的優(yōu)化提高了生產(chǎn)效率。生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)更新，有利于及時(shí)了解設(shè)備可能出現(xiàn)的問題，加快企業(yè)各部門管理決策的協(xié)調(diào)響應(yīng)速度。

（3）完善的數(shù)據(jù)信息，為企業(yè)制訂發(fā)展戰(zhàn)略提供了依據(jù)?？筛鶕?jù)目前的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀，制訂合理的發(fā)展目標(biāo)，進(jìn)一步提升企業(yè)的智能化水平。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文所述基于LoRa無(wú)線通信技術(shù)的注塑機(jī)聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，有效解決了注塑企業(yè)生產(chǎn)效率低下、計(jì)劃安排不合理的問題，通過(guò)減員增效大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，基于完善的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)溯源系統(tǒng)的應(yīng)用，企業(yè)管理者能夠更加清晰地了解生產(chǎn)情況，有利于企業(yè)決策者做出更加合理的計(jì)劃安排和決策部署，并為實(shí)現(xiàn)“注塑工業(yè)4.0”提供了模板和技術(shù)支撐。

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收稿日期：2021-03-16

作者簡(jiǎn)介：劉正超（1990—），男，江蘇淮安人，助理工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、電氣自動(dòng)化。