邢明亮，鄧三鵬，周旺發(fā)，佘明輝

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)器人及智能裝備研究院，天津 300222；2.天津市智能機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3.天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津 300350；4.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351119）

0 引言

目前，大多數(shù)的裝配生產(chǎn)線是通過(guò)人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在人口紅利逐漸消失的大環(huán)境下，給企業(yè)帶來(lái)了巨大的成本壓力[1]。針對(duì)這一現(xiàn)象，以包括工業(yè)機(jī)器人，PLC，RFID 和智能相機(jī)等設(shè)備的智能裝配生產(chǎn)線為例，開(kāi)發(fā)一套實(shí)用的云監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)云端服務(wù)器的運(yùn)行能力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及遠(yuǎn)程監(jiān)控，完成產(chǎn)品裝配生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集及可視化呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了裝配生產(chǎn)線的透明化管理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

云監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)可分為4 層，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層和設(shè)備層。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，并完成與工作人員的交互。網(wǎng)絡(luò)層在系統(tǒng)中起承上啟下的作用，向上通過(guò)HTTP通信協(xié)議接受業(yè)務(wù)要求，向下通過(guò)MQTT 通信協(xié)議接受網(wǎng)關(guān)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)讀寫數(shù)據(jù)和緩存數(shù)據(jù)等操作，并下達(dá)指令要求?？刂茖雍驮O(shè)備層緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)資源的高度集成，同時(shí)可實(shí)時(shí)采集多源數(shù)據(jù)，并將其傳送至MySQL 云數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)備層中的傳感器、智能相機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、RFID 識(shí)別、無(wú)線網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，再通過(guò)控制層的PLC、觸摸屏HMI 及監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制生產(chǎn)設(shè)備的功能，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理、顯示、實(shí)現(xiàn)工作人員遠(yuǎn)程隨時(shí)隨地用不同的IT 設(shè)備對(duì)裝配生產(chǎn)線的情況進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)情況做出及時(shí)處理。

根據(jù)智能裝配生產(chǎn)線的特點(diǎn)設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的6大功能模塊。生產(chǎn)看板模塊：直觀顯示現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并控制設(shè)備的離線和在線狀態(tài)。設(shè)備監(jiān)控模塊：對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的角度、位置和速度，智能相機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等重要信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作控制。生產(chǎn)進(jìn)度模塊：通過(guò)對(duì)PLC 數(shù)據(jù)塊的信息采集，獲取生產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，得知訂單的生產(chǎn)進(jìn)度。倉(cāng)庫(kù)管理模塊：通過(guò)傳感器技術(shù)對(duì)物料進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，RFID 射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)跟蹤物料狀態(tài)信息，并進(jìn)行生產(chǎn)信息追溯。統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊：對(duì)剛輪、中間法蘭、輸出法蘭和軸套組合體原料消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，方便對(duì)成品的出入庫(kù)記錄和查詢。生產(chǎn)管理模塊：接受訂單，并將接收到的生產(chǎn)訂單分解、生成BOM 表，下達(dá)至各個(gè)工位，當(dāng)生產(chǎn)線發(fā)生生產(chǎn)異常時(shí)，自動(dòng)彈出新的對(duì)話框提示工作人員。

2 數(shù)據(jù)采集

在設(shè)計(jì)的智能裝配生產(chǎn)線中使用PLC 作為主控制器，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信配合工業(yè)機(jī)器人、智能相機(jī)等設(shè)備完成外圍控制任務(wù)，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集如圖2 所示。通過(guò)PLC 采集數(shù)據(jù)主要有2 種方式：（1）網(wǎng)關(guān)通過(guò)交換機(jī)與PLC 通信，在PLC 寄存器中采集出機(jī)器人及其他設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)；（2）利用PLC 的CPU 以及子模塊提供的I/O 口作為數(shù)據(jù)采集的接口，安裝傳感器直接對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集

機(jī)器人控制柜通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器和傳感器實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)。工業(yè)機(jī)器人編程軟件將控制柜中工業(yè)機(jī)器人的軸速度、軸位置等狀態(tài)數(shù)據(jù)生成代碼，下載到PLC 寄存器中，完成對(duì)工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。

智能相機(jī)獲取減速器模型的中間法蘭、輸出法蘭圖像，算法平臺(tái)將法蘭的位置信息轉(zhuǎn)化為機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置，并按照機(jī)器人的固定通信格式（物體坐標(biāo)參數(shù)、物體屬性參數(shù)、物體ID 編碼）傳輸給機(jī)器人控制柜，機(jī)器人根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)按照指定軌跡運(yùn)動(dòng)。

RFID 是一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集及射頻識(shí)別技術(shù)[2]。在剛輪物料上綁定RFID 電子標(biāo)簽，在伺服變位模塊上安裝RFID 讀寫器，通過(guò)信號(hào)線直接將PLC 的RF120C 通信模塊與RFID 電子標(biāo)簽相連，在剛輪搬運(yùn)時(shí)根據(jù)規(guī)則由讀寫器將剛輪信息寫入RFID 電子標(biāo)簽中，并將剛輪信息同步傳輸?shù)皆票O(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)發(fā)送指令控制機(jī)器人動(dòng)作，每次搬運(yùn)剛輪和成品入庫(kù)時(shí)RFID 都會(huì)讀取標(biāo)簽內(nèi)容，判斷是否與監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度一致，完成RFID 的復(fù)位、寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的功能。

3 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理

云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以把智能裝配生產(chǎn)線所需的數(shù)據(jù)都放到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)存取、運(yùn)算等目的[3]。網(wǎng)關(guān)可以通過(guò)不同協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，然后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MQTT 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以發(fā)送到云端，減少了連接到云平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量。以云服務(wù)器為核心，將MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)、Web 服務(wù)等部署在云服務(wù)器上，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將智能裝配生產(chǎn)線的狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖3 所示。

網(wǎng)關(guān)通過(guò)交換機(jī)分別與現(xiàn)場(chǎng)控制器PLC、機(jī)器人、智能相機(jī)、變頻器以及HMI 連接，通過(guò)PLC 采集數(shù)據(jù)存入內(nèi)部寄存器后，確定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的PLC 變量地址，并在網(wǎng)關(guān)的配置軟件中創(chuàng)建相應(yīng)的變量，網(wǎng)關(guān)按照ModbusTCP 協(xié)議規(guī)則進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部計(jì)算，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MQTT 協(xié)議的JOSN 格式，實(shí)現(xiàn)PLC 寄存器地址與MQTT 地址對(duì)應(yīng)的關(guān)系，然后在網(wǎng)關(guān)中保存。

網(wǎng)關(guān)通過(guò)HTTP 獲得域名解析出IP 地址，與連接的云服務(wù)器外網(wǎng)IP 地址一致，生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT 通信協(xié)議同步到MySQL 云數(shù)據(jù)庫(kù)中，與云服務(wù)器完成信息交互，客戶端通過(guò)HTTP 訪問(wèn)接入云服務(wù)器的HTTP 端口獲取云上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)與客戶端三者可在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過(guò)接入互聯(lián)網(wǎng)建立連接，任何安裝瀏覽器的客戶端只要向云服務(wù)器發(fā)送指令，即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)PLC 及下層設(shè)備與工作人員的遠(yuǎn)程通信。

4 Web 應(yīng)用開(kāi)發(fā)

使用移動(dòng)可視化開(kāi)發(fā)、Web 可視化開(kāi)發(fā)、業(yè)務(wù)邏輯開(kāi)發(fā)工具，搭建系統(tǒng)界面，配置控件的數(shù)據(jù)源與網(wǎng)關(guān)設(shè)備相對(duì)應(yīng)，通過(guò)可視化編程的方式搭建自己的業(yè)務(wù)服務(wù)，并發(fā)布到服務(wù)端實(shí)現(xiàn)設(shè)備與云的聯(lián)動(dòng)控制。云監(jiān)控系統(tǒng)界面總體由生產(chǎn)看板，設(shè)備監(jiān)控（圖4）、生產(chǎn)進(jìn)度（圖5）、生產(chǎn)管理、倉(cāng)庫(kù)管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)六個(gè)模塊組成，工作人員通過(guò)遠(yuǎn)程輸入地址即可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能裝配生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖4 設(shè)備監(jiān)控

圖5 生產(chǎn)進(jìn)度

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為驗(yàn)證智能裝配生產(chǎn)線云監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，以減速器模型的裝配為例，對(duì)智能相機(jī)數(shù)據(jù)、機(jī)器人第五個(gè)關(guān)節(jié)角度以及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試。智能裝配生產(chǎn)線選用CPU-1214 DC/DC/DC 型號(hào)的西門子PLC 為主控制器，型號(hào)為KUKA-KR4 的庫(kù)卡機(jī)器人完成減速器模型裝配的動(dòng)作、華睿科技12CG-E小面陣工業(yè)相機(jī)完成原料的識(shí)別和定位。云監(jiān)控系統(tǒng)采用5G 網(wǎng)絡(luò)連接到外網(wǎng)供遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

經(jīng)過(guò)3個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，云監(jiān)控系統(tǒng)延遲可以控制在15 耀30 ms，可以滿足對(duì)智能裝配生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)性需求。生產(chǎn)看板如圖6 所示，智能相機(jī)捕獲的法蘭顏色和角度信息如表1 所示，機(jī)器人根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地完成減速器模型裝配，機(jī)器人第五關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)如圖7 所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試比對(duì)可知，設(shè)備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)均是正確的。從而驗(yàn)證該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

圖6 生產(chǎn)看板

表1 智能相機(jī)捕獲的法蘭顏色和角度信息

圖7 關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)云平臺(tái)、通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字化工廠的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集、處理、反饋?zhàn)兊糜葹橹匾?。針?duì)一種智能裝配生產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)一套云監(jiān)控系統(tǒng)，將PLC 采集到的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至云端進(jìn)行高級(jí)算法處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，并及時(shí)反饋到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，該云監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性好，降低了企業(yè)的用人成本，對(duì)企業(yè)的設(shè)備管理與維護(hù)產(chǎn)生了積極作用，具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。