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        一種基于小型生產(chǎn)線設(shè)備的邊緣網(wǎng)關(guān)與工業(yè)云設(shè)計

        2022-05-11 08:57:08崔美玉李欣陽武學(xué)義胡沐烽馮雨軒陳遠(yuǎn)烽但一真
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年13期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)線云端車間

        崔美玉 李欣陽 武學(xué)義 胡沐烽 馮雨軒 陳遠(yuǎn)烽 但一真

        (西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500)

        近年智能制造概念在全球范圍內(nèi)的興起, 使企業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備的使用和管理的要求越來越高, 當(dāng)前工業(yè)自動生產(chǎn)線對生產(chǎn)工作流程的實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析尤為重要。針對以上問題,本設(shè)計基于一套小型生產(chǎn)線設(shè)備,對產(chǎn)線進(jìn)行自動化與信息化開發(fā),通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),利用PLC、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器完成設(shè)備運(yùn)行信息采集和監(jiān)測,對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控更加可視化,對能源的利用更加充分,實現(xiàn)最佳的生產(chǎn)流程,提高了產(chǎn)線生產(chǎn)效率[1]。

        1 工藝流程分析

        物料加工流程為常見的離散行業(yè)控制,整個加工工藝流程分為6 個站(圖1),分別是主件供料站、次品分揀站、旋轉(zhuǎn)工作站、方向調(diào)整站、產(chǎn)品組裝站和產(chǎn)品分揀站。6 個站對物料分別完成出庫、高度檢測、方向調(diào)整0°或90°、方向調(diào)整0°或180°、輔料裝配、產(chǎn)品顏色分揀操作,整套流程操作完畢后,如圖2 所示的輔料件1(推桿及彈簧墊片的組合體)和輔料件2(頂絲)裝配到物料中。

        圖1 產(chǎn)線實物圖

        圖2 產(chǎn)品裝配示意圖

        整個加工工藝采用點到點的方式,眾多傳感器檢測產(chǎn)線設(shè)備的運(yùn)行狀況,將檢測數(shù)據(jù)傳給控制器,控制器輸出相應(yīng)的控制信號給執(zhí)行器,通過各站連續(xù)的步驟完成對物料的加工出產(chǎn)。

        2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

        工廠網(wǎng)絡(luò)主要包含企業(yè)管理中心、控制中心和產(chǎn)線3部分。產(chǎn)線內(nèi)部有PLC,用于控制工藝單元內(nèi)部生產(chǎn)加工操作[2]。生產(chǎn)管理層主要有企業(yè)級WinCC監(jiān)控系統(tǒng),用于遠(yuǎn)端監(jiān)控和管理車間內(nèi)部生產(chǎn)情況??刂浦行难b配有車間級WinCC 監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)車間內(nèi)部生產(chǎn)情況的就地監(jiān)控和管理。產(chǎn)線上人機(jī)交互HMI 用于車間生產(chǎn)的集中調(diào)度處理;智能網(wǎng)關(guān),用于采集PLC 中的數(shù)據(jù)并上傳至云端;PLC 通過I/O口對產(chǎn)線信號實時采集并控制產(chǎn)線運(yùn)行。此外云端還有一套信息可視化系統(tǒng),生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯聚到智能網(wǎng)關(guān)后,上傳至信息可視化系統(tǒng)中,管理人員可直接通過云端數(shù)據(jù)看板實時監(jiān)控到產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。(圖3)

        圖3 網(wǎng)絡(luò)層次圖

        產(chǎn)線內(nèi)有PLC、iot2040、HMI 以及控制中心的車間級WinCC 監(jiān)控系統(tǒng),這里采用一個三層交換機(jī),交換機(jī)型號為SCALANCE XB008,具有8 個RJ45 端口,以三層交換機(jī)為核心構(gòu)成的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),后期還可通過增加交換機(jī)數(shù)量以構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的方式來擴(kuò)展產(chǎn)線數(shù)量,采用HRP 協(xié)議保證環(huán)內(nèi)正常通信??紤]工業(yè)信息安全,由于企業(yè)管理中心與外網(wǎng)相連,為防止不法分子通過外網(wǎng)入侵工業(yè)控制系統(tǒng),企業(yè)管理中心與控制中心之間需使用安全隔離手段,采用S615 安全模塊,通過設(shè)置IP Rules 保護(hù)工廠中PLC等設(shè)備不被惡意攻擊。由于企業(yè)管理中心的企業(yè)級WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)與產(chǎn)線之間架設(shè)距離較遠(yuǎn),對傳輸介質(zhì)做冗余,當(dāng)一條傳輸介質(zhì)損壞時另一條還能繼續(xù)工作,保證數(shù)據(jù)傳輸(圖4)。

        圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

        3 云端數(shù)據(jù)看板設(shè)計

        3.1 Node-RED搭建云端數(shù)據(jù)看板界面

        在Node-RED 環(huán)境下編程,設(shè)計云端UI 看板,實時監(jiān)測多組工業(yè)數(shù)據(jù)的變化信息,如數(shù)據(jù)詳情、變化時間、實時天氣和時間的獲取、實時數(shù)據(jù)的獲取,傳輸、要求數(shù)據(jù)采集與過程分析等功能,云端數(shù)據(jù)看板構(gòu)建框架圖如圖5 所示。

        圖5 云端數(shù)據(jù)看板構(gòu)建框架圖

        3.2 云端系統(tǒng)測試及結(jié)果

        從圖6 中我們可以看到,主件供料站中,設(shè)定的物料加工件數(shù)為10 個,現(xiàn)已加工5 個,剩余待加工數(shù)5 個,搬運(yùn)速率實時顯示結(jié)果為5.26 個/分鐘,其統(tǒng)計數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)相吻合。利用該UI 看板可及時了解到設(shè)備的搬運(yùn)詳情與搬運(yùn)速率等情況,并可在控制站頁面,控制設(shè)備的急停與初始化狀態(tài)等。

        圖6 主件供料站云端監(jiān)控界面

        4 車間級winCC 監(jiān)控界面

        4.1 設(shè)計總述

        車間級WinCC監(jiān)控的地點在車間內(nèi)的中央控制室,對產(chǎn)線進(jìn)行最全面、最細(xì)致的監(jiān)控。在生產(chǎn)中,某些無法監(jiān)測的原因會導(dǎo)致產(chǎn)線生產(chǎn)效率降低,如電機(jī)過載、物料卡住等情況,為保證正常生產(chǎn)和生產(chǎn)效率,車間級WinCC 對產(chǎn)出速率、物料投入和出產(chǎn)個數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,并以報表的形式記錄物料的投入時間及產(chǎn)品的出產(chǎn)時間等。配備報警功能,當(dāng)出產(chǎn)速率明顯降低或產(chǎn)品出產(chǎn)個數(shù)和物料投入個數(shù)明顯不匹配時,系統(tǒng)將發(fā)出報警。(圖7)

        圖7 畫面結(jié)構(gòu)層次圖

        4.2 功能實施

        產(chǎn)線總覽界面包括產(chǎn)線整體動態(tài)可視化監(jiān)控及每個站點重要信號監(jiān)控。在此界面可以觀察每個站的運(yùn)行狀態(tài)以及急停、回零、故障等指示。(圖8)

        圖8 生產(chǎn)總覽界面

        計件功能:顯示搬運(yùn)物料的數(shù)量,并以報表的形式記錄每次搬運(yùn)成功的時間,并將搬運(yùn)成功的物塊以可視化的形式顯示在界面上。(圖9)

        圖9 計件功能

        高度統(tǒng)計趨勢圖:記錄工件高度隨件數(shù)的變化。(圖10)

        圖10 工件高度統(tǒng)計趨勢圖

        合格率趨勢圖:記錄合格率隨時間的變化。(圖11)

        圖11 合格率趨勢圖

        報警界面有報警視圖、報警確認(rèn)、界面轉(zhuǎn)換按鈕等功能。(圖12)

        圖12 報警界面

        5 數(shù)據(jù)交互方案

        5.1 設(shè)計總述

        在Node-RED 環(huán)境下編程,在數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)對歷史工業(yè)數(shù)據(jù)的查看,并能實時監(jiān)測多組工業(yè)數(shù)據(jù)的變化信息,如數(shù)據(jù)詳情、變化時間等。對工業(yè)設(shè)備的故障有一定的報警功能,及時并清楚的反應(yīng)設(shè)備出現(xiàn)問題的站臺與時間,數(shù)據(jù)交互框架圖如圖13 所示。

        圖13 數(shù)據(jù)交互框架圖

        5.2 數(shù)據(jù)庫接收數(shù)據(jù)功能的實現(xiàn)

        在智能網(wǎng)關(guān)Node-RED環(huán)境中基于S7 in(從PLC 讀取變量)、mqtt out(連接到MQTT 代理并發(fā)布消息)節(jié)點建立流程,使用mqtt 協(xié)議將PLC的變量數(shù)據(jù)實時傳送至云端代理服務(wù)器中。

        根據(jù)監(jiān)測“生產(chǎn)數(shù)據(jù)”和“故障報警”的數(shù)據(jù)表,以記錄經(jīng)Node-RED編程后上傳的工業(yè)數(shù)據(jù)信息。如圖14 所示,“生產(chǎn)數(shù)據(jù)”表內(nèi)記錄有:主件供料站所初始投入物料總數(shù)為10 個、產(chǎn)品分揀站中產(chǎn)品產(chǎn)出總數(shù)9 個、紅色產(chǎn)品總數(shù)1個、白色產(chǎn)品總數(shù)7 個、次品分揀站中檢出的次品數(shù)量2個、旋轉(zhuǎn)工作站旋轉(zhuǎn)調(diào)整物件數(shù)量7 個、方向調(diào)整站中方向調(diào)整物件數(shù)量7 個、以及各數(shù)據(jù)變化時間。如圖15 所示,“故障報警”表內(nèi)記錄有:各工作站的故障情況,任一站出現(xiàn)故障,則會上報“1”表示該站有故障及故障產(chǎn)生時間,如二站故障及三站故障記錄情況。

        圖14 數(shù)據(jù)庫“生產(chǎn)數(shù)據(jù)”報表圖

        圖15 數(shù)據(jù)庫“故障警報”報表圖

        6 結(jié)論

        該系統(tǒng)針對一套小型生產(chǎn)線設(shè)備,結(jié)合PLC 控制器、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、云平臺,設(shè)計了基于云平臺的設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng),完成了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)配置、云平臺的搭建、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、監(jiān)控界面的設(shè)計等[3]。能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備運(yùn)行信息遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設(shè)備產(chǎn)出產(chǎn)品合格率、設(shè)備運(yùn)行故障預(yù)警等功能。通過生產(chǎn)線設(shè)備測試表明,所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行,實時有效的監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行時實現(xiàn)車間管理監(jiān)控[4],工作人員都可以實時看到產(chǎn)線生產(chǎn)情況,可根據(jù)大數(shù)據(jù)監(jiān)測并結(jié)合市場需求及時控制產(chǎn)線產(chǎn)量,避免多度生產(chǎn)和資源浪費(fèi)。

        產(chǎn)線配備有備用PLC 控制器,產(chǎn)線原PLC 控制器發(fā)生故障時,可及時更替PLC控制器使產(chǎn)線不停產(chǎn),保證了產(chǎn)線的生產(chǎn)效率,避免PLC 故障時產(chǎn)線停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)。

        產(chǎn)線搭建有工業(yè)云平臺,使運(yùn)行數(shù)據(jù)在云端入庫,專業(yè)人員可對運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并結(jié)合產(chǎn)線的能量消耗,可得出產(chǎn)品產(chǎn)出與能量消耗之間的關(guān)系,若能量消耗異?;蚰芰肯碾S設(shè)備老化逐漸升高,可采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)整,保證產(chǎn)線的能量利用率。

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