彭松，李金貴，鄭大元，王愷，劉德昊

（北京奔馳汽車有限公司，北京 101322）

1 前言

21 世紀，全球制造業(yè)正在往智能化和信息化的道上一路狂飆，在這新一輪的工業(yè)革命中，發(fā)達國家已經投入了大量人力物力進行相關研究，我國必須迎頭趕上。制造業(yè)在保證安全高效的前提下，最重要的是盡可能地提高自己的產品品質，而保證產品品質的一個重要手段就是生產線的實時監(jiān)控。由于工業(yè)設備的日常運維需要消耗大量的人力，因此工業(yè)設備的遠程診斷和監(jiān)控以及數據處理就變得特別重要。如何高效管理生產制造過程中的質量風險和設備風險則成為制造業(yè)升級過程中亟需解決的重大問題，由IBM 開發(fā)的開源的物聯網神器Node-RED 將是解決這一問題的利器。Node-RED 可以通過一種非常簡單的編程方式將所涉及的硬件設備與自定義的事件服務連接在一起，它是在Node.js 平臺上開發(fā)出來的一種在線編輯工具。Node-RED 在快速應用程序的開發(fā)方面具有天然優(yōu)勢，它可充當連接事件到動作或傳感器到執(zhí)行器的黏合劑。例如，可以利用Node-RED 監(jiān)控設備數據的傳輸情況，當傳感器出現故障或者某個傳感器數據超出標準范圍值后，基于Node-RED 的監(jiān)控系統可以自動發(fā)送郵件或短信提醒相關用戶，可以針對需要監(jiān)控的重要參數實現實時監(jiān)控的功能。

本文基于Node-RED、PLC、Microsoft SQL Server、Python，搭建了涂裝車間汽車制造過程的質量風險管理體系和設備風險管理體系，可以根據個性化需求實現相關事件預警功能，避免由于風險發(fā)現不及時造成的損失同時節(jié)省人工。本文通過講解涂裝車間車身電泳質量風險和注蠟滑橇清洗設備風險預警體系的搭建來展示Node-RED 在智能制造方面的應用。

2 系統組成

本文所設計的質量風險或設備風險預警系統主要由輸入、轉換、輸出3 部分組成，此3 部分內容均可在Node-RED 設計流中體現。輸入部分指的是現場傳感器（收集數據）和控制器PLC（現場設備型號為西門子的S7-300 PLC）；轉換部分指在Node-RED 流程里借助Function 等功能節(jié)點把相關PLC 傳輸過來的數據轉換成目標信息；輸出部分則可以將目標信息及時通知到相關人員或存儲至SQL 數據庫便于后續(xù)調取或利用Python等工具進行二次開發(fā)使用。另外，為提高監(jiān)控系統的穩(wěn)定性，單獨準備了一臺服務器并在上面安裝了Node-RED、Microsoft SQL Server Management Studio 17和Python 便于監(jiān)控系統24 小時不間斷運行（圖1）。

圖1 系統組成結構圖

2.1 硬件介紹

西門子S7-300 PLC / ET200S。S7-300 是德國西門子公司制造的的一種可編程序的控制器，即我們說所的PLC。由于S7-300 具備以下優(yōu)點使其在工業(yè)控制領域中成為一種非常經濟且能夠廣泛應用的解決方案，如模塊化的結構、便于分布式配置、電磁兼容性強、性價比高等優(yōu)勢， 使得它能夠實現簡單/高級邏輯控制、人機界面與網絡之間進行通信等功能。S7-300 在工業(yè)環(huán)境中的應用穩(wěn)定性特點，使其在自動化工業(yè)生產線中廣泛應用。由于S7-300 一般都在生產線控制柜里面，對于較長的生產線為解決傳感器信號衰減的問題一般都在傳感器附近安裝有西門子ET200S，其相當于S7-300 PLC的遠程模塊，在該模塊上可以安裝輸入、輸出模塊便于PLC 接收遠程信號或發(fā)送指令給遠程執(zhí)行器。

2.2 軟件介紹

（1）Node-RED 簡介及其安裝。Node-RED 是構建物聯網(IOT，Internet of Things)應用程序的一個強大神器，其可視化“流”編輯器是一種基于“流”的編程工具，它有一個可視化編輯器，允許將節(jié)點連接在一起創(chuàng)建流，它能夠提供豐富的組件模塊，同時支持MQTT、Step7、OPC-UA、TCP 等眾多通信協議，功能強大、開發(fā)簡單，在物聯網的開發(fā)應用中受到了青睞和關注，眾多知名企業(yè)的工業(yè)產品都已經能夠支持使用Node-RED對其制造過程進行相應的開發(fā)。

由于Node-RED 是基于Node.js 平臺開發(fā)出來的，因此Node-RED 的安裝首先需要安裝Node.js，其次，需要安裝cnpm，前面兩者完成之后才能安裝Node-RED。為了提高系統穩(wěn)定性，我們專門為車間申請了一臺服務器用于運行Node-RED 服務器，根據監(jiān)控數據的種類及采樣頻率估算內存和硬盤存儲空間，同時給服務器開通了外部訪問權限方便相關技術人員接入VPN 后可以進行流程修改等操作。

（2）Microsoft SQL Server 簡介及其安裝。Microsoft SQL Server 是美國微軟公司發(fā)布的一個數據庫平臺，它使用了集成化的商業(yè)智能工具，為用戶提供了企業(yè)級的數據管理功能，同時該數據庫能夠為結構化數據和關系型數據提供安全穩(wěn)定的存儲功能，另外，它還可以用來進行深度二次開發(fā)，其價格、效率、可優(yōu)化性、技術先進性和技術的可獲得性都具有相當的優(yōu)勢。為了在本地電能更加方便訪問和使用服務器里的SQL 數據庫，作者在本地計算機上安裝了DBeaver 通用數據庫管理工具，這是一個專門為數據庫管理員開發(fā)的免費且開源的軟件，它支持市場上所有主流的數據庫如MySQL、MSSQL、DB2、Oracle 等。

2.3 數據連接

首先，需要確認網關與對應PLC 的接線是否正確，然后在服務器或本地上位機配置PLC 連接屬性以及配置該PLC 對應的參數。在PLC 連接屬性的配置中，需要進入Node-RED 服務器網頁里的PLC 節(jié)點連接屬性配置界面，根據收集整理的現場PLC 網關及參數信息去連接屬性界面里配置PLC 通信協議、PLC 的IP 地址、端口、機架號和卡槽號，同時還要設置PLC 的采樣周期（Cycle time）和超時時長（Timeout）等，最后需要給該PLC進行命名；參數配置方面需要在參數列表中根據Node-RED 參數命名規(guī)則依次填入相關參數地址和參數名稱，該參數名稱不得有空格否則在后續(xù)跟數據庫進行存儲時將出現問題還得返回修改。上述PLC 的連接屬性和參數屬性都配置后就能進行部署，如果信息都填寫正確且接線無誤，此時在Node-RED 界面上就能看見PLC 與Node-RED 服務器連接成功的Online 標識。需要進行存儲的數據需要在數據庫先建立相應數據表單并配置相應數據類型，數據庫的數據類型要嚴格按照Node-RED 與PLC 對應的數據格式來配置，不能完全按照PLC 內的數據格式配置，否則，可能出現無法儲存數據的故障。數據庫的參數名稱必須與PLC 參數配置表里的名稱完全一樣否則，無法儲存數據到SQL。Node-RED 服務器也能發(fā)送指令到PLC 進行遠程控制，比如，能夠實現工廠區(qū)域照明燈的遠程控制等功能。另外，在TCP 協議的基礎上可以搭建Linux 服務器進行更加深入的二次開發(fā)，如Python、Java 還有C 語言等開發(fā)的相關程序。

2.4 數據應用

首先，通過工業(yè)自動生產線上相應的傳感器檢測模塊去收集讀取相關數據和信息，然后將這些數據和信息通過各種協議的網關傳輸給PLC，相關PLC 把采集的這些數據或信息實時傳輸到TCP 網關或MQTT 網關中，同時向服務器平臺提供這些數據或信息。服務器平臺接收到這些數據或信息后，將立即開始根據我們的預設置進行相應處理整合，整合處理后的數據可以生成各種報表并自動發(fā)送給相關人員，可以實現自動監(jiān)控功能，相關人員也可以通過人機界面進行集中訪問。

3 電泳質量風險管理

涂裝車間電泳工藝為質量風險高發(fā)工藝，稍有問題便達不到戴姆勒質量標準而造成車身報廢，成本損失較大。北京奔馳順義工廠涂裝車間的電泳輸送設備采用Rodip 旋轉浸泡式輸送機，車身鎖定在電泳滑橇上，電泳滑橇鎖定在電泳抱具上，電泳抱具前進過程中需同時翻轉經過電泳槽等槽體。由于電泳區(qū)域的輸送設備和工藝設備多且分別由不同PLC 控制，若白車身電泳安培分鐘值不足報警后僅能鎖定車身號和滑橇號，很難快速鎖定當時與車身對應的電泳抱具號，無法快速找到問題根本原因，查找問題期間可能再次導致其他車身報廢。Node-RED 可以同時收集來自不同PLC 的信息并進行整合便于定位問題。經測試，通過采用Node-RED 對電泳過程質量進行監(jiān)控，可以極大地減少定位故障的時間，解決問題效率顯著提高，避免造成更多質量問題。

3.1 輸入部分

圖2左側框內顯示的為電泳質量監(jiān)控系統在Node-RED 流程里的輸入部分，該部分由不同PLC 節(jié)點組成，每個PLC 節(jié)點均由連接信息（圖3）和變量信息組成（圖4）。連接信息需要填寫PLC 的信息傳輸方式、地址、模式、機架號、卡槽號、掃描周期、超時時間和PLC 節(jié)點命名。變量信息需要填寫變量地址和變量名（該變量名需跟數據庫里的變量名完全一樣，否則無法存入數據庫）。

圖2 電泳質量監(jiān)控Node-RED 流程

圖3 連接信息

圖4 變量信息

3.2 轉換部分

圖2中間框內顯示的為電泳質量監(jiān)控系統在Node-RED 流程里的轉換部分，該部分由一系列功能節(jié)點組成，如連接節(jié)點、延時節(jié)點、自定義函數節(jié)點（圖5）等，這些功能節(jié)點可以按照用戶需求來整理輸入部分獲取的信息以控制輸出結果。其中函數節(jié)點內容編輯采用了Java 語言。此處我們在函數模塊里面指定了輸出內容為車身號、電泳安培分鐘值、滑橇號和抱具號。

圖5 函數節(jié)點

3.3 輸出部分

圖2右側紅框內顯示的為電泳質量監(jiān)控系統在Node-RED 流程里的輸出部分，輸出的形式可以是郵件、短信或存入數據庫等，存入數據庫的數據后續(xù)可做二次開發(fā)。

4 注蠟滑橇清洗設備風險管理

涂裝車間注蠟滑橇底部積蠟較多時，容易打滑造成設備停機，注蠟滑橇每在線上走一圈，都要經過注蠟滑橇清洗機并被清洗機沾有溶劑的尼龍毛刷清理滑橇底部的積蠟。新鮮的洗蠟溶劑需要人員經常檢查其液位，以確定是否需要更換新溶劑桶，由于負責換溶劑的生產人員不是隨時都在溶劑房，洗蠟溶劑更換不及時將造成注蠟滑橇積蠟嚴重導致滑橇打滑設備故障停線。通過采用Node-RED 對洗蠟溶劑液位進行監(jiān)控，一旦低于設定液位可以發(fā)送郵件或者短信提醒相關人員進行更換，此舉取消了人員頻繁檢查設備，且能及時通知相關人員更換溶劑，提高了管理效率，降低了設備停機風險。特別是針對未接入中控系統的現場設備或無法在中控室進行監(jiān)控的設備都可以考慮采用Node-RED 進行自定義監(jiān)控。

5 二次開發(fā)

通過Node-RED 可以將現場設備產生的大量數據進行自定義采集到自己的數據庫，然后再將這些數據進行二次開發(fā)。數據庫的二次開發(fā)方案太多，此處僅舉兩個例子，比如，我們結合Python、Node-RED 和SQL實現了能源計量數據自動上傳公司SFM（Shop Floor digital Meeting）系統生成每日能源報表讓公司領導掌握每日公司能耗情況，解決了人工不能同時抄表的問題，同時還節(jié)省了人員將這些數據錄入系統的工時；比如，我們結合Python、Node-RED、SQL 和釘釘實現了將環(huán)保設備排放預警信息自動發(fā)送到釘釘群里通知相關人員提前查找原因，避免造成環(huán)保排放真的超標。

6 結語

工業(yè)制造過程中的質量風險和設備風險是嚴重影響生產成本和生產效率的重要因素，本文通過Node-RED對現場聯網設備實現了相關參數監(jiān)控，建立了相關設備質量風險和設備風險監(jiān)控體系，解決了中控系統無法實現或不方便實現的自定義監(jiān)控功能。物聯網神器Node-RED 的功能強大并有非常廣泛的開發(fā)空間，希望我國的制造業(yè)和IT 技術人才可以對其進行進一步研究，希望我國能夠盡快在各行各業(yè)完成制造業(yè)升級，贏得新一輪工業(yè)革命的勝利。