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(jì)，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(dá)國(guó)家已經(jīng)投入了大量人力物力進(jìn)行相關(guān)研究，我國(guó)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(chǎn)品品質(zhì)，而保證產(chǎn)品品質(zhì)的一個(gè)重要手段就是生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于工業(yè)設(shè)備的日常運(yùn)維需要消耗大量的人力，因此工業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)控以及數(shù)據(jù)處理就變得特別重要。如何高效管理生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)則成為制造業(yè)升級(jí)過程中亟需解決的重大問題，由IBM 開發(fā)的開源的物聯(lián)網(wǎng)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(jiǎn)單的編程方式將所涉及的硬件設(shè)備與自定義的事件服務(wù)連接在一起，它是在Node.js 平臺(tái)上開發(fā)出來的一種在線編輯工具。Node-RED 在快速應(yīng)用程序的開發(fā)方面具有天然優(yōu)勢(shì)，它可充當(dāng)連接事件到動(dòng)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(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸情況，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障或者某個(gè)傳感器數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍值后，基于Node-RED 的監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)送郵件或短信提醒相關(guān)用戶，可以針對(duì)需要監(jiān)控的重要參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理體系和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理體系，可以根據(jù)個(gè)性化需求實(shí)現(xiàn)相關(guān)事件預(yù)警功能，避免由于風(fēng)險(xiǎn)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)造成的損失同時(shí)節(jié)省人工。本文通過講解涂裝車間車身電泳質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和注蠟滑橇清洗設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系的搭建來展示Node-RED 在智能制造方面的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計(jì)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)或設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)主要由輸入、轉(zhuǎn)換、輸出3 部分組成，此3 部分內(nèi)容均可在Node-RED 設(shè)計(jì)流中體現(xiàn)。輸入部分指的是現(xiàn)場(chǎng)傳感器（收集數(shù)據(jù)）和控制器PLC（現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備型號(hào)為西門子的S7-300 PLC）；轉(zhuǎn)換部分指在Node-RED 流程里借助Function 等功能節(jié)點(diǎn)把相關(guān)PLC 傳輸過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成目標(biāo)信息；輸出部分則可以將目標(biāo)信息及時(shí)通知到相關(guān)人員或存儲(chǔ)至SQL 數(shù)據(jù)庫便于后續(xù)調(diào)取或利用Python等工具進(jìn)行二次開發(fā)使用。另外，為提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，單獨(dú)準(zhǔn)備了一臺(tái)服務(wù)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(tǒng)24 小時(shí)不間斷運(yùn)行（圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件介紹

西門子S7-300 PLC / ET200S。S7-300 是德國(guó)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(diǎn)使其在工業(yè)控制領(lǐng)域中成為一種非常經(jīng)濟(jì)且能夠廣泛應(yīng)用的解決方案，如模塊化的結(jié)構(gòu)、便于分布式配置、電磁兼容性強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)， 使得它能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單/高級(jí)邏輯控制、人機(jī)界面與網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行通信等功能。S7-300 在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用穩(wěn)定性特點(diǎn)，使其在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用。由于S7-300 一般都在生產(chǎn)線控制柜里面，對(duì)于較長(zhǎng)的生產(chǎn)線為解決傳感器信號(hào)衰減的問題一般都在傳感器附近安裝有西門子ET200S，其相當(dāng)于S7-300 PLC的遠(yuǎn)程模塊，在該模塊上可以安裝輸入、輸出模塊便于PLC 接收遠(yuǎn)程信號(hào)或發(fā)送指令給遠(yuǎn)程執(zhí)行器。

2.2 軟件介紹

（1）Node-RED 簡(jiǎn)介及其安裝。Node-RED 是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)(IOT，Internet of Things)應(yīng)用程序的一個(gè)強(qiáng)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(gè)可視化編輯器，允許將節(jié)點(diǎn)連接在一起創(chuàng)建流，它能夠提供豐富的組件模塊，同時(shí)支持MQTT、Step7、OPC-UA、TCP 等眾多通信協(xié)議，功能強(qiáng)大、開發(fā)簡(jiǎn)單，在物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)應(yīng)用中受到了青睞和關(guān)注，眾多知名企業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品都已經(jīng)能夠支持使用Node-RED對(duì)其制造過程進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)。

由于Node-RED 是基于Node.js 平臺(tái)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(tǒng)穩(wěn)定性，我們專門為車間申請(qǐng)了一臺(tái)服務(wù)器用于運(yùn)行Node-RED 服務(wù)器，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的種類及采樣頻率估算內(nèi)存和硬盤存儲(chǔ)空間，同時(shí)給服務(wù)器開通了外部訪問權(quán)限方便相關(guān)技術(shù)人員接入VPN 后可以進(jìn)行流程修改等操作。

（2）Microsoft SQL Server 簡(jiǎn)介及其安裝。Microsoft SQL Server 是美國(guó)微軟公司發(fā)布的一個(gè)數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，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(jí)的數(shù)據(jù)管理功能，同時(shí)該數(shù)據(jù)庫能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)提供安全穩(wěn)定的存儲(chǔ)功能，另外，它還可以用來進(jìn)行深度二次開發(fā)，其價(jià)格、效率、可優(yōu)化性、技術(shù)先進(jìn)性和技術(shù)的可獲得性都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。為了在本地電能更加方便訪問和使用服務(wù)器里的SQL 數(shù)據(jù)庫，作者在本地計(jì)算機(jī)上安裝了DBeaver 通用數(shù)據(jù)庫管理工具，這是一個(gè)專門為數(shù)據(jù)庫管理員開發(fā)的免費(fèi)且開源的軟件，它支持市場(chǎng)上所有主流的數(shù)據(jù)庫如MySQL、MSSQL、DB2、Oracle 等。

2.3 數(shù)據(jù)連接

首先，需要確認(rèn)網(wǎng)關(guān)與對(duì)應(yīng)PLC 的接線是否正確，然后在服務(wù)器或本地上位機(jī)配置PLC 連接屬性以及配置該P(yáng)LC 對(duì)應(yīng)的參數(shù)。在PLC 連接屬性的配置中，需要進(jìn)入Node-RED 服務(wù)器網(wǎng)頁里的PLC 節(jié)點(diǎn)連接屬性配置界面，根據(jù)收集整理的現(xiàn)場(chǎng)PLC 網(wǎng)關(guān)及參數(shù)信息去連接屬性界面里配置PLC 通信協(xié)議、PLC 的IP 地址、端口、機(jī)架號(hào)和卡槽號(hào)，同時(shí)還要設(shè)置PLC 的采樣周期（Cycle time）和超時(shí)時(shí)長(zhǎng)（Timeout）等，最后需要給該P(yáng)LC進(jìn)行命名；參數(shù)配置方面需要在參數(shù)列表中根據(jù)Node-RED 參數(shù)命名規(guī)則依次填入相關(guān)參數(shù)地址和參數(shù)名稱，該參數(shù)名稱不得有空格否則在后續(xù)跟數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)將出現(xiàn)問題還得返回修改。上述PLC 的連接屬性和參數(shù)屬性都配置后就能進(jìn)行部署，如果信息都填寫正確且接線無誤，此時(shí)在Node-RED 界面上就能看見PLC 與Node-RED 服務(wù)器連接成功的Online 標(biāo)識(shí)。需要進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)需要在數(shù)據(jù)庫先建立相應(yīng)數(shù)據(jù)表單并配置相應(yīng)數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)類型要嚴(yán)格按照Node-RED 與PLC 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式來配置，不能完全按照PLC 內(nèi)的數(shù)據(jù)格式配置，否則，可能出現(xiàn)無法儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的故障。數(shù)據(jù)庫的參數(shù)名稱必須與PLC 參數(shù)配置表里的名稱完全一樣否則，無法儲(chǔ)存數(shù)據(jù)到SQL。Node-RED 服務(wù)器也能發(fā)送指令到PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，比如，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠區(qū)域照明燈的遠(yuǎn)程控制等功能。另外，在TCP 協(xié)議的基礎(chǔ)上可以搭建Linux 服務(wù)器進(jìn)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(guān)程序。

2.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

首先，通過工業(yè)自動(dòng)生產(chǎn)線上相應(yīng)的傳感器檢測(cè)模塊去收集讀取相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，然后將這些數(shù)據(jù)和信息通過各種協(xié)議的網(wǎng)關(guān)傳輸給PLC，相關(guān)PLC 把采集的這些數(shù)據(jù)或信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)絋CP 網(wǎng)關(guān)或MQTT 網(wǎng)關(guān)中，同時(shí)向服務(wù)器平臺(tái)提供這些數(shù)據(jù)或信息。服務(wù)器平臺(tái)接收到這些數(shù)據(jù)或信息后，將立即開始根據(jù)我們的預(yù)設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)處理整合，整合處理后的數(shù)據(jù)可以生成各種報(bào)表并自動(dòng)發(fā)送給相關(guān)人員，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控功能，相關(guān)人員也可以通過人機(jī)界面進(jìn)行集中訪問。

3 電泳質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)管理

涂裝車間電泳工藝為質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)工藝，稍有問題便達(dá)不到戴姆勒質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)而造成車身報(bào)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(shè)備采用Rodip 旋轉(zhuǎn)浸泡式輸送機(jī)，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(jìn)過程中需同時(shí)翻轉(zhuǎn)經(jīng)過電泳槽等槽體。由于電泳區(qū)域的輸送設(shè)備和工藝設(shè)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(bào)警后僅能鎖定車身號(hào)和滑橇號(hào)，很難快速鎖定當(dāng)時(shí)與車身對(duì)應(yīng)的電泳抱具號(hào)，無法快速找到問題根本原因，查找問題期間可能再次導(dǎo)致其他車身報(bào)廢。Node-RED 可以同時(shí)收集來自不同PLC 的信息并進(jìn)行整合便于定位問題。經(jīng)測(cè)試，通過采用Node-RED 對(duì)電泳過程質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，可以極大地減少定位故障的時(shí)間，解決問題效率顯著提高，避免造成更多質(zhì)量問題。

3.1 輸入部分

圖2左側(cè)框內(nèi)顯示的為電泳質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)在Node-RED 流程里的輸入部分，該部分由不同PLC 節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)PLC 節(jié)點(diǎn)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(jī)架號(hào)、卡槽號(hào)、掃描周期、超時(shí)時(shí)間和PLC 節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)庫里的變量名完全一樣，否則無法存入數(shù)據(jù)庫）。

圖2 電泳質(zhì)量監(jiān)控Node-RED 流程

圖3 連接信息

圖4 變量信息

3.2 轉(zhuǎn)換部分

圖2中間框內(nèi)顯示的為電泳質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)在Node-RED 流程里的轉(zhuǎn)換部分，該部分由一系列功能節(jié)點(diǎn)組成，如連接節(jié)點(diǎn)、延時(shí)節(jié)點(diǎn)、自定義函數(shù)節(jié)點(diǎn)（圖5）等，這些功能節(jié)點(diǎn)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(jié)果。其中函數(shù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容編輯采用了Java 語言。此處我們?cè)诤瘮?shù)模塊里面指定了輸出內(nèi)容為車身號(hào)、電泳安培分鐘值、滑橇號(hào)和抱具號(hào)。

圖5 函數(shù)節(jié)點(diǎn)

3.3 輸出部分

圖2右側(cè)紅框內(nèi)顯示的為電泳質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫等，存入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)后續(xù)可做二次開發(fā)。

4 注蠟滑橇清洗設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理

涂裝車間注蠟滑橇底部積蠟較多時(shí)，容易打滑造成設(shè)備停機(jī)，注蠟滑橇每在線上走一圈，都要經(jīng)過注蠟滑橇清洗機(jī)并被清洗機(jī)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(jīng)常檢查其液位，以確定是否需要更換新溶劑桶，由于負(fù)責(zé)換溶劑的生產(chǎn)人員不是隨時(shí)都在溶劑房，洗蠟溶劑更換不及時(shí)將造成注蠟滑橇積蠟嚴(yán)重導(dǎo)致滑橇打滑設(shè)備故障停線。通過采用Node-RED 對(duì)洗蠟溶劑液位進(jìn)行監(jiān)控，一旦低于設(shè)定液位可以發(fā)送郵件或者短信提醒相關(guān)人員進(jìn)行更換，此舉取消了人員頻繁檢查設(shè)備，且能及時(shí)通知相關(guān)人員更換溶劑，提高了管理效率，降低了設(shè)備停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。特別是針對(duì)未接入中控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或無法在中控室進(jìn)行監(jiān)控的設(shè)備都可以考慮采用Node-RED 進(jìn)行自定義監(jiān)控。

5 二次開發(fā)

通過Node-RED 可以將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義采集到自己的數(shù)據(jù)庫，然后再將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)。數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)方案太多，此處僅舉兩個(gè)例子，比如，我們結(jié)合Python、Node-RED 和SQL實(shí)現(xiàn)了能源計(jì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳公司SFM（Shop Floor digital Meeting）系統(tǒng)生成每日能源報(bào)表讓公司領(lǐng)導(dǎo)掌握每日公司能耗情況，解決了人工不能同時(shí)抄表的問題，同時(shí)還節(jié)省了人員將這些數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)的工時(shí)；比如，我們結(jié)合Python、Node-RED、SQL 和釘釘實(shí)現(xiàn)了將環(huán)保設(shè)備排放預(yù)警信息自動(dòng)發(fā)送到釘釘群里通知相關(guān)人員提前查找原因，避免造成環(huán)保排放真的超標(biāo)。

6 結(jié)語

工業(yè)制造過程中的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)是嚴(yán)重影響生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率的重要因素，本文通過Node-RED對(duì)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了相關(guān)參數(shù)監(jiān)控，建立了相關(guān)設(shè)備質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控體系，解決了中控系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)或不方便實(shí)現(xiàn)的自定義監(jiān)控功能。物聯(lián)網(wǎng)神器Node-RED 的功能強(qiáng)大并有非常廣泛的開發(fā)空間，希望我國(guó)的制造業(yè)和IT 技術(shù)人才可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究，希望我國(guó)能夠盡快在各行各業(yè)完成制造業(yè)升級(jí)，贏得新一輪工業(yè)革命的勝利。