基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的上料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張慧慧 吳榮森 楊荃蔚

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.041

摘? 要：隨著制造業(yè)向智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的人工上下料方式已無法滿足工廠大批量流水線發(fā)展的需求?；诠I(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能上料系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)三部分組成，融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有穩(wěn)定、安全、高效等特點(diǎn)。在設(shè)備可以穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，利用本地PLC端和遠(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計(jì)算，為企業(yè)提供詳細(xì)、準(zhǔn)確的工作數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)將設(shè)備接入數(shù)字化系統(tǒng)，更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。

關(guān)鍵詞：上料自動控制系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);PLC;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TN929.5;TP273? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：2096-4706（2021）09-0158-05

Design and Implementation? of Loading System Based on Industrial Internet of Things

ZHANG Huihui，WU Rongsen，YANG Quanwei

（School of Internet，Jiaxing Vocational & Technical College，Jiaxing? 314036，China）

Abstract：With the development of manufacturing industry towards intelligence，the traditional manual loading and unloading method can not meet the needs of the development of large-scale assembly lines in factories. The intelligent loading system based on industrial internet of things is composed of internet of things communication system，PLC control system and execution system. It integrates internet of things technology and network communication technology，and has the characteristics of stability，safety and efficiency. While the operating stably of the equipment，the local PLC end and remote server end are used for data acquisition and data calculation to provide detailed and accurate working data for enterprises，help enterprises connect the equipment to the digital system and better realize industrial upgrading.

Keywords：automatic loading control system;internet of things;PLC;data acquisition

0? 引? 言

本課題以緊固件行業(yè)為切入點(diǎn)，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，旨在設(shè)計(jì)一套智能上料系統(tǒng)。由于目前緊固件行業(yè)大部分生產(chǎn)設(shè)備均為舊設(shè)備，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)改造存在很多的先天缺陷，本課題從設(shè)計(jì)開始就將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入設(shè)備生產(chǎn)。整套智能上料系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，上料設(shè)備自動控制系統(tǒng)和上料設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)三個(gè)部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的核心在于物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)和上料設(shè)備自動控制系統(tǒng)之間的配合，從而實(shí)現(xiàn)智能控制。

1? 工藝過程

整個(gè)上料系統(tǒng)的執(zhí)行部分由上料斗、振動電機(jī)、擋板、滾筒、重量秤和轉(zhuǎn)料小車組成。當(dāng)PLC控制系統(tǒng)收到控制信號后，轉(zhuǎn)料小車將滾筒送到上料位置。轉(zhuǎn)料小車到位后擋板打開，振動電機(jī)啟動，緊固件從上料斗落到滾筒中。此時(shí)重量秤示數(shù)開始增加，達(dá)到設(shè)定值后，擋板關(guān)閉，振動電機(jī)停止，轉(zhuǎn)料小車將滾筒送回原位置等待取料。工藝流程圖如圖1所示。

另外，在進(jìn)行自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將上料重量、上料時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)、報(bào)警次數(shù)變量等作為重要變量通過物聯(lián)網(wǎng)模塊上傳到服務(wù)器中，并生成報(bào)表。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1? 主要設(shè)備

整個(gè)上料系統(tǒng)包括物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、帶有振動電機(jī)和擋板的上料斗、帶有重量秤的轉(zhuǎn)料小車以及小車電機(jī)和電氣控制箱等設(shè)備。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.2? 系統(tǒng)的硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)配置

2.2.1? 系統(tǒng)硬件配置

PLC選用三菱FX系列PLC，并增加以太網(wǎng)通信模塊。物聯(lián)網(wǎng)通信模塊選擇繁易的FBOX。PLC與物聯(lián)網(wǎng)模塊采用以太網(wǎng)連接，通信協(xié)議選擇TCP/IP MODBUS，物聯(lián)網(wǎng)模塊使用4G通信的方式將相關(guān)變量傳送至云服務(wù)器。重量秤選用上海耀華公司的XK3190-C802DP，與PLC采用以太網(wǎng)連接，通信協(xié)議選擇TCP/IP MODBUS。由于以太網(wǎng)連接的設(shè)備數(shù)大于2，所以需要使用交換機(jī)組成局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)通信。

2.2.2? 系統(tǒng)軟件配置

物聯(lián)網(wǎng)模塊的配置軟件使用繁易公司開發(fā)的FlexManager進(jìn)行配置，并制作組態(tài)和報(bào)表。PLC選用三菱FX系列PLC，使用GX WORKS2進(jìn)行程序的編寫。PLC完成的主要任務(wù)為：接收開始上料信號;采集轉(zhuǎn)料小車到位信號;采集重量秤的稱重信號，并進(jìn)行處理;計(jì)算上料次數(shù)、報(bào)警次數(shù)等重要變量。

2.2.3? 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置

由于要求整個(gè)系統(tǒng)組成局域網(wǎng)，需對局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的IP地址進(jìn)行配置，具體配置為：

PLC的IP地址為192.168.0.3，子網(wǎng)掩碼為255.255. 255.0，PLC的網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.0。

物聯(lián)網(wǎng)模塊的IP地址為192.168.0.1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，物聯(lián)網(wǎng)模塊的網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.0。

重量秤的IP地址為192.168.0.5，子網(wǎng)掩碼為255.255. 255.0，重量稱的網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.0.0。

三個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址相同，在同一網(wǎng)段內(nèi)，可以通過局域網(wǎng)通信。

3? PLC控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)由PLC程序和電控箱組成。PLC程序分為三個(gè)部分。第一部分是執(zhí)行部分程序，主要目的是通過采集各種傳感器信號并進(jìn)行處理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)工藝要求，完成上料動作;第二部分是報(bào)警部分程序，在設(shè)備運(yùn)行過程中會出現(xiàn)各種突發(fā)或緊急狀況，需要通過預(yù)設(shè)一些報(bào)警信號，幫助操作人員了解發(fā)生了什么故障，如何去消除故障;第三部分是物聯(lián)網(wǎng)通信程序，這一部分是基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)，主要是在PLC中處理一部分需要上傳的數(shù)據(jù)，方便物聯(lián)網(wǎng)模塊采集和分析。

3.1? 執(zhí)行部分程序設(shè)計(jì)

首先是系統(tǒng)的初始化設(shè)計(jì)，初始狀態(tài)為轉(zhuǎn)料小車位于取料位并搭載空滾筒，擋板以及振動電機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)。上料系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時(shí)等待上料信號，上料信號觸發(fā)后，轉(zhuǎn)料小車攜帶空滾筒前進(jìn)到上料位。轉(zhuǎn)料小車到達(dá)上料位后，打開擋板，啟動振動電機(jī)，開始上料。隨著上料過程的進(jìn)行，重量稱的示數(shù)不斷增加，達(dá)到程序預(yù)設(shè)定的值后，停止振動電機(jī)，關(guān)閉擋板。擋板關(guān)閉后，轉(zhuǎn)料小車開始后退，直至到達(dá)取料位，等待取走帶料滾筒并放上空滾筒。執(zhí)行部分程序的梯形圖如圖3所示。

3.2? 報(bào)警部分程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)共有6個(gè)報(bào)警環(huán)節(jié)：

（1）上料系統(tǒng)初始化未成功。當(dāng)上料過程結(jié)束后，如果出現(xiàn)以下情況其中的一種或者多種則會觸發(fā)報(bào)警：轉(zhuǎn)料小車未到達(dá)取料位;轉(zhuǎn)料小車上帶料滾筒未取走;轉(zhuǎn)料小車上未放置空滾筒;上料斗擋板未處于關(guān)閉狀態(tài);振動電機(jī)未處于停止?fàn)顟B(tài)。

（2）轉(zhuǎn)料小車運(yùn)行時(shí)間過長。當(dāng)轉(zhuǎn)料小車電機(jī)開始轉(zhuǎn)動后，如果出現(xiàn)以下情況其中的一種或者多種則會觸發(fā)報(bào)警：轉(zhuǎn)料小車攜帶空滾筒前進(jìn)到上料位的過程中突然停止;轉(zhuǎn)料小車攜帶帶料滾筒前進(jìn)到取料位的過程中突然停止。

（3）上料斗擋板故障。當(dāng)上料斗擋板氣缸電磁閥動作后，如果出現(xiàn)以下情況其中的一種或者多種則會觸發(fā)報(bào)警：轉(zhuǎn)料小車到達(dá)上料位后打開擋板時(shí)，開擋板電磁閥打開，擋板未打開到指定位置;重量稱示數(shù)達(dá)到程序預(yù)設(shè)定的值后，關(guān)閉擋板時(shí)，關(guān)擋板電磁閥打開，擋板未關(guān)閉到指定位置。

（4）上料斗缺料警告。當(dāng)上料斗擋板打開，振動電機(jī)開始運(yùn)行后，如果出現(xiàn)以下情況其中的一種或者多種則會觸發(fā)報(bào)警：重量秤示數(shù)不變化;重量稱示數(shù)增加，但在一定時(shí)間內(nèi)一直未達(dá)到程序預(yù)設(shè)值。

（5）超重警告。當(dāng)上料斗擋板打開，振動電機(jī)開始運(yùn)行后，如果出現(xiàn)以下情況其中的一種或者多種則會觸發(fā)報(bào)警：重量稱示數(shù)超過程序預(yù)設(shè)值。

（6）系統(tǒng)緊急停止。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，出于安全性考慮，一般會安裝安全光柵和急停按鈕等安全設(shè)備。當(dāng)安全光柵信號接通或者急停按鈕被按下時(shí)，會觸發(fā)報(bào)警。

報(bào)警部分程序的梯形圖如圖4所示。

3.3? 物聯(lián)網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)通信程序設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分。本系統(tǒng)特地在PLC程序中設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)通信程序塊，目的是統(tǒng)一規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)模塊需要采集的變量，并進(jìn)行一部分的數(shù)據(jù)計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)通信程序梯形圖如圖5所示。

物聯(lián)網(wǎng)模塊需采集的變量包括：

（1）上料次數(shù)：以天為單位，記錄一天進(jìn)行的上料動作的次數(shù)。

（2）上料重量：記錄每次的上料重量，并記錄完成上料的時(shí)刻。

（3）報(bào)警發(fā)生記錄：以天為單位，分別記錄上料系統(tǒng)初始化未成功、轉(zhuǎn)料小車運(yùn)行時(shí)間過長、上料斗擋板故障、上料斗缺料警告、超重警告和系統(tǒng)緊急停止這六種報(bào)警發(fā)生的次數(shù)。

（4）報(bào)警消除記錄：分別記錄上料系統(tǒng)初始化未成功、轉(zhuǎn)料小車運(yùn)行時(shí)間過長、上料斗擋板故障、上料斗缺料警告、超重警告和系統(tǒng)緊急停止這六種報(bào)警從產(chǎn)生到消除經(jīng)歷的時(shí)間。

3.4? 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

相比于普通的自動控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就在自動控制系統(tǒng)中設(shè)置專門的物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，不管是在本地PLC端還是服務(wù)器端都可以查詢到需要采集的變量，使整個(gè)系統(tǒng)更具有整體性，安全性和高效性，下文對系統(tǒng)特性進(jìn)行具體說明：

（1）整體性。對比普通的自動控制系統(tǒng)，進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)改造，加裝了物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)上傳功能。本系統(tǒng)的變量在一開始就進(jìn)行了規(guī)劃，讓物聯(lián)網(wǎng)模塊從PLC采集的變量符合一般規(guī)律，容易編寫，增減和修改，物聯(lián)網(wǎng)參數(shù)設(shè)置與PLC對照時(shí)一目了然，不用一個(gè)一個(gè)翻找，避免了翻找時(shí)浪費(fèi)時(shí)間和翻找出錯(cuò)的可能。

（2）安全性。在PLC端進(jìn)行規(guī)劃后，所有的計(jì)算和分析在PLC內(nèi)也有相應(yīng)的記錄，不用擔(dān)心PLC與物聯(lián)網(wǎng)模塊通信中斷，或者由于信號原因物聯(lián)網(wǎng)模塊數(shù)據(jù)上傳失敗等等原因?qū)е碌脑O(shè)備在運(yùn)行卻沒有數(shù)據(jù)上傳的情況發(fā)生，為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支撐。

（3）高效性。在PLC內(nèi)可以進(jìn)行一部分簡單的數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)計(jì)算和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等類似工作。分擔(dān)了云服務(wù)器的計(jì)算壓力，因?yàn)樵品?wù)器的容量有限，能在PLC端進(jìn)行的計(jì)算盡量安排在PLC端，可以很大程度上減少云服務(wù)器的內(nèi)存和容量使用。同時(shí)也會使得數(shù)據(jù)傳輸更加的簡單和高效。

4? 物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)需要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行配置，使用以太網(wǎng)線，將FBox設(shè)備、PLC設(shè)備以及計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)端口相連。然后使用FlexManager軟件進(jìn)行系統(tǒng)配置。

4.1? 關(guān)聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)模塊

打開FlexManager軟件，通過“添加FBOX”功能關(guān)聯(lián)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)模塊和計(jì)算機(jī)。

4.2? 設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)模塊參數(shù)

打開FlexManager軟件，通過“基本配置”中的“系統(tǒng)設(shè)置”功能，將物聯(lián)網(wǎng)模塊的IP地址設(shè)置為：192.168.0.1，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.255.0。

4.3? 配置需要采集的數(shù)據(jù)

打開FlexManager軟件，通過“數(shù)據(jù)監(jiān)控”功能，添加需要采集的變量并設(shè)置相應(yīng)的采集需求。以上料重量為例，我們把在PLC中的物聯(lián)網(wǎng)通信程序部分中寫好的變量添加到物聯(lián)網(wǎng)模塊中，采集周期設(shè)置為1分鐘。

4.4? 配置報(bào)警參數(shù)

打開FlexManager軟件，通過“報(bào)警記錄”功能，首先將各個(gè)報(bào)警變量登記到報(bào)警分組中，并對部分報(bào)警設(shè)置報(bào)警推送。以“上料系統(tǒng)初始化未成功”為例，將觸發(fā)條件設(shè)置成“值等于1”，并將報(bào)警推送給設(shè)備維修部門。

4.5? 實(shí)際意義

融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的上料系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)上料系統(tǒng)，能給企業(yè)管理和生產(chǎn)管理帶來更多的可用數(shù)據(jù)，是幫助企業(yè)邁向“中國智造”的良好基石。對企業(yè)來說，不僅可以為生產(chǎn)提供幫助，更可以對設(shè)備管理、采購計(jì)劃等環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐：

（1）通常情況下，企業(yè)管理人員不會時(shí)時(shí)刻刻在生產(chǎn)線上檢查，而大部分的一線操作人員的操作并不規(guī)范。就緊固件行業(yè)而言，往往存在為了完成產(chǎn)量任務(wù)而過度上料的情況。而基于物聯(lián)網(wǎng)的上料系統(tǒng)則會將實(shí)時(shí)的將上料數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器生成報(bào)表，可以使管理者輕松了解生產(chǎn)的過程。不僅如此，還可以通過計(jì)算最終產(chǎn)量和總上料量進(jìn)行對比，了解是否在生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在不良率或返工率過高的問題。圖6為某日半天的上料重量折線圖。

（2）通過預(yù)設(shè)的報(bào)警推送，管理人員可以在設(shè)備出現(xiàn)緊急故障時(shí)第一時(shí)間了解情況，并進(jìn)行后續(xù)安排。

（3）對于緊固件行業(yè)而言，企業(yè)中的生產(chǎn)設(shè)備各式各樣，大部分情況只能通過產(chǎn)量來判斷各個(gè)車間的設(shè)備運(yùn)行情況，如果每臺設(shè)備都配備了物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備，可以更好地幫助企業(yè)管理人員對每一臺設(shè)備進(jìn)行評估，為設(shè)備采購及生產(chǎn)計(jì)劃安排提供更加翔實(shí)的資料。

5? 結(jié)? 論

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的上料系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初即融入物聯(lián)網(wǎng)思想，同時(shí)在PLC本地和云服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和采集，增加了系統(tǒng)的整體性、安全性和高效性，能為企業(yè)提供更加準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)信息，幫助企業(yè)更好地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃安排和生產(chǎn)管理安排。本系統(tǒng)對其他自動控制系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)改造和物聯(lián)網(wǎng)自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。

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作者簡介：張慧慧（1996—），女，漢族，山西大同人，助教，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。

收稿日期：2021-04-05

基金項(xiàng)目：嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021校立科研項(xiàng)目（jzyy202117）