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(jì)

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(duì)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(dòng)生產(chǎn)線對(duì)生產(chǎn)工作流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析尤為重要。針對(duì)以上問題，本設(shè)計(jì)基于一套小型生產(chǎn)線設(shè)備，對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)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(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控更加可視化，對(duì)能源的利用更加充分，實(shí)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(gè)加工工藝流程分為6 個(gè)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(gè)站對(duì)物料分別完成出庫、高度檢測(cè)、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(shí)物圖

圖2 產(chǎn)品裝配示意圖

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

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jí)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。控制中心裝配有車間級(jí)WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)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(duì)產(chǎn)線信號(hào)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jí)WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)，這里采用一個(gè)三層交換機(jī)，交換機(jī)型號(hào)為SCALANCE XB008，具有8 個(gè)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(jí)WinCC 監(jiān)控系統(tǒng)與產(chǎn)線之間架設(shè)距離較遠(yuǎn)，對(duì)傳輸介質(zhì)做冗余，當(dāng)一條傳輸介質(zhì)損壞時(shí)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(jì)

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(jì)云端UI 看板，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多組工業(yè)數(shù)據(jù)的變化信息，如數(shù)據(jù)詳情、變化時(shí)間、實(shí)時(shí)天氣和時(shí)間的獲取、實(shí)時(shí)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(cè)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(gè)，現(xiàn)已加工5 個(gè)，剩余待加工數(shù)5 個(gè)，搬運(yùn)速率實(shí)時(shí)顯示結(jié)果為5.26 個(gè)/分鐘，其統(tǒng)計(jì)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(shí)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(jí)winCC 監(jiān)控界面

4.1 設(shè)計(jì)總述

車間級(jí)WinCC監(jiān)控的地點(diǎn)在車間內(nèi)的中央控制室，對(duì)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(cè)的原因會(huì)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(jí)WinCC 對(duì)產(chǎn)出速率、物料投入和出產(chǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并以報(bào)表的形式記錄物料的投入時(shí)間及產(chǎn)品的出產(chǎn)時(shí)間等。配備報(bào)警功能，當(dāng)出產(chǎn)速率明顯降低或產(chǎn)品出產(chǎn)個(gè)數(shù)和物料投入個(gè)數(shù)明顯不匹配時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警。（圖7）

圖7 畫面結(jié)構(gòu)層次圖

4.2 功能實(shí)施

產(chǎn)線總覽界面包括產(chǎn)線整體動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控及每個(gè)站點(diǎn)重要信號(hào)監(jiān)控。在此界面可以觀察每個(gè)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(jì)件功能：顯示搬運(yùn)物料的數(shù)量，并以報(bào)表的形式記錄每次搬運(yùn)成功的時(shí)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(jì)件功能

高度統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)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(jì)趨勢(shì)圖

合格率趨勢(shì)圖：記錄合格率隨時(shí)間的變化。（圖11）

圖11 合格率趨勢(shì)圖

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

圖12 報(bào)警界面

5 數(shù)據(jù)交互方案

5.1 設(shè)計(jì)總述

在Node-RED 環(huán)境下編程，在數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史工業(yè)數(shù)據(jù)的查看，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多組工業(yè)數(shù)據(jù)的變化信息，如數(shù)據(jù)詳情、變化時(shí)間等。對(duì)工業(yè)設(shè)備的故障有一定的報(bào)警功能，及時(shí)并清楚的反應(yīng)設(shè)備出現(xiàn)問題的站臺(tái)與時(shí)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(shí)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(diǎn)建立流程，使用mqtt 協(xié)議將PLC的變量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至云端代理服務(wù)器中。

根據(jù)監(jiān)測(cè)“生產(chǎn)數(shù)據(jù)”和“故障報(bào)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(gè)、產(chǎn)品分揀站中產(chǎn)品產(chǎn)出總數(shù)9 個(gè)、紅色產(chǎn)品總數(shù)1個(gè)、白色產(chǎn)品總數(shù)7 個(gè)、次品分揀站中檢出的次品數(shù)量2個(gè)、旋轉(zhuǎn)工作站旋轉(zhuǎn)調(diào)整物件數(shù)量7 個(gè)、方向調(diào)整站中方向調(diào)整物件數(shù)量7 個(gè)、以及各數(shù)據(jù)變化時(shí)間。如圖15 所示，“故障報(bào)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(huì)上報(bào)“1”表示該站有故障及故障產(chǎn)生時(shí)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(bào)表圖

圖15 數(shù)據(jù)庫“故障警報(bào)”報(bào)表圖

6 結(jié)論

該系統(tǒng)針對(duì)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(tái)，設(shè)計(jì)了基于云平臺(tái)的設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)配置、云平臺(tái)的搭建、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)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(cè)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、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(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)車間管理監(jiān)控[4]，工作人員都可以實(shí)時(shí)看到產(chǎn)線生產(chǎn)情況，可根據(jù)大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)并結(jié)合市場需求及時(shí)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(shí)，可及時(shí)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(shí)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(tái)，使運(yùn)行數(shù)據(jù)在云端入庫，專業(yè)人員可對(duì)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。