關(guān)于人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線的研究

江吉祥

摘 要：分揀生產(chǎn)線在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但是目前國(guó)內(nèi)的一些分揀設(shè)備存在精度不高、智能化水平低、人機(jī)交互體驗(yàn)差等問(wèn)題。如果能夠借鑒電氣裝置、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等大賽的成果和理念進(jìn)行智能化升級(jí)改造，就可以在技術(shù)層面給這些設(shè)備帶來(lái)質(zhì)的飛躍。本文以交流調(diào)速輸送機(jī)的改造為例，對(duì)人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：實(shí)訓(xùn)設(shè)備 人機(jī)交互 分揀生產(chǎn)線

一、社會(huì)背景和市場(chǎng)現(xiàn)狀

黨的二十大報(bào)告指出，統(tǒng)籌職業(yè)教育、高等教育、繼續(xù)教育協(xié)同創(chuàng)新，推進(jìn)職普融通、產(chǎn)教融合、科教融匯，優(yōu)化職業(yè)教育類(lèi)型定位。這是國(guó)家在以往實(shí)踐基礎(chǔ)上又一項(xiàng)創(chuàng)造性的頂層設(shè)計(jì)，是實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略一體化的重要契合點(diǎn)，也是開(kāi)辟努力發(fā)展新領(lǐng)域、新賽道，不斷塑造發(fā)展新動(dòng)能、新優(yōu)勢(shì)的重要突破口。

隨著供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的深入推進(jìn)和新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，中國(guó)正從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，工業(yè)領(lǐng)域也進(jìn)入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的轉(zhuǎn)型發(fā)展期，許多勞動(dòng)密集型行業(yè)正逐漸被智能化的自動(dòng)生產(chǎn)線所替代。

職業(yè)教育身處產(chǎn)業(yè)第一線，既要為破解“卡脖子”問(wèn)題培養(yǎng)更多高素質(zhì)高技能人才，又要在促進(jìn)創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈精準(zhǔn)對(duì)接中成為科技成果轉(zhuǎn)化的“紐帶”，在服務(wù)國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮有力支撐作用。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，分揀傳送設(shè)備涉及多個(gè)行業(yè)、多個(gè)領(lǐng)域，在食品包裝、機(jī)械制造、汽車(chē)零部件、物流包裝等制造類(lèi)企業(yè)中應(yīng)用尤其廣泛。當(dāng)下生產(chǎn)線設(shè)備大體上分為兩類(lèi)。

一類(lèi)為由精度較差的普通交流電機(jī)加調(diào)速器組合而成的低端產(chǎn)品。這對(duì)于很多企業(yè)來(lái)說(shuō)，根本無(wú)法滿足精細(xì)作業(yè)、無(wú)人值守、遠(yuǎn)程操作等要求。

另一類(lèi)為成本較高、依附于大型設(shè)備的高端產(chǎn)品，需配套使用，無(wú)法獨(dú)立運(yùn)行。而且人機(jī)交互功能差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化、模塊化的工業(yè)互聯(lián)要求。

職業(yè)院校承擔(dān)著為國(guó)家培養(yǎng)高技能人才的重任，各種適用又實(shí)用的生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備在教育教學(xué)中作用重大?？赡壳爸悄芊謷a(chǎn)線相關(guān)的教學(xué)設(shè)備很少，雖然有少量原理演示性質(zhì)的模型設(shè)備，但直接貼近一線生產(chǎn)、能夠進(jìn)行人機(jī)交互的智能化、網(wǎng)絡(luò)化分揀設(shè)備仍是市場(chǎng)空白。

二、生產(chǎn)線升級(jí)改造的研究

筆者在對(duì)青島地區(qū)30多家制造類(lèi)企業(yè)及山東10所職業(yè)院校工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)群（電氣、物聯(lián)網(wǎng)等專(zhuān)業(yè)）進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)現(xiàn)狀和職業(yè)院校工學(xué)一體化教學(xué)的需求，選取了工業(yè)制造應(yīng)用最為廣泛的“交流調(diào)速輸送機(jī)”作為研究對(duì)象，融入世界技能大賽電氣裝置賽項(xiàng)和中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大賽的技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)功能上的優(yōu)化升級(jí)。

（一）交流調(diào)速輸送機(jī)存在的問(wèn)題

當(dāng)前生產(chǎn)用的交流調(diào)速輸送機(jī)主要由傳送帶和交流調(diào)速器組成，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的速度調(diào)節(jié)，但無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)速，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。如果生產(chǎn)線上還需要進(jìn)行物料分揀、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守等，該設(shè)備在功能和性能上根本無(wú)法滿足上述要求。

（二）智能化改造思路

針對(duì)上述問(wèn)題，并結(jié)合當(dāng)下主流的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和前沿交互技術(shù)，筆者認(rèn)為可從以下幾方面著手進(jìn)行改造，即將普通“交流調(diào)速輸送機(jī)”升級(jí)為“人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線”。

1.精確調(diào)速和定位功能

在這一功能的改造上，可以為設(shè)備增加可編程邏輯控制器和伺服電機(jī)，編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制程序，通過(guò)成熟穩(wěn)定的PLC控制技術(shù)，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送帶的精確調(diào)速和定位。

2.物料屬性分揀功能

物料的屬性檢測(cè)離不開(kāi)高精度的傳感器，可以在傳送帶的兩側(cè)和上方增設(shè)各類(lèi)溫度傳感器、金屬傳感器、顏色傳感器等，將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給PLC，從而通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的溫度、材質(zhì)、顏色等屬性的分揀功能。

3.人機(jī)交互功能

人機(jī)交互功能在技術(shù)上是一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)，除了要有人機(jī)交互的硬件條件外，對(duì)語(yǔ)音和畫(huà)面的處理和數(shù)據(jù)傳輸也是亟待解決的問(wèn)題。目前比較容易實(shí)現(xiàn)的就是增加HMI人機(jī)界面，通過(guò)屏幕在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)操作人員與設(shè)備之間的交互。實(shí)際上還有一條非常靈活的途徑，就是借助于已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始嶄露頭角的智能手機(jī)，通過(guò)易微聯(lián)等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)連接設(shè)備的控制器，再由控制器作為PLC的數(shù)字量輸入設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)App控制和監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行，還可以通過(guò)設(shè)備組網(wǎng)的方式將易微聯(lián)等平臺(tái)搭接到智能手機(jī)的語(yǔ)音平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)連接，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)的語(yǔ)音交互功能。

4.遠(yuǎn)程監(jiān)視和無(wú)人值守功能

遠(yuǎn)程監(jiān)視和無(wú)人值守一直是工業(yè)領(lǐng)域研發(fā)的重頭戲，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的今天，這些功能的開(kāi)發(fā)也變得更加易于實(shí)現(xiàn)。目前最優(yōu)的途徑就是利用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，依托5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備和平臺(tái)之間的互聯(lián)，隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。如果再匹配工業(yè)機(jī)器人，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守功能。

5.智能照明功能

產(chǎn)業(yè)節(jié)能和綠色發(fā)展已經(jīng)是全球共識(shí)。因此，在照明系統(tǒng)上可以考慮通過(guò)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈比較完善的智能燈控系統(tǒng)進(jìn)行智慧照明，輕松實(shí)現(xiàn)物料對(duì)光色、光線強(qiáng)弱的要求，而且節(jié)能高效。

6.控制方式的多樣化

為了滿足多種生產(chǎn)需求，靈活多樣的控制方式也是必不可少的。為此，可以在設(shè)備上增加物理控制按鍵、在HMI中設(shè)計(jì)虛擬按鍵，還可通過(guò)高頻無(wú)線遙控模塊實(shí)現(xiàn)中距離遙控功能，由此降低對(duì)操作人員的身體條件要求，甚至可以給殘疾人員提供一定的就業(yè)崗位。

（三）“人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線”改造后的功能組成

設(shè)備根據(jù)上述思路改造完成后，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上的自動(dòng)化、智能化分揀，甚至可以做到24小時(shí)無(wú)人值守工作。在設(shè)備運(yùn)行期間，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)時(shí)在手機(jī)App上遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，并與現(xiàn)場(chǎng)工作人員實(shí)時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音交流。在設(shè)備停用期間，可以作為安全監(jiān)控使用。當(dāng)有人在禁用設(shè)備期間進(jìn)入監(jiān)控范圍時(shí)，移動(dòng)偵測(cè)功能啟動(dòng)，立即向手機(jī)推送消息，同時(shí)攝像頭會(huì)發(fā)出警報(bào)。

綜上所述，整條智能生產(chǎn)線主要包含了以下幾項(xiàng)重要組成部分。

1.主控制系統(tǒng)

以PLC為核心；有語(yǔ)音、手機(jī)App、HMI人機(jī)交互界面等多種靈活控制方式；通過(guò)修改PLC程序可自由改變?cè)O(shè)備傳送分揀功能。

2.傳感器系統(tǒng)

對(duì)物料的溫度、材質(zhì)、顏色等不同屬性進(jìn)行智能化分揀，并通過(guò)相應(yīng)的指示燈或者蜂鳴器進(jìn)行警示。

3.智能照明系統(tǒng)

調(diào)光調(diào)色，以適應(yīng)不同產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)對(duì)亮度和色彩的需要，踐行國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能環(huán)保理念。

4.智能監(jiān)控系統(tǒng)

連接5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，發(fā)生緊急狀況可通過(guò)遠(yuǎn)程語(yǔ)音、視頻交流進(jìn)行指揮、調(diào)度。

（四）特色和創(chuàng)新

人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線一方面可以滿足現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求，另一方面可以結(jié)合職業(yè)院校教學(xué)和對(duì)外培訓(xùn)的需求，對(duì)接電工基礎(chǔ)、電力拖動(dòng)控制線路技能訓(xùn)練、電機(jī)技術(shù)、PLC應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門(mén)機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心課程，融合PLC運(yùn)動(dòng)控制、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多項(xiàng)主流的控制技術(shù)，融入5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供良好的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

這些特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，可歸納總結(jié)為以下幾個(gè)方面。

第一，創(chuàng)新性地融入5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的功能。人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線創(chuàng)造性地加入智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能，使得設(shè)備緊跟工業(yè)發(fā)展的前沿技術(shù)，功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守，人機(jī)操作更加便利，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白。

第二，通用接口的平臺(tái)，用途更加靈活多變。以PLC為核心、以5G網(wǎng)絡(luò)為通信途徑的開(kāi)放式綜合性控制系統(tǒng)，融合多門(mén)學(xué)科，既適合學(xué)校開(kāi)展教學(xué)和培訓(xùn)，又能滿足企業(yè)對(duì)分揀生產(chǎn)線智能化的需求。

第三，獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，個(gè)性化量身定制。人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線的設(shè)備組成實(shí)現(xiàn)了模塊化，各功能模塊相互獨(dú)立?？舍槍?duì)不同的需求，靈活增減模塊，做到了功能上的個(gè)性化量身定制，降低了設(shè)備使用成本。

（五）設(shè)備改造升級(jí)的實(shí)用價(jià)值

1.滿足企業(yè)對(duì)智能化生產(chǎn)的需求

通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)功能上的靈活調(diào)整；通過(guò)精密電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送的精確調(diào)速和定位；通過(guò)各類(lèi)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的溫度、材質(zhì)、顏色、壓力等不同屬性的分揀；通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、畫(huà)面的人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制。

2.滿足職業(yè)院校對(duì)智能化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)設(shè)備的需求

融合多學(xué)科知識(shí)，設(shè)備中的各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)多門(mén)電氣和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心課程，適合作為電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專(zhuān)業(yè)的教學(xué)設(shè)備使用。

3.滿足電工工種的職業(yè)技能等級(jí)認(rèn)定培訓(xùn)的需求

人機(jī)交互式智能分揀生產(chǎn)線設(shè)備的安裝、編程、調(diào)試過(guò)程恰好對(duì)應(yīng)電工國(guó)家職業(yè)技能認(rèn)定的初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)、技師各個(gè)階段的培訓(xùn)內(nèi)容，因此可以直接作為培訓(xùn)設(shè)備使用。

如果個(gè)別行業(yè)對(duì)培訓(xùn)的內(nèi)容有特殊要求，可對(duì)這個(gè)開(kāi)放式的設(shè)備平臺(tái)稍加改動(dòng)，即可適配所需。

三、改進(jìn)方向

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更迭，硬件設(shè)備的淘汰升級(jí)加速，并且結(jié)構(gòu)功能越復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備，不確定的因素也越多，如果能夠利用軟件對(duì)整個(gè)工廠和生產(chǎn)線進(jìn)行模擬仿真，企業(yè)投產(chǎn)后出現(xiàn)損失的概率會(huì)大大度降低。當(dāng)下數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用如火如荼，擁有非常廣闊的發(fā)展空間。這項(xiàng)技術(shù)的精髓就在于用軟件仿真整套硬件設(shè)備，甚至是一個(gè)完整的工廠。有了這項(xiàng)技術(shù)的加持，就可以對(duì)生產(chǎn)線的功能進(jìn)行進(jìn)一步提升和完善，一方面減小了對(duì)硬件設(shè)備的依賴，降低了使用成本，另一方面在企業(yè)投產(chǎn)前就可以對(duì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判，從而降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

（作者單位：青島市技師學(xué)院）