李俊良

基于數(shù)字化測(cè)量的智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李俊良1,2

（1.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院 2.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

根據(jù)實(shí)際需求構(gòu)建涵蓋工業(yè)4.0要素的智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從定制化訂單發(fā)起到加工成品入庫(kù)的全過(guò)程智能化生產(chǎn)。基于數(shù)字化測(cè)量（信息產(chǎn)生）、信息交互、信息利用等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合MES、立體庫(kù)、AGV、工業(yè)機(jī)器人、RFID和機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)，完成生產(chǎn)線智能制造過(guò)程。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證：系統(tǒng)運(yùn)行正常，功能完備，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

智能制造；MES；信息流；數(shù)字化測(cè)量

0　引言

智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造。在傳統(tǒng)生產(chǎn)自動(dòng)化基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)理念及生產(chǎn)方式提出全新的要求，其中非常重要的一點(diǎn)是對(duì)生產(chǎn)信息的全面感知。數(shù)據(jù)和信息是智能制造中流動(dòng)著的“血液”，數(shù)字化將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化和智能化決策，創(chuàng)造有用的價(jià)值。因此，智能制造或工業(yè)4.0都是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的[1]。

傳統(tǒng)的自動(dòng)化企業(yè)專注于設(shè)備級(jí)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，但對(duì)上層SCADA/MES/ERP等系統(tǒng)不熟悉，致使忽視生產(chǎn)線信息的數(shù)字化獲取及生產(chǎn)信息的橫向、縱向流動(dòng)[2-3]。MES/ERP等軟件系統(tǒng)企業(yè)專注于上層系統(tǒng)級(jí)的數(shù)據(jù)分析與調(diào)配控制，對(duì)于底層型號(hào)各異的執(zhí)行設(shè)備和控制器等硬件設(shè)備以及控制方式難以涉及，影響信息縱向流動(dòng)。通過(guò)數(shù)字化測(cè)量實(shí)現(xiàn)制造信息（關(guān)鍵參數(shù)）的數(shù)字化獲取及流轉(zhuǎn)，可打通上層系統(tǒng)與底層產(chǎn)線之間的阻隔，釋放已有的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)力，加快我國(guó)制造業(yè)發(fā)展進(jìn)程[4]。

本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，設(shè)計(jì)基于數(shù)字化測(cè)量的智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，借助于OPC-UA、PROFINET協(xié)議轉(zhuǎn)換等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備信息統(tǒng)一通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸流動(dòng)，賦予MES較大的自由度與控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

1 　系統(tǒng)構(gòu)成

生產(chǎn)線用于生產(chǎn)定制化工業(yè)機(jī)器人模型，模型零件由3D打印完成。系統(tǒng)加工物料包括模型零件、包裝盒等，加工物料存放于立體倉(cāng)儲(chǔ)的指定區(qū)域；訂單由客戶Web頁(yè)面發(fā)起，可定制材料顏色、模型規(guī)格、Logo圖案、簽名等內(nèi)容；系統(tǒng)按照訂單需求自動(dòng)完成物料運(yùn)輸、裝配、激光打標(biāo)、質(zhì)量檢測(cè)、成品包裝和入庫(kù)存儲(chǔ)等加工環(huán)節(jié)；客戶可憑系統(tǒng)生成的二維碼在立體倉(cāng)儲(chǔ)取回加工好的產(chǎn)品。

生產(chǎn)線線體采用U型雙層流水線設(shè)計(jì)，上層流轉(zhuǎn)治具盤承載物料進(jìn)行裝配、打標(biāo)、檢測(cè)和包裝等環(huán)節(jié)；下層回流空治具盤，完成治具盤流動(dòng)循環(huán)。生產(chǎn)線線體及設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。

圖1 　生產(chǎn)線線體及設(shè)備構(gòu)成示意圖

立體倉(cāng)儲(chǔ)與加工生產(chǎn)線之間的物料流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)通過(guò)AGV機(jī)器人完成，包括加工物料、包裝材料運(yùn)送和成品運(yùn)輸；裝配環(huán)節(jié)由6軸單工位雙工裝工業(yè)機(jī)器人完成，可完成組裝與次品修復(fù)功能；定制打標(biāo)環(huán)節(jié)由激光打標(biāo)機(jī)完成，可打印客戶定制簽名、Logo和二維碼等標(biāo)識(shí)，打標(biāo)內(nèi)容由系統(tǒng)自動(dòng)匹配訂單并傳送打標(biāo)機(jī)完成；外觀檢測(cè)由6軸單工位工業(yè)機(jī)器人配合視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)完成，可完成產(chǎn)品多處關(guān)鍵位置加工及外觀檢測(cè)，如有NG情況將自動(dòng)夾取至返修線[5]；包裝環(huán)節(jié)由6軸單工位雙工裝工業(yè)機(jī)器人完成，可將檢測(cè)完好的加工品自動(dòng)裝入包裝盒，并放置于下料緩存位置，通知AGV運(yùn)送至立體倉(cāng)儲(chǔ)。

MES實(shí)時(shí)讀取中控PLC及各系統(tǒng)狀態(tài)，并通過(guò)大屏幕展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：立庫(kù)實(shí)時(shí)看板展示倉(cāng)儲(chǔ)情況；計(jì)劃達(dá)成看板展示訂單完成情況；設(shè)備監(jiān)控看板展示工業(yè)機(jī)器人工作狀態(tài)；工藝看板展示品質(zhì)分析與線平衡、二維碼追溯展示流程生產(chǎn)及檢測(cè)信息等。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建

2.1 　控制系統(tǒng)分層

控制系統(tǒng)分3層設(shè)計(jì)：MES層位于頂層，負(fù)責(zé)訂單管理、制造過(guò)程調(diào)度和監(jiān)控；控制層為中間層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、流動(dòng)及控制任務(wù)；設(shè)備層為最底層，負(fù)責(zé)執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作與任務(wù)[6]。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制層采用PLC作為主控制器，選型S7-1500系列PLC，其支持工業(yè)以太網(wǎng)接口，內(nèi)置OPC-UA服務(wù)器。設(shè)備統(tǒng)一采用工業(yè)以太網(wǎng)相連，就地進(jìn)入工業(yè)交換機(jī)，并采用分布式I/O模塊，通過(guò)PROFINET相連。針對(duì)無(wú)工業(yè)以太網(wǎng)接口的設(shè)備，如已選工業(yè)機(jī)器人僅支持RS-485接口，采用PROFINET網(wǎng)關(guān)模塊。該模塊可自動(dòng)將配置的Modbus詢問(wèn)報(bào)文發(fā)送給連接設(shè)備，并將設(shè)備回復(fù)的數(shù)值通過(guò)PROFINET映射至PLC的內(nèi)部I/O區(qū)域，最快可支持毫秒級(jí)的連續(xù)問(wèn)詢。統(tǒng)一采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可提高通訊可靠性，同時(shí)星型連接結(jié)構(gòu)可減少故障線路對(duì)其他設(shè)備的影響。

MES通過(guò)OPC-UA協(xié)議與主控PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)基于標(biāo)識(shí)位觸發(fā)的數(shù)據(jù)交互協(xié)議。MES可自由讀取所有生產(chǎn)信息或直接控制中控系統(tǒng)完成模塊化功能及底層部件動(dòng)作控制，增強(qiáng)系統(tǒng)柔性，便于后期功能擴(kuò)展。

加工工藝模塊化設(shè)計(jì)，使得控制層可與MES相連完成系統(tǒng)訂單任務(wù)，也可脫離MES脫機(jī)工作，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行資源智能化調(diào)配完成智能化生產(chǎn)任務(wù)。

2.2　控制流程

客戶發(fā)起加工需求后，MES通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接口獲取客戶定制內(nèi)容從而生成訂單，同時(shí)生成唯一的訂單號(hào)。立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)根據(jù)訂單內(nèi)容，控制巷道機(jī)器人取出對(duì)應(yīng)的物料盤，同時(shí)MES發(fā)送指令給AGV前往立體倉(cāng)儲(chǔ)接駁碼頭取下物料盤并運(yùn)送至生產(chǎn)線。AGV就位后，生產(chǎn)線的伺服系統(tǒng)將物料盤從AGV上取下，并根據(jù)加工情況放置于對(duì)應(yīng)的物料緩存區(qū)域。

生產(chǎn)線線體采用上下雙層傳送帶，治具盤在傳送帶上流轉(zhuǎn)，每個(gè)治具盤上都鑲嵌RFID標(biāo)簽，每個(gè)加工工位處都設(shè)有RFID讀寫器。加工線體共設(shè)有5個(gè)不同的加工工位：裝配工位、激光打標(biāo)工位、視覺(jué)識(shí)別工位、回流返修工位和包裝工位。當(dāng)治具盤流轉(zhuǎn)到某加工工位時(shí)，傳送帶下的頂升氣缸會(huì)將治具盤頂升，使之脫離傳送帶，同時(shí)RFID讀寫器讀取治具盤RFID信息，MES根據(jù)加工信息決定下一步的加工動(dòng)作。具體生產(chǎn)線加工控制流程如圖3所示。

圖3　生產(chǎn)線加工控制流程圖

3 信息產(chǎn)生及流通機(jī)制構(gòu)建

3.1 　RFID

RFID標(biāo)簽可讀可寫，是理想的信息流轉(zhuǎn)載體。在流水線上循環(huán)流轉(zhuǎn)的治具盤中鑲嵌有RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽中除了含有訂單信息、治具盤ID和產(chǎn)品SN號(hào)等信息外，還包含每個(gè)工位的加工信息及加工結(jié)果。在到達(dá)加工工位時(shí)，讀寫器讀取到該物料的加工履歷，由系統(tǒng)根據(jù)加工履歷及訂單情況決定下一步動(dòng)作，提高了系統(tǒng)的柔性及容錯(cuò)能力。具體流轉(zhuǎn)信息內(nèi)容如圖4所示。

3.2　生產(chǎn)線加工信息

生產(chǎn)線加工信息可由機(jī)器視覺(jué)、QR讀碼器、光纖傳感器、磁性開(kāi)關(guān)、光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)、光電編碼器、接近開(kāi)關(guān)、激光測(cè)距傳感器和壓力傳感器等傳感器件信號(hào)，通過(guò)特定的組合或計(jì)算獲取。主控PLC采集并分析計(jì)算可獲取系統(tǒng)狀態(tài)、加工治具位置、伺服機(jī)構(gòu)位置、產(chǎn)品加工履歷、產(chǎn)品檢測(cè)NG類型及返修履歷、產(chǎn)品生產(chǎn)周期、加工時(shí)間及操作結(jié)果、上料緩存各工位狀態(tài)、下料緩存位工件數(shù)和包裝上料緩存位工件數(shù)等。生產(chǎn)線加工信息直接存放在PLC內(nèi)部存儲(chǔ)空間內(nèi)，通過(guò)設(shè)置信息更新標(biāo)志位，通知MES讀取相關(guān)存儲(chǔ)區(qū)域數(shù)據(jù)。

3.3　機(jī)器人狀態(tài)信息

機(jī)器人狀態(tài)信息可通過(guò)機(jī)器人指令獲取并存儲(chǔ)于機(jī)器人內(nèi)部寄存器中。采用PROFINET網(wǎng)關(guān)可將機(jī)器人內(nèi)部寄存器信息實(shí)時(shí)掃描，并將運(yùn)行參數(shù)映射至主控PLC內(nèi)部I/O緩存區(qū)域。經(jīng)計(jì)算可獲取機(jī)器人加工時(shí)間/空閑時(shí)間、機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài)、軸角度、運(yùn)行速度、扭矩、角度（位置）和坐標(biāo)位置等參數(shù)。同時(shí)，主控PLC可通過(guò)PROFINET網(wǎng)關(guān)以約定的協(xié)議設(shè)定機(jī)器人相關(guān)內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人執(zhí)行不同功能模塊的動(dòng)作。MES可通過(guò)OPC-UA協(xié)議讀取PLC相關(guān)存儲(chǔ)區(qū)域獲取機(jī)器人狀態(tài)信息。

圖4　信息產(chǎn)生及流轉(zhuǎn)示意圖

3.4　視覺(jué)檢測(cè)信息

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)志位觸發(fā)決定與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的時(shí)機(jī)。檢測(cè)結(jié)果以約定格式映射至機(jī)器人寄存器中，包括裝配缺陷、緊固螺絲漏打、外觀缺陷和本體顏色等。主控PLC通過(guò)PROFINET網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)掃描機(jī)器人寄存器獲取檢測(cè)結(jié)果信息。

4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行

控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)成功對(duì)接并運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了既定的控制目標(biāo)與期望的信息交互。系統(tǒng)可接受定制化訂單實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行如圖5所示。

5　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合當(dāng)前智能制造領(lǐng)域的新趨勢(shì)新技術(shù)，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人模型定制生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于信息流的智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)?；谠摽蚣荛_(kāi)發(fā)的智能制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行智能化操作，實(shí)現(xiàn)柔性制造，注重生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)信息的產(chǎn)生與自動(dòng)流動(dòng)，能夠較好地滿足企業(yè)對(duì)生產(chǎn)線改造提升的需求。

圖5 　生產(chǎn)線控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行圖

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Design and Implementation of Intelligent Manufacturing Production Line Control System Based on Digital Measurement

Li Junliang1,2

(1.Guangdong Institute of Metrology 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology)

An intelligent manufacturing system covering the elements of Industry 4.0 was proposed, realizing the whole process intelligent production from customized order to finished products. Based on key technologies such as digital measurin (information acquisition), information interaction, and information utilization, the intelligent manufacturing control system architecture is designed, combining MES system, WCS, AGV, industrial robot, RFID, machine vision and other technologies. The process is verified by on-site operation: the system runs well, achieving the expected design goals.

Intelligence Manufacturing; MES; Information Flow; Digital Measuring

李俊良，男，1976年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：信息化。E-mail:13924032866@139.com