蘇志同

【摘 要】隨著汽車輕量化的發(fā)展，高強鋼熱成形工藝的發(fā)展和普遍應(yīng)用，對熱沖壓成形生產(chǎn)線也提出了新的要求。在保證生產(chǎn)線高效運行的同時，生產(chǎn)過程中的安全性、自動化設(shè)備的工作狀態(tài)及工作人員安全都能夠通過實時監(jiān)測和智能分析好得到更大的保證。

【關(guān)鍵詞】高強鋼熱成形;熱沖壓生產(chǎn)線;安全性;網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控;生產(chǎn)線特征識別

中圖分類號：TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）15-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.018

Research and Application of Monitoring System for Hot Stamping Production Line Based on Industrial Internet

SU Zhi-tong

（Qingdao Kingerobot Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266000，China）

【Abstract】With the development of automobile lightweight，the development and universal application of high-strength steel hot forming process has also put forward new requirements for hot stamping forming production lines.While ensuing the efficient operation of the production line，the safety in the production process，the working state of the automation equipment and the safety of the staff can all be ensured through real-time monitoring and intelligent analysis.

【Key words】High-strength steel hot forming; Hot stamping production line; Safety; Network Video Monitoring; Production line feature recognition

高強鋼板熱沖壓生產(chǎn)線是有伺服壓力機、多層箱式爐和自動輸送系統(tǒng)組成。坯料被機械手拆垛，送進加熱爐。被加熱坯料（900-950°C）被機械手送到壓力機模具上。壓力機合模（坯料成形）-保壓（冷卻淬火）后，零件被出料機械手從模具上取出，放在傳送帶上。高強鋼板從500-700MPa經(jīng)過成形強化，達到1500MPa。熱坯料在機械手輸送過程中做空間曲線運動，機械手與機械手、機械手與壓力機呈協(xié)同工作狀態(tài)。盡管自動控制系統(tǒng)考慮了安全控制的各種控制策略的應(yīng)用，但是建立獨立的傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，以提高熱沖壓生產(chǎn)線的輸送監(jiān)控對安全生產(chǎn)是必要的。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

傳統(tǒng)的生產(chǎn)安全主要是通過人直覺和經(jīng)驗判斷，缺乏穩(wěn)定和可靠性。根據(jù)實際需要，從熱沖壓工藝過程和安全性角度將生產(chǎn)線分為安全區(qū)、危險區(qū)和高危區(qū)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的方式來監(jiān)控運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和環(huán)境狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)連接的方式將網(wǎng)絡(luò)數(shù)字攝像機連接起來，通過控制手段對其控制采集視頻，實時顯示生產(chǎn)線運行狀態(tài)的系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本原理包括壓縮、編碼以及采集，同時還有網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括攝像部分、傳輸部分、顯示部分以及控制部分。在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送方式下，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的快速和實時傳輸是系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵。應(yīng)考慮從壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面分析視頻快速傳輸?shù)姆椒?，提出的解決方案。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及視覺監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 熱沖壓生產(chǎn)線的安全行為分析

在對熱沖壓生產(chǎn)線安全性分析之前，首先對熱沖壓中可能出現(xiàn)的危險進行分類分析。

2.1.1 機械運動碰撞

機械危險是指由于機器零件、工具以及生產(chǎn)線中可能產(chǎn)生傷害的物理因素的總稱。產(chǎn)生機械危險的主要因素一般在運動交接位置、機械不穩(wěn)定抖動，或者輸送坯料從卡爪中脫落。這些機械危險是自動化生產(chǎn)中的潛在危險，影響生產(chǎn)線的安全，造成事故停機，甚至可能對人員造成傷害。

2.1.2 高溫危害

加熱爐的進出料的機械手，長時間、連續(xù)進出爐，受高溫環(huán)境加熱。坯料出爐的高溫熱輻射對周邊設(shè)備的影響都會影響了生產(chǎn)線的安全運行。

2.1.3 振動危險

熱沖壓生產(chǎn)線，盡管機械伺服壓力機工作較平穩(wěn)，但進行沖壓過程會產(chǎn)生振動。送料機器人在高速輸送過程中，可能由于設(shè)備控制和機械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生振動。

2.2 熱沖壓生產(chǎn)線安全性區(qū)域分析

根據(jù)以上的分析，在熱沖壓生產(chǎn)線中存在各種各樣的危險和安全隱患。通過分類分區(qū)，為視頻監(jiān)控提供建?；A(chǔ)。將熱沖壓的整個車間分為三個區(qū)域：黑色所在的矩形區(qū)域為整個生產(chǎn)車間，也就是廠房;黃色矩形所在的區(qū)域為圍欄區(qū)域，圍欄上設(shè)有安全門;紅色區(qū)域為各設(shè)備圍成的中間的狹小區(qū)域。按危險的程度不同，將生產(chǎn)線安全區(qū)域分為安全區(qū)、危險區(qū)以及高危區(qū)。

安全區(qū)域因為有安全圍欄的保護，不易發(fā)生危險事故，屬于車間的安全區(qū)。在該區(qū)域有人工通道和叉車專用通道。危險區(qū)域包含有熱沖壓生產(chǎn)設(shè)備和自動輸送機械手。在該區(qū)域會發(fā)生振動危險、噪音危險以及機械危險。在連續(xù)生產(chǎn)的過程中，一般不允許工作人員進入此區(qū)域。

高危區(qū)域面積狹小，是熱沖壓生產(chǎn)的關(guān)鍵區(qū)域，但是也屬于熱沖壓產(chǎn)線的高度危險區(qū)域，在該區(qū)域可能會發(fā)生機械危險和熱危險，是安全性最差，也是最應(yīng)該關(guān)注的區(qū)域禁止操作人員隨意進出。

2.3 熱沖壓生產(chǎn)線系統(tǒng)的故障模型

在熱沖壓生產(chǎn)過程中，一般有兩種故障形式：（1）可修復(fù)故障，如空冷時間過長致使板料沖壓溫度不夠、輸送過程產(chǎn)生疊料、等，一般可按廢料處理來執(zhí)行機械手操作解決，不會影響生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。（2）嚴重故障，如機械手運行過程中和加熱爐、壓力機發(fā)生碰撞，機械手運行出現(xiàn)運動軌跡錯誤等，這些故障將導(dǎo)致生產(chǎn)線停運檢修，無法通過自動化控制來快速解決，并且修復(fù)這些故障可能需要很長的時間。通過視頻監(jiān)控技術(shù)，可以回放故障發(fā)生的過程，快速輔助判斷故障產(chǎn)生的原因。

2.4 熱沖壓生產(chǎn)線視頻監(jiān)控高清視頻傳輸

數(shù)字視頻采集主要線通過前端攝像機進行采集，將采集到的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換，然后再采用數(shù)字信號進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)字信號傳輸過程往往還伴隨著視頻的壓縮處理。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控包括現(xiàn)場設(shè)備層、控制層和信息層。設(shè)備層是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的最底層，面向各種電子設(shè)備，底層設(shè)備要求可靠性高?？刂茖訉儆谥虚g層，控制層與設(shè)備層和信息層都相連，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，需要高傳輸速率和高實時性。信息層屬于最頂層，通信可以更加廣泛，可利用互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，屬于數(shù)據(jù)量較大的系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控屬于分布式離散化的系統(tǒng)。不同層之間通過網(wǎng)絡(luò)進行通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸減少了這樣的一個差異性。

熱沖壓生產(chǎn)線中，為了更好地將視頻監(jiān)控系統(tǒng)和總控系統(tǒng)進行互聯(lián)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)的連接方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸采用雙絞線，但是熱沖壓現(xiàn)場環(huán)境惡劣，電磁干擾較多，部分區(qū)域采用光纖傳送。

采用OPNET仿真研究了采用交換機星型結(jié)構(gòu)和壓縮技術(shù)可實現(xiàn)快速實時性視頻傳輸，高清視頻是指視頻格式在720P以上的視頻顯示，包括720p、1080p以及1080i。目前，主要的高清系統(tǒng)主要采用IP化壓縮網(wǎng)絡(luò)視頻的方式解決，也就是采用高碼流的傳輸方式。根據(jù)熱成形生產(chǎn)線高清視頻監(jiān)控的研究設(shè)計，采用多路高清網(wǎng)絡(luò)攝像機和一個交換機組成的傳輸模型，網(wǎng)絡(luò)攝像機高清視頻為720P和1080P。交換機背板帶寬設(shè)計要求交換機的背板寬帶大于等于總寬帶，即滿足C≤G。最后計算包交換率，要求網(wǎng)絡(luò)交換機的包交換率至少大于此計算的包交換率。

2.5 熱沖壓生產(chǎn)線視頻監(jiān)控的安全生產(chǎn)實現(xiàn)

從生產(chǎn)線中復(fù)雜的零件中提取出有用的信息是關(guān)鍵。視頻由一幀一幀在時間上連續(xù)的圖像組成，即通過處理圖像中的信息就可以實現(xiàn)視頻信息的實時處理，能夠快速識別出物理對象中的位置和運動趨勢等重要信息。成功構(gòu)建了高強鋼板熱沖壓生產(chǎn)線的互聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了在安全區(qū)對高危險區(qū)域的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)長周期遠程監(jiān)控，或無線聯(lián)接手機應(yīng)用客戶端監(jiān)控。

該系統(tǒng)在多條生產(chǎn)線上投入運行，對提高生產(chǎn)安全性有良好的保障作用。同時，對意外故障，可以從循環(huán)數(shù)據(jù)庫中提取視頻記錄，用于故障的重現(xiàn)和分析，從而優(yōu)化改善生產(chǎn)線的總控制系統(tǒng)

3 結(jié)語

熱沖壓生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足實時顯示、視頻回放和圖像抓拍的功能。根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理和熱沖壓生產(chǎn)線的安全性要求，成功開發(fā)了生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了在安全區(qū)域?qū)ξｋU區(qū)域的實時監(jiān)控。根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，提出了采用視頻監(jiān)控圖像特征的識別方法，快速提取了熱沖壓生產(chǎn)線設(shè)備運動位置，并實現(xiàn)了運動機構(gòu)的位置及輸送裝置的運動干涉識別，實現(xiàn)了安全碰撞避讓控制。

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