王祥傲， 郭建勇， 張國棟， 王帥康， 徐 昊

( 滁州學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院， 安徽 滁州 239000 )

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中流水線作業(yè)方式對生產(chǎn)效率的提高發(fā)揮了重要作用， 但同時(shí)也帶來了工人勞動強(qiáng)度高的負(fù)面影響。 隨著人力資源成本的上升， 大量依賴人工勞動的傳統(tǒng)流水線作業(yè)正面臨招工難的困境； 另一方面， 國際競爭的加劇也對國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)提出了技術(shù)升級的現(xiàn)實(shí)要求[1-2]。

針對傳統(tǒng)制造業(yè)中存在的以人工裝配為主的低端生產(chǎn)模式， 設(shè)計(jì)了由組態(tài)王和可編程邏輯控制器(PLC)構(gòu)建的流水線裝配監(jiān)控系統(tǒng)， 采用西門子S7-200 SMART PLC 作為控制器， 經(jīng)以太網(wǎng)交換機(jī)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互， 實(shí)現(xiàn)對裝配生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控； 利用報(bào)表存儲物料裝配信息， 提高制造過程信息化管理水平[3-5]。 應(yīng)用可視化編程軟件Node-RED 開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序， 內(nèi)置于西門子智能網(wǎng)關(guān)IOT2040， 建立PLC 與騰訊云平臺的數(shù)據(jù)交互通道[6]， 方便用戶通過智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)跨地域的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 裝配監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

物料裝配裝置包括2 條物料傳送帶、 1 臺兩軸機(jī)械手、 2 部氣動推桿和相應(yīng)的檢測傳感器，如圖1 所示。 靠近機(jī)械臂一側(cè)的傳送帶運(yùn)送端蓋， 另一條傳送帶運(yùn)送底座。 端蓋和底座的構(gòu)造如圖2 所示。 當(dāng)物料到達(dá)物料推桿位置時(shí)， 由檔桿對物料進(jìn)行定位， 然后機(jī)械手將端蓋抓取并搬運(yùn)至底座處進(jìn)行裝配。 裝配完畢后， 機(jī)械手復(fù)位， 氣動推桿升起將工件傳送至出料點(diǎn)。

圖1 裝配流水線裝置

圖2 待組裝零件模型

針對上述裝配工藝設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 上位機(jī)、 智能網(wǎng)關(guān)和PLC 通過交換機(jī)互聯(lián)， 上位機(jī)運(yùn)行組態(tài)王監(jiān)控軟件， 用戶通過監(jiān)控軟件向PLC 發(fā)送指令， PLC 接收指令后控制裝配裝置的運(yùn)行， 裝配過程數(shù)據(jù)采用以太網(wǎng)通信方式發(fā)送至上位機(jī)， 實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲、 查詢。內(nèi)置Node-RED 應(yīng)用程序的智能網(wǎng)關(guān)IOT2040 將PLC 的內(nèi)存變量上傳至騰訊云平臺， 并將智能手機(jī)下發(fā)的控制指令發(fā)送給PLC， 控制現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行， 建立起基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖3 裝配監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 裝配監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

物料裝配監(jiān)控系統(tǒng)以PLC 為控制核心， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。 裝配裝置共有16 個(gè)數(shù)字量輸入和16 個(gè)數(shù)字量輸出， I/O 分配如表1 所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O 分配表

根據(jù)系統(tǒng)的I/O 點(diǎn)數(shù)， 選用S7-200 SMART系列中的CPU ST40 作為控制器， 其主機(jī)自帶24個(gè)DI、 16 個(gè)DO 且集成有以太網(wǎng)接口， 滿足設(shè)計(jì)需要。 PLC 的端子接線圖如圖4 所示。

圖4 PLC 端子接線圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)具有手動和自動兩種裝配模式。 手動模式用于設(shè)備的安裝調(diào)試及故障排查， 自動模式為常態(tài)運(yùn)行模式。 手動裝配模式下， 每道工序由人工手動發(fā)出； 自動裝配模式下， 系統(tǒng)啟動后按流程自動執(zhí)行相應(yīng)工序的動作， 直至接收到停止指令。 無論手動模式或是自動模式， 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)首先執(zhí)行一次復(fù)位操作， 以清除流水線上可能存在的雜物。 PLC 控制程序流程如圖5 所示。

圖5 PLC 控制程序流程圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件采用組態(tài)王設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)內(nèi)容包括通信連接、 建立數(shù)據(jù)詞典、 畫面設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)中PLC 與組態(tài)王軟件之間采用以太網(wǎng)通信， PLC 的IP 地址為192.168.0.1， 在組態(tài)王中新建名為“ST40” 的設(shè)備， 通信方式選擇TCP， 設(shè)備地址配置為192.168.0.1: 0。

與PLC 的通信連接成功后， 在組態(tài)王中建立數(shù)據(jù)詞典， 關(guān)聯(lián)PLC 的內(nèi)存變量， 然后根據(jù)變量設(shè)計(jì)各監(jiān)控畫面， 包括主監(jiān)控畫面、 實(shí)時(shí)報(bào)表畫面和歷史查詢畫面， 圖6 所示為主監(jiān)控畫面。

圖6 監(jiān)控主畫面

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

Node-RED 是IBM 公司發(fā)布的可視化物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具， 使用Nodejs 事件驅(qū)動且完全開源，支持HTTP、 MQTT、 TCP 等通信協(xié)議[7]。 基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能使用Node-RED 建立PLC與騰訊云的數(shù)據(jù)交互。 Node-RED 程序內(nèi)置于西門子智能網(wǎng)關(guān)IOT2040， 以代碼塊的方式建立輸入節(jié)點(diǎn)、 處理節(jié)點(diǎn)和輸出節(jié)點(diǎn)組合形成的數(shù)據(jù)“流”， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和指令下發(fā)， 如圖7 所示。

圖7 基于Node-RED 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序

圖7 中的“S7200 SMART” 為輸入節(jié)點(diǎn)， 用于建立PLC 與智能網(wǎng)關(guān)IOT2040 的通信連接。輸入節(jié)點(diǎn)需設(shè)置屬性， 包括通信方式、 PLC 的IP 地址、 數(shù)據(jù)傳輸方式等， 如圖8 所示， 通信協(xié)議為以太網(wǎng)通信， IP 地址為192.168.0.1， 傳輸方式為TSAP 模式。

圖8 輸入節(jié)點(diǎn)屬性設(shè)置

“上報(bào)數(shù)據(jù)” 節(jié)點(diǎn)讀取PLC 的內(nèi)存變量并通過“騰訊云發(fā)布” 節(jié)點(diǎn)上傳至騰訊云平臺， 供遠(yuǎn)程用戶查詢。 “騰訊云發(fā)布” 節(jié)點(diǎn)的屬性設(shè)置包括節(jié)點(diǎn)名稱、 Mqtt Broker、 Topic 等3 項(xiàng)， 如圖9 所示。 用戶通過智能手機(jī)接入騰訊云平臺，下發(fā)的控制指令經(jīng)“騰訊云下發(fā)” 節(jié)點(diǎn)發(fā)送給PLC， 實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖9 數(shù)據(jù)發(fā)布節(jié)點(diǎn)屬性設(shè)置

Mqtt Broker 的屬性通過登錄騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺并新建設(shè)備， 由平臺自動分配設(shè)備ID 和設(shè)備密鑰， 如圖10 所示。

圖10 騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺中的設(shè)備信息

4 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試

物料裝配流水線監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境如圖11所示， 包括S7-200 SMART PLC、 以太網(wǎng)交換機(jī)、上位機(jī)、 智能網(wǎng)關(guān)IOT2040、 物料裝配流水線裝置和一部智能手機(jī)。

圖11 物料裝配監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境

啟動PLC 后運(yùn)行上位機(jī)監(jiān)控軟件， 通過手動、 自動開關(guān)切換運(yùn)行模式。 圖12 所示為自動運(yùn)行模式下系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

圖12 自動運(yùn)行模式下的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行效果

通過主監(jiān)控畫面的切換按鈕可以查看實(shí)時(shí)報(bào)表或查詢歷史數(shù)據(jù)。 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表如圖13 所示，每組裝完一個(gè)工件在顯示區(qū)自動完成一條數(shù)據(jù)記錄。 通過右側(cè)功能鍵區(qū)的按鈕可以對報(bào)表進(jìn)行保存、 清空、 打印等操作， 也可以根據(jù)裝配進(jìn)度自動保存報(bào)表。

圖13 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表

智能手機(jī)通過騰訊連連程序接入騰訊云平臺， 實(shí)現(xiàn)與PLC 的雙向通信， 圖14 為手機(jī)監(jiān)控運(yùn)行效果， 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與上位機(jī)監(jiān)控保持同步。

圖14 智能手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控

5 總結(jié)

制造業(yè)面臨激烈的市場競爭和人力資源成本上升的雙重壓力， 需要對傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造升級， 提高生產(chǎn)自動化和信息化水平。 基于騰訊云和PLC 的物料裝配監(jiān)控系統(tǒng)， 利用組態(tài)王建立上位機(jī)監(jiān)控， 實(shí)現(xiàn)車間級監(jiān)控， 并利用報(bào)表統(tǒng)計(jì)提高生產(chǎn)信息化管理水平； 應(yīng)用Node-RED 軟件開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序， 通過騰訊云平臺實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)對生產(chǎn)過程的跨地域遠(yuǎn)程監(jiān)控， 對于傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有較高的應(yīng)用價(jià)值。