任 琪 ， 蔡言秀

（1.長沙民政職業(yè)技術學院電子信息工程學院，湖南 長沙 410004；2.長沙市鵬揚教學設備有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

智能制造作為工業(yè)4.0的組成部分之一，智能生產線與辦公信息系統(tǒng)之間的人機交互方式日新月異。但不同制造商以及不同時間、不同技術水平生產的機器設備，存在著通信協(xié)議不統(tǒng)一等問題[1]。這就給遠程監(jiān)控設備運行狀態(tài)和管理員根據現(xiàn)場生產情況調整方案帶來極大不便。

針對此類情況，課題組設計了一種人機交互系統(tǒng)，上位機可以實時監(jiān)控現(xiàn)場的生產運行狀態(tài)，管理員也能夠根據監(jiān)控到的設備運行狀態(tài)手動發(fā)送生產操作指令。該系統(tǒng)采用西門子SIMATIC IOT2040智能網關，首先完成智能產線、控制器、上位機等不同數(shù)據源的數(shù)據采集和處理；再通過騰訊云平臺，將采集到的數(shù)據轉發(fā)給“騰訊連連”小程序，實現(xiàn)對設備的實時遠程監(jiān)控。SIMATIC IOT2040智能網關支持多種通信協(xié)議，因而該方案能夠應用于不同產商生產設備的通信。

1 產線功能分析

智能產線次品分揀系統(tǒng)選用PLC控制，能夠自動完成對產品工件的高度檢測。系統(tǒng)包含自動運行、單步運行、復位三種模式，為了安全生產，只有在急停狀態(tài)下才能實施工作模式的選擇和切換。當急停按鈕被按下時，無論系統(tǒng)處在哪種工作狀態(tài)，將立即停止所有執(zhí)行機構；當安全隱患排除后，如需再次運行設備，系統(tǒng)要求按鈕復位到初始位置，方可運行[2]。

系統(tǒng)在自動或單步運行狀態(tài)下，釋放急停按鈕，按下啟動開關；當上料點物料檢測傳感器檢測到有工件后，同步帶驅動直流電機帶動傳送帶將工件送至高度檢測點；高度檢測組件中的紅外測物料高度傳感器HG-C1050便會對工件高度進行檢測，并轉換為與高度成比例的標準電信號0 V～5 V輸出；該電信號通過PLC模擬量輸入模塊實現(xiàn)A/D轉換，轉換為0～27 648的數(shù)字量信號，存儲到PLC的模擬量寄存器中；最后傳送帶會將工件搬運到右側工件出貨點。此時，PLC將模擬量寄存器中的值與正品標準值進行比較，如果超出標準值范圍，則PLC判斷其為不合格工件，排料氣缸動作將物料排出；如果在標準值范圍內，則PLC判斷其為合格工件。在接收到下一工作站的空閑信號后，升降氣缸帶動推料向下一站氣缸下行，推料向下一站氣缸動作完成推料，實現(xiàn)產品的自動分揀。推料完成后，升降氣缸帶動推料向下一站氣缸上行，電機M1開始反轉，同步帶輸送組件回到搬運初始位置，準備下一個工件的分揀[3]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 元器件選型

智能產線次品分揀人機交互系統(tǒng)硬件體分為PLC控制系統(tǒng)和智能網關系統(tǒng)兩部分[4-5]。其主要元器件有控制器、信號檢測機構、執(zhí)行機構、上位機、智能網關等。具體的元器件選型如表1所示。

表1 元器件選型

2.2 主電路設計

調速直流電機拖動傳送帶完成產品搬運工作，電機控制電路如圖1所示。中間的繼電器K1實現(xiàn)電機使能控制，當K1線圈通電，K1常開觸點閉合，電機得電啟動。中間的繼電器K2控制電機正反轉，電機正轉時拖動傳送機構將產品搬運到目標位置，電機反轉時將傳送結構送回初始位置。限位開關是防止傳送機構越位的機構，當傳送機構到達目標位或初始位時，限位開關常閉觸頭斷開，調速直流電機斷電，傳送機構停止運行，保護傳送機構不會因越位而撞壞其他機械部件。

圖1 電機控制電路圖

3 系統(tǒng)人機交互設計

3.1 HMI上位機界面設計

HMI人機控制界面可以有效提高人機交流的便利性以及系統(tǒng)的靈活性。根據設計功能要求，將HMI界面設計成多個層級窗口，如圖2所示，其中包括用戶登錄界面、分揀狀態(tài)查看界面、生產數(shù)據總覽界面、設備 I/O 測試界面等[6]。

圖2 HMI界面設計

1）登錄界面可以防止非專業(yè)人員的錯誤操作以及保護某些設置參數(shù)，在組態(tài)畫面時引入了用戶管理系統(tǒng)，不同用戶擁有不同的操作權限。

2）分揀狀態(tài)界面可以實時監(jiān)控智能產線工作時的狀態(tài)。通過按鍵，手動控制切換功能得以實現(xiàn)，整個控制系統(tǒng)的實用性得以提高。

3）生產數(shù)據界面可以查看當前的生產數(shù)據，如當前產品總數(shù)、目標產品數(shù)量、廢料數(shù)量等。當系統(tǒng)復位后，點擊面板上的產量清零按鈕可以清空目標產量和當前產量，輸入新的目標產量點擊開始生產就可以繼續(xù)新的生產。只要保持物料的供給，產線即可自動運行，直至運行到當前產量等于目標產量為止。

4）I/O 測試界面可以顯示設備當前工作狀態(tài)，包括手動控制信號狀態(tài)、自動檢測信號狀態(tài)、電機運行狀態(tài)和氣缸動作狀態(tài)。其中手動控制信號狀態(tài)包括自動運行狀態(tài)、手動運行狀態(tài)、停止狀態(tài)、復位狀態(tài)、急停狀態(tài)等。自動檢測信號狀態(tài)如表2所示。

表2 自動檢測信號狀態(tài)

3.2 設備遠程監(jiān)控設計

為保障智能產線上不同數(shù)據源的數(shù)據傳輸穩(wěn)定，解決設備運行狀態(tài)數(shù)據、控制器、上位機和云平臺各通信系統(tǒng)各自為戰(zhàn)以及通信協(xié)議、數(shù)據格式不統(tǒng)一等問題[7]。本系統(tǒng)采用支持多種協(xié)議的SIMATIC IOT2040智能網關，通過以太網通信方式，可以靈活地從控制器、傳感器、上位機上收集和處理數(shù)據。其網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 網絡拓撲結構

3.2.1 智能網關及運行環(huán)境配置

IOT 2040智能網關配備兩個網口，將X1P1 LAN網口對應的網卡Eth0以DHCP方式自動獲取動態(tài)IP，連接到網絡；X2P1 LAN網口對應的網卡Eth1設為靜態(tài)IP，這樣IOT 2040智能網關與控制器、觸摸屏、計算機就處于同一網段。

登錄Putty，連接到IOT 2040智能網關，在Putty命令行中輸入node /usr/lib/node_modules/node-red/red &啟動Node-RED，即可在瀏覽器中打開網關IP地址的1880端口進入到Node-RED界面。

Putty連接到IOT 2040智能網關后，使用NPM安裝節(jié)點，或者在Node-Red開發(fā)界面的節(jié)點管理中安裝所需要的節(jié)點。例如Node-Red自帶的48個節(jié)點、Dashboard節(jié)點、S7節(jié)點、MySQL節(jié)點、騰訊云Iotexplorer節(jié)點等[8]。

3.2.2 智能網關、PLC間數(shù)據采集

次品分揀智能網關、PLC間數(shù)據采集具體過程如下：“s7 in”節(jié)點是基于 S7 協(xié)議，從SIMATIC PLC讀取布爾量數(shù)據，使用Dashboard中的text節(jié)點將布爾量數(shù)據的“true”和“false”狀態(tài)顯示在Node-RED Dashboard中。浮點型數(shù)據可以用chart節(jié)點展現(xiàn)。反之，“s7 out”節(jié)點是將Node-RED Dashboard中的布爾量數(shù)據寫入PLC。這樣，智能網關便實現(xiàn)了與PLC輸入輸出數(shù)據的實時傳送[9]。

報文中無法識別的布爾量數(shù)據的“true”和“false”，則通過Dashboard平臺自帶的function節(jié)點編輯程序，轉換成設備端請求報文和遠程控制請求報文的布爾量數(shù)據格式。

3.2.3 數(shù)據庫管理

在本地的計算機上安裝MySQL數(shù)據庫軟件，在Navicat 數(shù)據庫管理軟件中建立與本地數(shù)據庫的連接，添加相應的表格，并為需要存儲的數(shù)據創(chuàng)建相應列名[10]。為了方便查看數(shù)據狀態(tài)發(fā)生變化的時間，在每個表格新建“cur_time”列，并設置字段自動更新為創(chuàng)建時的時間。在向數(shù)據庫中寫入數(shù)據時，在Node-red平臺上的function節(jié)點中編寫程序，對存儲數(shù)據進行處理，使用SQL語法“insert into table_name（列1，列2...）values （值1，值2...）”執(zhí)行對數(shù)據寫入的MySQL操作。

3.2.4 騰訊云平臺

騰訊云平臺是智能產線設備和管理者之間的紐帶，當PLC接收到的傳感器控制信號和輸出的執(zhí)行設備信號上傳到騰訊云平臺后，操作員可以在“騰訊連連”小程序中掃描設備調試欄目中的二維碼，遠程監(jiān)控與調試設備，進行多終端的遠程訪問。

4 結束語

該智能產線次品分揀人機交互系統(tǒng)以互聯(lián)網和數(shù)據庫為平臺，實現(xiàn)了產線的自動化與信息化。在聯(lián)網的智能設備上登錄云平臺，操作者就能在遠程控制目標產量的同時，監(jiān)控廢料的數(shù)量和當前的成品數(shù)量，還對生產過程具有的一定的管理和控制權限。通過智能產線HMI界面監(jiān)控生產線的工作狀態(tài)和一些關鍵的生產數(shù)據，當發(fā)生特殊情況來不及觸發(fā)各工作站的硬件急停時，使用觸摸屏就能使產線“一鍵急?！薄?利用“騰訊連連”小程序綁定云端建立的虛擬設備，操作者就可以監(jiān)視產線當前生產狀態(tài)、當前產量，并控制其目標產量。通過邊緣計算網關讀取現(xiàn)場層設備得到的數(shù)據，經過處理分析，還能夠得到實時存儲。