楊 旭,劉忠超,李躍陽(yáng)

(南陽(yáng)理工學(xué)院智能制造學(xué)院 河南 南陽(yáng) 473004)

生產(chǎn)線自動(dòng)化水平的高低,直接影響工業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)度、產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、人力物力成本等,進(jìn)而決定企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線控制只能在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控,使得控制系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性大大受限,影響生產(chǎn)的管理水平和生產(chǎn)效率[2-3]。隨著“中國(guó)制造2025”和“工業(yè)4.0”概念的提出和發(fā)展,工業(yè)制造領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力,傳統(tǒng)的生產(chǎn)線已經(jīng)往物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、智能化和信息化方向轉(zhuǎn)型[4]。

本文借助于手機(jī)移動(dòng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、便利性,通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)借助Node-RED平臺(tái),在云平臺(tái)與生產(chǎn)線PLC控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,將云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)共享平臺(tái),手機(jī)通過APP訪問云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)與控制現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互,提高了自動(dòng)化生產(chǎn)線的智能化、安全化和高效化[5]。

1 裝配生產(chǎn)線系統(tǒng)組成

1.1 裝配生產(chǎn)線介紹

自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線由6個(gè)工作站組成,分別是供料站、搬運(yùn)站、加工站、搬裝站、裝配站、分揀站,其中供料站為主站,其余站為從站[6]。整個(gè)生產(chǎn)線完成中空?qǐng)A柱體加工和頂蓋的裝配,圓柱體由主料件(中空?qǐng)A柱體)和輔料件(頂蓋)組成。

1.2 控制系統(tǒng)選型

6個(gè)工作站的控制系統(tǒng)均選擇西門子S7-1511 PN 控制器,其是一款經(jīng)濟(jì)型PLC,具有卓越的控制性能,處理速度快,聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng),集成了PROFINET接口和強(qiáng)大的工藝功能,支持與PROFINET子站和HMI設(shè)備通訊,能夠完成復(fù)雜的邏輯控制、人機(jī)界面交互等[7]。

1.3 各工作站基本組成

供料站為系統(tǒng)主站,負(fù)責(zé)裝配生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的上傳、下發(fā)、接收等操作。供料站由旋轉(zhuǎn)料盤與上料臺(tái)組成。搬運(yùn)站由雙桿氣缸的機(jī)械手機(jī)構(gòu)組成。加工站由旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、加工機(jī)構(gòu)、顏色識(shí)別機(jī)構(gòu)組成。搬裝站由轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)和步進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。裝配站由簡(jiǎn)易料倉(cāng)、供料機(jī)構(gòu)、機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)組成。分揀站由分揀機(jī)構(gòu)和料槽機(jī)構(gòu)組成。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了通過云平臺(tái)監(jiān)控裝配生產(chǎn)線設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行及庫(kù)存情況,利用可視化編程軟件Node-RED平臺(tái),建立騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)與PLC的數(shù)據(jù)交互通道,將現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[8]。

2.1 系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Node-RED平臺(tái)與PLC之間通過PROFINET協(xié)議進(jìn)行通訊,利用Node-RED平臺(tái)中所提供的西門子s7節(jié)點(diǎn),通過IP地址訪問PLC。Node-RED平臺(tái)與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)之間通過TCP/IP協(xié)議訪問本機(jī)地址,實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。Node-RED平臺(tái)與騰訊云之間通過MQTT協(xié)議進(jìn)行通信,通過設(shè)置騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中所創(chuàng)建產(chǎn)品的三元組信息,進(jìn)行訂閱與發(fā)布節(jié)點(diǎn)的設(shè)置,即可進(jìn)行通信。該裝配生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 PLC主從站設(shè)計(jì)

該生產(chǎn)線采用每一工作站由一臺(tái)S7-1511-PN PLC承擔(dān)其控制任務(wù),主站為供料站,搬運(yùn)站、加工站、搬裝站、裝配站、分揀站為從站,其各個(gè)站的地址分別為192.168.0.1、192.168.0.2、192.168.0.3、192.168.0.4、192.168.0.5、192.168.0.6,接入到同一個(gè)交換機(jī),通過西門子的S7協(xié)議進(jìn)行通訊,并通過軟件系統(tǒng)中的GET/PUT模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主從站架構(gòu)如圖2所示。

圖2 主從站架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

該自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線中,總共由6個(gè)工作站組成,直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)與各類傳感器是各個(gè)站的重要組成部分,一方面保證物料在生產(chǎn)線上的運(yùn)輸,另一方面對(duì)物料進(jìn)行搬運(yùn)與裝配,保證產(chǎn)品的正常加工。生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要由6臺(tái)西門子S7-1511 PN的PLC進(jìn)行控制,程序設(shè)計(jì)使用西門子TIA博途V16.0平臺(tái)[9]。TIA 博途是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)發(fā)布的一款全新的全集成自動(dòng)化軟件,根據(jù)裝配生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)工藝編寫相應(yīng)的PLC控制程序。裝配生產(chǎn)線控制邏輯流程如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線控制邏輯流程

圖3中,當(dāng)開始工作時(shí),由供料站進(jìn)行物料的供給,通過轉(zhuǎn)盤將物料運(yùn)輸至上料臺(tái),由傳感器檢測(cè)是否到達(dá),由搬運(yùn)站的機(jī)械爪將物料搬運(yùn)至加工站。到達(dá)加工站后,加工站的光電傳感器檢測(cè)物料位置,由加工站的直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn),進(jìn)行銑槽機(jī)構(gòu)和沖壓機(jī)構(gòu)的加工,加工完畢后到達(dá)顏色檢測(cè)工位。檢測(cè)完畢后,由搬裝站的機(jī)械手將物料運(yùn)輸至裝配站,其中搬裝站機(jī)械臂的移動(dòng)依靠該站的步進(jìn)電機(jī)。到達(dá)裝配站后,根據(jù)加工站傳輸?shù)奈锪项伾珨?shù)據(jù)進(jìn)行頂蓋的分配,分配完畢后由裝配站的機(jī)械手進(jìn)行頂蓋的安裝。安裝完成后再由搬裝站的機(jī)械手與步進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將物料運(yùn)輸至分揀站,分揀站根據(jù)物料顏色進(jìn)行分揀。

4 Node-RED與各平臺(tái)交互實(shí)施

Node-RED是IBM公司發(fā)布的可視化物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)工具,提供了一個(gè)基于瀏覽器的流程編輯器,可以將硬件設(shè)備、API和在線服務(wù)連接在一起。它是一個(gè)可視化的項(xiàng)目,使用NodeJS事件驅(qū)動(dòng)且完全開源,提供Web頁(yè)面用來編寫Flow。創(chuàng)建Flow主要方式是在瀏覽器中選擇節(jié)點(diǎn)列表,可以方便地通過拖拽節(jié)點(diǎn)的方式完成[10]。

4.1 Node-RED節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)用到的節(jié)點(diǎn)有contrib-s7、node-mysql、contrib-iot-explorer、debug、function等,所用節(jié)點(diǎn)通信方式及功能如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)通信方式及功能

4.2 Node-RED與PLC交互

在上位PC機(jī)中通過CMD命令進(jìn)入Node-RED平臺(tái),通過瀏覽器訪問本地IP,進(jìn)入Node-RED界面。通過西門子提供的contrib-s7節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與PLC進(jìn)行連接,該系列節(jié)點(diǎn)包含了s7-in、s7-out與s7-control節(jié)點(diǎn),s7-in節(jié)點(diǎn)功能為連接PLC與讀取PLC中的變量,s7-out節(jié)點(diǎn)功能為寫入PLC變量,s7-control節(jié)點(diǎn)功能為啟用高級(jí)控制,可在其中設(shè)置發(fā)送與讀取數(shù)據(jù)的周期。

在Node-RED中安裝contrib-s7節(jié)點(diǎn),并將其拖拽至流程中,在s7節(jié)點(diǎn)中與PLC進(jìn)行連接,并進(jìn)行變量表的配置。連接成功后在數(shù)據(jù)流中可以看到online提示(如圖4所示)。

圖4 Node-RED上報(bào)數(shù)據(jù)流

4.3 Node-RED與MySQL交互

系統(tǒng)使用MySQL保存生產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)據(jù)和相關(guān)狀態(tài)。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)與Node-RED平臺(tái)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接,在MySQL節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行IP地址以及端口等設(shè)置。將s7-in節(jié)點(diǎn)、function節(jié)點(diǎn)、mysql節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接,構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流,并在function中編寫MySQL的插入語(yǔ)句,即可從調(diào)試窗口中讀取PLC變量的當(dāng)前值,并將當(dāng)前值存儲(chǔ)至MySQL中作為歷史數(shù)據(jù)(如圖5)。

圖5 MySQL數(shù)據(jù)流

4.4 Node-RED與騰訊云交互

騰訊云與Node-RED平臺(tái)交互傳輸采用的是MQTT協(xié)議。MQTT協(xié)議是一種消息列隊(duì)傳輸協(xié)議,采用訂閱、發(fā)布機(jī)制,訂閱者只接收自己已經(jīng)訂閱的數(shù)據(jù),非訂閱數(shù)據(jù)則不接收,既保證了必要的數(shù)據(jù)交換,又避免了無效數(shù)據(jù)造成的儲(chǔ)存與處理[11]。

Node-RED平臺(tái)中提供了騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的節(jié)點(diǎn),通過該節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行產(chǎn)品連接,根據(jù)所需參數(shù)分別填寫設(shè)備信息、連接服務(wù)信息,以及訂閱/發(fā)布節(jié)點(diǎn)Topic設(shè)置,即可進(jìn)行通訊。連接成功后會(huì)提示已連接。

5 人機(jī)交互設(shè)計(jì)及調(diào)試

5.1 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

在騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)定義屬性、事件和功能,進(jìn)入交互界面開發(fā),通過界面的設(shè)計(jì)可以讓用戶在騰訊連連小程序或者APP上獲得當(dāng)前數(shù)據(jù),在騰訊連連APP中可以進(jìn)行啟動(dòng)、停止、復(fù)位等操作,并可以在APP界面中獲取當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間、總運(yùn)行時(shí)間、成品類型等數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)上傳至騰訊云平臺(tái)后,騰訊云平臺(tái)能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)發(fā)送騰訊連連APP與小程序中,在APP中可以實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)。

5.2 微信端報(bào)警設(shè)計(jì)

在騰訊云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)開發(fā)中進(jìn)行報(bào)警設(shè)置,通過讀取產(chǎn)品設(shè)備中的數(shù)據(jù),以及邏輯運(yùn)算,獲得設(shè)備報(bào)警或設(shè)備通知信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)數(shù)據(jù)流,分別為庫(kù)存不足通知以及設(shè)備卡死報(bào)警。當(dāng)設(shè)備庫(kù)存數(shù)量小于等于5時(shí)或設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間沒有新的工件產(chǎn)生時(shí),均會(huì)向用戶的APP與微信中發(fā)送通知,提醒用戶當(dāng)前異常情況。

6 結(jié)論

基于亞龍YL-301A裝配生產(chǎn)線,對(duì)生產(chǎn)線中6臺(tái)PLC編程實(shí)現(xiàn)了裝配生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)PLC的多協(xié)議通訊,并通過Node-RED平臺(tái)將現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)和云端,實(shí)現(xiàn)了利用智能手機(jī)對(duì)裝配生產(chǎn)線的跨地域、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過測(cè)試,自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線控制靈活,工作效率高。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線控制現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)讀取、微信報(bào)警等功能,實(shí)現(xiàn)了通過云端服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程工業(yè)生產(chǎn)線的監(jiān)控,對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有較高的應(yīng)用和參考價(jià)值。