工業互聯網協同智能制造系統設計

李世業

（庫卡機器人（上海）有限公司，上海 200000）

0 引言

傳統的工業生產方式已經不能完全滿足時代發展需要，在終端需求和生產力發展的驅動下，未來工業不僅要自動化，更要智能化、信息化。所以需要充分利用工業互聯網，打通物理層，鏈路層到網絡層的壁壘，從OT逐步向IOT、AIOT轉變，促進智聯網生產系統的發展，才能滿足越來越多用戶個性化的需求服務[1]。本文僅以實際中一個定制標簽生產單元的設計為例，將智能化，信息化如何更好的融入到生產系統中進行簡單說明。

1 系統框架介紹

此系統可以完成客戶一定范圍內個性化標簽的生產任務。客戶在網絡上自行選擇產品顏色，款式及圖案，下單后，系統會自動生成生產計劃表，經過審核放行后，自動完成產品生產并出庫整個流程。系統主要包括：MES單元，倉儲單元，輸送單元，生產單元。

圖1 工業互聯網協同智能生產系統 三維圖

圖2 工業互聯網協同智能生產系統 實物圖

2 MES單元設計

整個系統的核心控制部分，可以通過圖形化的監控窗口進入，也可以直接輸入網址訪問。MES單元除需要完成訂單管理，生產過程管理外，還需要兼顧管理原材料庫存管理，設備管理，用戶維護及權限分配等功能[2-3]。

圖3 MES中控界面

2.1 訂單管理

包括訂單的獲取，增、刪、改等操作。訂單獲取可以通過4種方式：①接收客戶在網絡端下達的訂單信息，客戶有紅，黃，藍三種不同顏色的標簽盒和標簽供選擇，并可自行設定標簽內容和圖案；②本地導入特定格式的Excel表格來生成訂單；③生產人員也可以手動輸入訂單信息；④生產人員在生產現場HMI手動輸入添加的訂單信息也會同步到MES中。

圖4 訂單管理

圖5 圖形設計

2.2 生產管理

生產計劃和過程監控。在訂單獲取后，生產人員審核訂單，根據實際情況可調整訂單優先級順序，確認無誤后生成計劃表下發系統進行生產[4]。系統會根據訂單所需要的物料信息和當前各個倉庫內物料信息比較，及時發出補料提醒；同時監控生產過程，可以查看到當前訂單的完成情況：在排隊隊列中，生產中，成品庫還是已經順利出庫。在庫管理界面，可以查看各個庫目前的庫存及已排產訂單的倉位分布情況。

圖6 標簽庫

圖7 底盒庫

圖8 成品庫

2.3 設備管理

圖9 混合庫

圖10 庫初始化

圖11 訂單排產倉位

主要用作顯示各個設備狀態。其中基本測試功能，主要用于配合攝像頭查看設備簡單功能是否正常，相對于HMI界面的測試，MES側此功能通過最高優先級鎖定，需要授權才允許接入，避免安全風險[5]。

圖12 設備功能測試

圖13 設備狀態顯示

2.4 用戶及權限管理

不同的用戶享有不同的操作權限，便于現場管理，同時也可以記錄不同用戶在平臺上的操作記錄，便于查詢。

圖14 用戶及權限分配

圖15 運行日志記錄

3 倉儲單元設計

兼顧原料庫，排產倉位和成品庫功能。根據生產計劃表，將底盒從原料庫中按照訂單順序移動到排產倉位，并根據進度將對應倉位物料發出，經輸送系統到達生產單元，此功能還原實際生產中部分原料和生產線分離，生產前預排產的情況。在輸送系統返回成品后，將成品入庫，并根據需要出庫，交付客戶。整個單元可以接入系統自動運行，可人工干預，也可單機工作[6]。

圖16 倉儲單元模式選擇及開關

圖17 直角機械臂功能測試及參數設置

圖18 RFID功能測試

圖19 預排產倉位設置/顯示

圖20 I/O變量狀態

圖21 所有設備狀態及IP地址

倉儲單元主要設備為PLC驅動伺服電機控制的直角坐標機械臂，根據MES傳遞的訂單信息，配合真空吸盤實現物料拾取，有序放置到訂單排產倉位。倉位按照主體顏色分成三層，同時PLC負責將每次傳遞的物料信息寫入帶有RFID功能的托盤，跟隨物料經過輸送單元傳遞到生產單元。待成品通過輸送系統返回后，讀取托盤RFID信息將成品依次有序放入成品庫，等待出庫。

4 輸送單元設計

AGV將倉儲發出的物料及物料信息準確的送達生產單元，并將成品及信息返回到倉儲，模擬未來工廠中自動化物料輸送場景。物料信息通過RFID方式記錄在對應的物料托盤上，AGV 采用磁條定位+麥克納姆輪，附帶托盤輸送系統，可自動避障和尋位。

圖22 AGV避障設置及物料信息顯示

5 生產單元設計

將送達的底盒分類排布到本地底盒庫，根據生產計劃，從本地標簽庫準確選出標簽物料按照MES下達的生產計劃完成生產，與底盒組成成品。生產中可以實時信息修改并反饋MES，最后的成品轉移至輸送系統返回倉儲成品庫，不合格或臨時終止產品暫存混合庫中。

圖23 生產單元模式選擇及開關狀態

圖24 AGV和機器人參數設置及狀態顯示

圖25 RFID功能測試

圖26 I/O狀態顯示

圖27 本地標簽庫和底盒庫信息

圖28 訂單信息顯示及本地修改

圖29 生產站主要設備實物圖

圖30 整個系統PLC項目

生產單元主要包括以下設備：

5.1 PLC及附屬本地標簽庫和輸送線

（1）與MES信息交互，獲取生產信息及物料信息，同時將HMI修改的信息回傳MES；（2）讀取輸送單元信息，將獲取的底盒信息與MES計劃信息對比無誤后排入生產堆棧，進行生產流程，完成后將成品并信息一起回傳到輸送系統，便于入庫前信息核對；（3）控制自身輸送系統將標簽材料及生產信息輸送到機器人，由機器人完成剩下生產過程。

5.2 機器人及附帶相機，本地底盒庫，混合庫

（1）將輸送單元送達的物料按類別入本地底盒庫備用；（2）通過相機獲取標簽特征信息，并動態抓取標簽，并與接收到的生產信息對比，無誤后，送達激光打標機處進行生產，完成后從本地底盒庫選擇對應底盒進行封裝，形成成品，并返回到輸送系統。

5.3 激光刻錄機

根據MES傳遞的客戶文字和圖案，完成標簽的制作過程。

6 結語

系統的設計充分考慮實際生產情況，并融合信息化和智能化，符合發展趨勢的智能制造理念，同時保持柔性、拓展性，與ERP等系統對接接口保持開放，后期可以進一步完善。