自動化智慧工廠技術框架與控制關鍵技術的研究

吳庭貴

摘 要：自動化智慧工廠是現代制造業發展的新階段。智慧工廠的技術基于工業物聯網與自動化控制技術，有利于加強企業生產中的信息管理，提高了可控性，減少人工干預。針對自動化智慧工廠，構建技術框架是基礎，在實施中要解決控制中的大數據、虛擬仿真、人工智能等關鍵技術，推動其在實際工廠中得以大規模應用。

關鍵詞：自動化技術;智慧工廠;技術框架;關鍵技術

自動化智慧工廠是將具有感知、監控能力的傳感器與控制器應用于生產線，借助智能分析實現工業生產的自動化控制，以提高制造質量效率，降低資源消耗。自動化智慧工廠的構建要明確技術框架，突破多項控制關鍵技術，實現生產過程的智能化。

1.智慧工廠的主要特征

隨著新技術的發展，工廠自動化成為企業技術改造，實現創新發展的方向，近年來，由于工業互聯網的發展，更多感知、監控技術的應用，智慧工廠得以實現。智慧工廠對于企業提高加以效率，降低工序成本，提升產品品質發揮著重要的作用。智能工廠可以實現個性化的制造服務。智能工廠可以包含數字工廠的所有特點，體現出自動化、模型化、集成化等特點，實現了制造協同、制造執行、制造互聯（圖1）。智能工廠不僅具有預測能力，還具有自我診斷能力、自我維護能力，可以理解環境信息。智慧工廠借助計算機將生產制造中的各類數據簡單明了地展現出來，讓制造更加高效有序。

2.自動化智慧工廠的技術框架

2.1物物互聯層

在智慧工廠，物物互聯層面向生產設備、控制系統與操作人員，制造資源得以集成。物物互聯層針對多源數據的采集，借助各類傳感器、物聯網RFID標簽、二維碼來獲取各類數據，數據傳輸通過協議的支持，借助工業互聯網、無線網絡等實現制造層面不同資源的互聯，制造過程保證精確以及可靠。

2.2對象感知層

智慧工廠針對智能感知層設備了多種類型的傳感器，實現了體系化管理。智慧工廠針對傳感器管理采用了數據格式化封裝，建立了數據傳輸協議，可以主動感知制造資源生成的各類數據。標準化定義交互操作，解析用戶的行為，實現對事務數據的動態感知。

2.3數據分析層

制造過程會生成多種，借助提取一轉換一裝載將產線上傳感器分散的數據集成，變為統一的數據格式，構建出數據庫;借助數據關聯分析，從網絡模型中挖掘數據間的耦合機理，確定出預測模型，實現了產品加工過程控制的最優，對制造過程的動態管理，提升了制造的管理水平。

3.智慧工廠關鍵技術

3.1工業機器人的應用

國外研究工業機器人始于上世紀中后期，近年來研究工業機器人取得了很大的進步，可以滿足不同行業的需求，工業機器人產品在向著規模化的方向發展。特別是以日本、德國、美國為代表的發達國家針對工業領域的機器人領域掌握了大量的關鍵技術，在產品開發方向積累了很多研究成果。當前，工業機器人的應用方向包括電弧焊、冶金、焊接、自動化裝配、搬運、噴涂、切割等較為簡單但是多次重復的工序，特別是在汽車制造業，需要多種機器人完成不同的工序加以。當前柔性小機器人也應用了3C電子領域，有效提高了裝配的精度與速度。IRB120作為ABB Robotics公司換代產品，是最新一代六軸機器人的代表之一，負載可以達到3kg。它的設計專門對制造業，可以滿足柔性加以的需要，如可以廣泛于電子計算機行業。機器人作為一類開放式結構，其特點是更加適合于柔性加工領域。它可安裝于多種工序中，能廣泛與外部系統發生通信。機器人可以配有IRC5C，還可以選擇IRC5控制器。當前機器人主流的控制軟件Roboware。基于Robotware機器人系統可以具有多種功能，如實現動作控制、程序開發以及通信等。

3.2系統的通訊設計

在智慧工廠技術框架下，發揮關鍵作用的是PLC系統，各類控制參數要途經PLC內部，設備控制借助Profinet完成數據通訊。（1）PLC和機器人發生數據交換。PLC和機器人的數據交換采用了Profinet，另外機器人選擇了Profinet板卡，可以結合需要選裝software。當前自動化控制多采用PROFINETSlaveSW（SoftWare），可以實現（optionnumber888-3）。系統的網線端口借助LAN口與交換機連接，完成與PLC的數據交換。（2）PLC和相機發生通訊。Montrac與自動化生產線的控制系統連接，PLC與相機的數據交換也采用了Profinet通訊。（3）相機和機器人發生通訊。實踐表明，CognexCamera與Robot發生通訊方式僅借助TCP/IP實現，這種方式通訊速度難以保證，多種數據通信時存在延時的影響;機器人可以優先設置，Motion可對相關指令可以優化。通訊任務的執行通過后臺程序實現，需要較長的更新時間;相機拍攝相關參數可能存儲于PC的內部，PLC要確定數據的類型。Robot和PLC發生通訊存在字節數量上限的影響。由于上述多種因素的影響，相機和機器人可以實現Profinet條件下的通訊。（4）PC和PLC發生數據交換。PC在運行組態軟件時，PLC內置的保護設置可以靈活設置，可以采用“允許遠程控制方通訊訪問”。此外，HMI對于PLC存在的DB數據能實現實時讀寫，因此可以保證數據監控與參數設置易于實現。智慧工廠作為一類開放式結構，其特點是更加適合于柔性加工領域。它可安裝于多種工序中，能廣泛與外部系統發生通信。工業機器人可以配有IRC5C，還可以選擇IRC5控制器。當前機器人主流的控制軟件Roboware。基于Robotware機器人系統可以具有多種功能，如實現動作控制、程序開發以及通信等。

3.3控制系統的軟件設計

軟件設計的每個部分根據不同的協議進行通信和控制。一是針對S7-1500PLC特別采用了程序選擇模塊。其功能是為了程序管理的方便，可以針對PLC控制中的FB、DB、FC。基于IRC5進行軟件設計可以實現機器人加工的數據交換以及數據類型轉換，Process中的PLC可以和機器人實現數據交互。為對相機拍照加以控制，判定拍照結果。當前生產線采用了可以與S7-1200兼容的軟件STEP_7_Basic_V10.5，此軟件的特點具有硬件模塊自動地址分配功能，還可以實現通訊連接、程序編譯下載等多種功能。用戶能有選擇地創建功能塊，還可以進行變量標簽、報警、HMI屏幕作為本地或全局庫，可用于所有項目。

3.4監控系統的設計

監控系統的設計中，下位機PLC可以與上位機發生數據通信，通常借助RS-232/422串口得以實現。為了消除通信速度慢、可靠性低的問題。針對通信準確性的解決采用了增加校驗機制。PLC與上位機發生通信可選擇PROFIBUS總線，也可以采用太網通信。太網通信速度可以保證，但要配備以太網模塊，還要以太網卡以及PC機，且前期的開發存在較大的難度，因此選擇Profinet通信。上位機結合地址可以顯示錯誤代碼與報警類型。針對設備維護人員的需要，增加了故障報警功能，PLC與上位機特別預留了不同類型的報警信息。如果要添加其他報警，要在PLC關聯報警變量，上位機中表達報警內容。

上位機軟件當前使用的主流軟件為intouch2014。上位監控與數據源獲取借助軟件實現。數據庫包括InTouch公司發布的SQL Server 2012 Express。采用MP Line數據采集系統可以保證穩定性。數據輸出可以采用Visual Studio 2012 系統，以圖形和表格的形式呈現。PC機的操作系統為Windows7企業版、SP1專業版，內存大于8G，硬盤大于500g。安裝殺毒軟件是預防客戶頻繁進行數據復制，導致系統發生中毒或數據丟失。

軟件根據不同臺站的不同要求，數據庫應可以適應于多種數據類型和數據報表。為保證上位機的數據庫與報表信息不會互相干擾，程序設計采用了雙數據庫模式。配置數據庫可以存儲InTouch程序生成的多種數據;報表信息可以存儲工件數據以及系統的狀態數據。PLC上電初始化完成后，程序可以為運行做好準備。

4.結束語

當前自動化智慧工廠發展趨勢。智能工廠能有效提高產品穩定性，降低人工成本。智能工廠的實現要明確技術框架，對關鍵技術加以突破，保證控制得更加精準。

參考文獻

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