一種智能裝配生產線云監控系統開發

邢明亮，鄧三鵬，周旺發，佘明輝

（1.天津職業技術師范大學 機器人及智能裝備研究院，天津 300222；2.天津市智能機器人技術及應用企業重點實驗室，天津 300350；3.天津博諾智創機器人技術有限公司，天津 300350；4.湄洲灣職業技術學院，福建 莆田 351119）

0 引言

目前，大多數的裝配生產線是通過人工進行現場監測，在人口紅利逐漸消失的大環境下，給企業帶來了巨大的成本壓力[1]。針對這一現象，以包括工業機器人，PLC，RFID 和智能相機等設備的智能裝配生產線為例，開發一套實用的云監控系統，通過云端服務器的運行能力進行數據處理以及遠程監控，完成產品裝配生產過程數據自動、實時、準確采集及可視化呈現，實現了裝配生產線的透明化管理。

1 監控系統方案設計

1.1 系統整體架構設計

云監控系統架構可分為4 層，包括應用層、網絡層、控制層和設備層。應用層主要負責現場設備的運行狀態和生產數據顯示，并完成與工作人員的交互。網絡層在系統中起承上啟下的作用，向上通過HTTP通信協議接受業務要求，向下通過MQTT 通信協議接受網關傳輸來的數據，進行相應讀寫數據和緩存數據等操作，并下達指令要求。控制層和設備層緊密結合，實現了生產資源的高度集成，同時可實時采集多源數據，并將其傳送至MySQL 云數據庫。設備層中的傳感器、智能相機及工業機器人等設備通過工業以太網、RFID 識別、無線網等技術實現數據的通信，再通過控制層的PLC、觸摸屏HMI 及監控系統實現控制生產設備的功能，如圖1 所示。

圖1 系統架構

1.2 功能模塊設計

通過對現場設備狀態數據的實時采集、傳輸、處理、顯示、實現工作人員遠程隨時隨地用不同的IT 設備對裝配生產線的情況進行監控，并對生產現場的突發情況做出及時處理。

根據智能裝配生產線的特點設計監控系統的6大功能模塊。生產看板模塊：直觀顯示現場生產數據，對現場設備的運行狀態進行實時監測，并控制設備的離線和在線狀態。設備監控模塊：對機器人各個關節的角度、位置和速度，智能相機運行狀態等重要信息進行監測，并對現場設備進行動作控制。生產進度模塊：通過對PLC 數據塊的信息采集，獲取生產線設備的運行狀態，得知訂單的生產進度。倉庫管理模塊：通過傳感器技術對物料進行實時統計，RFID 射頻識別技術實時跟蹤物料狀態信息，并進行生產信息追溯。統計報表模塊：對剛輪、中間法蘭、輸出法蘭和軸套組合體原料消耗進行實時統計，方便對成品的出入庫記錄和查詢。生產管理模塊：接受訂單，并將接收到的生產訂單分解、生成BOM 表，下達至各個工位，當生產線發生生產異常時，自動彈出新的對話框提示工作人員。

2 數據采集

在設計的智能裝配生產線中使用PLC 作為主控制器，通過工業以太網通信配合工業機器人、智能相機等設備完成外圍控制任務，并負責現場設備的數據采集，現場設備數據采集如圖2 所示。通過PLC 采集數據主要有2 種方式：（1）網關通過交換機與PLC 通信，在PLC 寄存器中采集出機器人及其他設備內部數據上傳至數據庫；（2）利用PLC 的CPU 以及子模塊提供的I/O 口作為數據采集的接口，安裝傳感器直接對生產數據進行采集。

圖2 現場設備數據采集

機器人控制柜通過伺服驅動器和傳感器實時獲取機器人的狀態數據。工業機器人編程軟件將控制柜中工業機器人的軸速度、軸位置等狀態數據生成代碼，下載到PLC 寄存器中，完成對工業機器人的狀態數據采集。

智能相機獲取減速器模型的中間法蘭、輸出法蘭圖像，算法平臺將法蘭的位置信息轉化為機器人坐標系下的位置，并按照機器人的固定通信格式（物體坐標參數、物體屬性參數、物體ID 編碼）傳輸給機器人控制柜，機器人根據接收到的數據按照指定軌跡運動。

RFID 是一種先進的數據采集及射頻識別技術[2]。在剛輪物料上綁定RFID 電子標簽，在伺服變位模塊上安裝RFID 讀寫器，通過信號線直接將PLC 的RF120C 通信模塊與RFID 電子標簽相連，在剛輪搬運時根據規則由讀寫器將剛輪信息寫入RFID 電子標簽中，并將剛輪信息同步傳輸到云監控系統中，系統發送指令控制機器人動作，每次搬運剛輪和成品入庫時RFID 都會讀取標簽內容，判斷是否與監控系統調度一致，完成RFID 的復位、寫入數據和讀取數據的功能。

3 設備網絡化管理

云物聯網平臺可以把智能裝配生產線所需的數據都放到網絡上，實現狀態監控，數據存取、運算等目的[3]。網關可以通過不同協議與現場設備進行通信，然后將該數據轉換為MQTT 標準協議，以發送到云端，減少了連接到云平臺的現場設備數量。以云服務器為核心，將MySQL 數據庫、Web 服務等部署在云服務器上，通過網關將智能裝配生產線的狀態數據上傳至云數據庫，如圖3 所示。

網關通過交換機分別與現場控制器PLC、機器人、智能相機、變頻器以及HMI 連接，通過PLC 采集數據存入內部寄存器后，確定監測數據的PLC 變量地址，并在網關的配置軟件中創建相應的變量，網關按照ModbusTCP 協議規則進行讀寫數據，通過內部計算，將數據轉換為MQTT 協議的JOSN 格式，實現PLC 寄存器地址與MQTT 地址對應的關系，然后在網關中保存。

網關通過HTTP 獲得域名解析出IP 地址，與連接的云服務器外網IP 地址一致，生產數據通過MQTT 通信協議同步到MySQL 云數據庫中，與云服務器完成信息交互，客戶端通過HTTP 訪問接入云服務器的HTTP 端口獲取云上的生產數據和設備狀態數據。網關、云平臺與客戶端三者可在不同的網絡環境下通過接入互聯網建立連接，任何安裝瀏覽器的客戶端只要向云服務器發送指令，即可實現生產數據的遠程監控，從而實現PLC 及下層設備與工作人員的遠程通信。

4 Web 應用開發

使用移動可視化開發、Web 可視化開發、業務邏輯開發工具，搭建系統界面，配置控件的數據源與網關設備相對應，通過可視化編程的方式搭建自己的業務服務，并發布到服務端實現設備與云的聯動控制。云監控系統界面總體由生產看板，設備監控（圖4）、生產進度（圖5）、生產管理、倉庫管理、報表統計六個模塊組成，工作人員通過遠程輸入地址即可實現對智能裝配生產線的遠程監控。

圖4 設備監控

圖5 生產進度

5 現場測試

為驗證智能裝配生產線云監控系統的準確性和實時性，以減速器模型的裝配為例，對智能相機數據、機器人第五個關節角度以及環境數據進行監控測試。智能裝配生產線選用CPU-1214 DC/DC/DC 型號的西門子PLC 為主控制器，型號為KUKA-KR4 的庫卡機器人完成減速器模型裝配的動作、華睿科技12CG-E小面陣工業相機完成原料的識別和定位。云監控系統采用5G 網絡連接到外網供遠程訪問。

經過3個月的現場運行，云監控系統延遲可以控制在15 耀30 ms，可以滿足對智能裝配生產線的實時性需求。生產看板如圖6 所示，智能相機捕獲的法蘭顏色和角度信息如表1 所示，機器人根據這些數據可以準確地完成減速器模型裝配，機器人第五關節角度數據如圖7 所示。通過現場測試比對可知，設備和生產數據均是正確的。從而驗證該系統監測數據的準確性和實時性。

圖6 生產看板

表1 智能相機捕獲的法蘭顏色和角度信息

圖7 關節角度數據

6 結語

隨著工業云平臺、通信網絡以及數字化工廠的不斷發展，數據采集、處理、反饋變得尤為重要。針對一種智能裝配生產線，開發一套云監控系統，將PLC 采集到的生產過程數據和設備數據傳輸至云端進行高級算法處理，實現數據可視化，并及時反饋到生產現場。現場測試驗證結果表明，該云監控系統準確性高、實時性好，降低了企業的用人成本，對企業的設備管理與維護產生了積極作用，具有廣泛的應用前景和經濟效益。