一種基于小型生產線設備的邊緣網關與工業云設計

崔美玉 李欣陽 武學義 胡沐烽 馮雨軒 陳遠烽 但一真

（西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500）

近年智能制造概念在全球范圍內的興起, 使企業對生產設備的使用和管理的要求越來越高, 當前工業自動生產線對生產工作流程的實時監控與數據分析尤為重要。針對以上問題，本設計基于一套小型生產線設備，對產線進行自動化與信息化開發，通過物聯網技術，利用PLC、工業物聯網關、云端服務器完成設備運行信息采集和監測，對數據的實時監控更加可視化，對能源的利用更加充分，實現最佳的生產流程，提高了產線生產效率[1]。

1 工藝流程分析

物料加工流程為常見的離散行業控制，整個加工工藝流程分為6 個站（圖1），分別是主件供料站、次品分揀站、旋轉工作站、方向調整站、產品組裝站和產品分揀站。6 個站對物料分別完成出庫、高度檢測、方向調整0°或90°、方向調整0°或180°、輔料裝配、產品顏色分揀操作，整套流程操作完畢后，如圖2 所示的輔料件1（推桿及彈簧墊片的組合體）和輔料件2（頂絲）裝配到物料中。

圖1 產線實物圖

圖2 產品裝配示意圖

整個加工工藝采用點到點的方式，眾多傳感器檢測產線設備的運行狀況，將檢測數據傳給控制器，控制器輸出相應的控制信號給執行器，通過各站連續的步驟完成對物料的加工出產。

2 網絡架構設計

工廠網絡主要包含企業管理中心、控制中心和產線3部分。產線內部有PLC，用于控制工藝單元內部生產加工操作[2]。生產管理層主要有企業級WinCC監控系統，用于遠端監控和管理車間內部生產情況?？刂浦行难b配有車間級WinCC 監控系統，實現車間內部生產情況的就地監控和管理。產線上人機交互HMI 用于車間生產的集中調度處理；智能網關，用于采集PLC 中的數據并上傳至云端；PLC 通過I/O口對產線信號實時采集并控制產線運行。此外云端還有一套信息可視化系統，生產數據匯聚到智能網關后，上傳至信息可視化系統中，管理人員可直接通過云端數據看板實時監控到產線的生產數據。（圖3）

圖3 網絡層次圖

產線內有PLC、iot2040、HMI 以及控制中心的車間級WinCC 監控系統，這里采用一個三層交換機，交換機型號為SCALANCE XB008，具有8 個RJ45 端口，以三層交換機為核心構成的星型拓撲結構，后期還可通過增加交換機數量以構成環網的方式來擴展產線數量，采用HRP 協議保證環內正常通信?？紤]工業信息安全，由于企業管理中心與外網相連，為防止不法分子通過外網入侵工業控制系統，企業管理中心與控制中心之間需使用安全隔離手段，采用S615 安全模塊，通過設置IP Rules 保護工廠中PLC等設備不被惡意攻擊。由于企業管理中心的企業級WinCC 監控系統與產線之間架設距離較遠，對傳輸介質做冗余，當一條傳輸介質損壞時另一條還能繼續工作，保證數據傳輸（圖4）。

圖4 網絡拓撲圖

3 云端數據看板設計

3.1 Node-RED搭建云端數據看板界面

在Node-RED 環境下編程，設計云端UI 看板，實時監測多組工業數據的變化信息，如數據詳情、變化時間、實時天氣和時間的獲取、實時數據的獲取，傳輸、要求數據采集與過程分析等功能，云端數據看板構建框架圖如圖5 所示。

圖5 云端數據看板構建框架圖

3.2 云端系統測試及結果

從圖6 中我們可以看到，主件供料站中，設定的物料加工件數為10 個，現已加工5 個，剩余待加工數5 個，搬運速率實時顯示結果為5.26 個/分鐘，其統計數據與設備運行數據相吻合。利用該UI 看板可及時了解到設備的搬運詳情與搬運速率等情況，并可在控制站頁面，控制設備的急停與初始化狀態等。

圖6 主件供料站云端監控界面

4 車間級winCC 監控界面

4.1 設計總述

車間級WinCC監控的地點在車間內的中央控制室，對產線進行最全面、最細致的監控。在生產中，某些無法監測的原因會導致產線生產效率降低，如電機過載、物料卡住等情況，為保證正常生產和生產效率，車間級WinCC 對產出速率、物料投入和出產個數進行監控，并以報表的形式記錄物料的投入時間及產品的出產時間等。配備報警功能，當出產速率明顯降低或產品出產個數和物料投入個數明顯不匹配時，系統將發出報警。（圖7）

圖7 畫面結構層次圖

4.2 功能實施

產線總覽界面包括產線整體動態可視化監控及每個站點重要信號監控。在此界面可以觀察每個站的運行狀態以及急停、回零、故障等指示。（圖8）

圖8 生產總覽界面

計件功能：顯示搬運物料的數量，并以報表的形式記錄每次搬運成功的時間，并將搬運成功的物塊以可視化的形式顯示在界面上。（圖9）

圖9 計件功能

高度統計趨勢圖：記錄工件高度隨件數的變化。（圖10）

圖10 工件高度統計趨勢圖

合格率趨勢圖：記錄合格率隨時間的變化。（圖11）

圖11 合格率趨勢圖

報警界面有報警視圖、報警確認、界面轉換按鈕等功能。（圖12）

圖12 報警界面

5 數據交互方案

5.1 設計總述

在Node-RED 環境下編程，在數據庫中實現對歷史工業數據的查看，并能實時監測多組工業數據的變化信息，如數據詳情、變化時間等。對工業設備的故障有一定的報警功能，及時并清楚的反應設備出現問題的站臺與時間，數據交互框架圖如圖13 所示。

圖13 數據交互框架圖

5.2 數據庫接收數據功能的實現

在智能網關Node-RED環境中基于S7 in（從PLC 讀取變量）、mqtt out（連接到MQTT 代理并發布消息）節點建立流程，使用mqtt 協議將PLC的變量數據實時傳送至云端代理服務器中。

根據監測“生產數據”和“故障報警”的數據表，以記錄經Node-RED編程后上傳的工業數據信息。如圖14 所示，“生產數據”表內記錄有：主件供料站所初始投入物料總數為10 個、產品分揀站中產品產出總數9 個、紅色產品總數1個、白色產品總數7 個、次品分揀站中檢出的次品數量2個、旋轉工作站旋轉調整物件數量7 個、方向調整站中方向調整物件數量7 個、以及各數據變化時間。如圖15 所示，“故障報警”表內記錄有：各工作站的故障情況，任一站出現故障，則會上報“1”表示該站有故障及故障產生時間，如二站故障及三站故障記錄情況。

圖14 數據庫“生產數據”報表圖

圖15 數據庫“故障警報”報表圖

6 結論

該系統針對一套小型生產線設備，結合PLC 控制器、物聯網關、云平臺，設計了基于云平臺的設備監測系統，完成了物聯網關配置、云平臺的搭建、數據庫設計、監控界面的設計等[3]。能夠實現設備運行信息遠程采集與監測、設備運行數據統計、設備產出產品合格率、設備運行故障預警等功能。通過生產線設備測試表明，所設計的監測系統能夠長期穩定運行，實時有效的監測設備運行狀態。產線生產運行時實現車間管理監控[4]，工作人員都可以實時看到產線生產情況，可根據大數據監測并結合市場需求及時控制產線產量，避免多度生產和資源浪費。

產線配備有備用PLC 控制器，產線原PLC 控制器發生故障時，可及時更替PLC控制器使產線不停產，保證了產線的生產效率，避免PLC 故障時產線停產帶來的經濟損失和資源浪費。

產線搭建有工業云平臺，使運行數據在云端入庫，專業人員可對運行歷史數據進行分析，并結合產線的能量消耗，可得出產品產出與能量消耗之間的關系，若能量消耗異?；蚰芰肯碾S設備老化逐漸升高，可采取相應措施進行調整，保證產線的能量利用率。