面向中小企業的工業機器人遠程監控平臺的設計

劉計良,苗 鵬,陳裕鵬,李 俊

(汕尾職業技術學院 海洋學院,廣東 汕尾 516600)

0 引言

工業機器人是多關節的機械設備,可代替人完成重復性、繁重、危險的工作[1]。工業機器人設備可與企業制造車間的其他自動化設備實現網絡及通信數據的共享,實現高效率運行。但工業機器人設備是專業設備,其運行及維護需要專業人士跟進,尤其是遠程快速監測工業機器人設備的運行狀態與報警信息對設備診斷及維修具有至關重要的作用。工業互聯網與云制造[2-4]技術的發展加快了設備的更新換代,企業現有的工業機器人設備大多有數據通信接口,通過后期平臺系統的搭建可實現對中小制造企業工業機器人設備的遠程管理、監測及維護。本研究以汕尾市中小企業國產某工業機器人為例,設計了遠程監控及管理系統,實現工業機器人硬件設備的利用及整合,為信息化平臺建設提供理論基礎。

李伯虎率先就云制造的概念、基礎架構及硬件資源的接入等方面做了較為全面的研究,根據實際案例針對性地提出了面向大型企業及中小微企業在云制造運行模式及涉及的核心技術問題[5]。戰德臣[6]等提出積極利用大型企業集團的資源優勢建立云制造平臺,實現與中小制造企業的資源共享,帶動中小企業的信息化發展。尹超[7]等提出面向中小企業的云制造平臺,整合中小企業間的硬件設備資源,為其應用云制造技術提供了理論技術支撐。

斯坦福大學與麻省理工提出并應用了遠程服務系統[8],實現了數控機床等設備的遠程接入、數據采集、數據分析、遠程控制及故障診斷,對新一代的數控機床網絡嵌入式應用推廣起到了關鍵作用[9]。很多日本車企已實現數控機床、PLC技術的遠程控制及管理,實現了客戶設備故障的遠程監控及處理,提升了設備網絡化管理及開工運行效率。我國于20世紀后期開始對工業設備的遠程控制等方面做了大量的理論研究及實踐應用,其中最具代表性的是哈工大提出的嵌入式遠程故障診斷系統[10],該系統的面世標志著我國在工業生產及云制造領域的研究及應用實現了技術突破,為推進工業制造企業的網絡化轉型升級打下了堅實的基礎。

1 遠程監控系統的設計

1.1 工業機器人設備的接入

云平臺的硬件設備層是將企業內部的工業機器人硬件設備通過廠家的通信接口連接到平臺,設備數據庫將不同企業、不同類型的工業機器人設備信息進行統一管理及調用,實現平臺與硬件設備的互聯互通。云平臺數據庫可查看設備所屬企業、品牌、類型、型號、運行狀態等信息。中小制造業企業可根據實際情況進行設備查看、增加、修改及刪除等操作,設備詳細參數會同步到管理數據庫中,實現遠程監控底層設備層的接入。

1.2 遠程監控系統的組成

遠程監控是通過電腦主機利用Internet網絡實現對遠距離設備的監視及控制。遠程監控系統是控制端與被控端共同組成的能夠實現信息交互的軟、硬件系統,該系統的應用基本實現了生活場景中所涉及的聯網設備操作、管理及應用,實現了遠程智能化管理,形成了各種類型設備管理云端化的應用模式。

遠程監控系統主要涉及的核心模塊是數據采集及數據庫數據的信息交換。數據采集是將各種聯網的設備數據資源進行統一云端化,形成設備數據的資源數據庫。

數據采集系統將采集的數據通過信息交互模塊與設備進行實時的數據比對,控制端的設備管理員需根據現場傳輸的設備狀態信息進行相應操作,被控端的設備則根據控制端傳輸過來的模擬信號實現響應。

1.3 用戶管理模塊設計

1.3.1 流程框架體系搭建

用戶管理系統的設計在考慮安全的前提下盡可能使用國產編程軟件進行設計,主要的核心模塊包括用戶界面、硬件設備控制界面、設備添加界面、修改界面及監控界面等,以及用戶及設備數據庫的建立。用戶點擊登錄,用戶數據庫將進行數據比對,實現對用戶身份、權限及注冊新用戶使用審核。登錄界面結合企業特色進行布局設計,登錄窗口實現用戶登錄、賬戶錯誤提示、注冊新賬戶、密保問題及密碼找回等功能。

登錄賬戶。本系統需要賬號和密碼才可登錄,用戶點擊登錄后,后臺用戶賬戶數據庫會對用戶的賬號和密碼進行驗證,予以通過或拒絕。

密碼找回。當用戶忘記密碼或密碼連續輸入錯誤可按照系統提示進行密碼找回。

注冊新賬戶。新加盟的設備提供商或制造業普通用戶可通過登錄界面注冊使用賬戶。

1.3.2 用戶數據庫的設計

用戶數據庫的設計采用動態數據庫SQL進行搭建,核心是將企業用戶、普通用戶及后臺管理員賬戶等進行分類管理及使用權限的賦予,實現后臺管理者對普通用戶和企業用戶的遠程登錄及技術支持。通過搭建動態的SQL數據庫列表,實現用戶數據的動態更新及調整,利用加密技術實現對用戶數據庫信息的保護及安全高效運行。

1.3.3 工作流程

云平臺管理后臺提供給企業用戶登錄網址,中小工業機器人企業用戶可根據需要進行賬號注冊及登錄,平臺數據庫提供密碼找回、賬戶注銷、賬號切換等遠程輔助用戶登錄服務。當企業用戶注冊登錄賬號后,可根據操作提示對本企業的工業機器人硬件設備進行資源云化,將企業內部的設備實現云端化監控及管理。

1.3.4 企業設備界面

企業將工業機器人設備進行網絡云端化后,根據工業機器人所屬的品牌及功能進行分類管理,目前國內外應用較為廣泛的工業機器人品牌包括ABB、KUKA、發那科、安川、華數、新松等。按照工業機器人的功能又可劃分為焊接、搬運、涂膠、噴涂等類型。本系統采用同品牌的工業機器人功能分類,以便用戶在數據庫中更便捷地查找所需的工業機器人設備信息。

1.3.5 云平臺系統工作流程

用戶成功登錄云平臺系統界面后,普通用戶可操作的設備界面主要包括設備目錄、設備信息列表、添加設備按鍵、刪除設備按鍵、遠程控制按鍵、實時監視按鍵及往期錄像按鍵。企業用戶登錄設備界面后,按照界面的信息提示進行設備信息錄入,完成新設備的添加。不同類型的工業機器人設備參數可根據詳細參數界面對工業機器人各類參數進行添加,以便區分不同工業機器人設備的使用精度及應用范圍。

1.3.6 設備添加界面的設計

添加設備界面中主要添加設備的基本信息,包括設備所屬企業、機器人設備命名、機器人所屬品牌、設備類型、運行速度、設備精度及設備的運行狀態等基本信息,方便用戶了解設備的基本狀況。設備數據庫是由中小企業群體共同接入添加而來,工業機器人設備云端化操作步驟如圖1所示。

1.3.7 遠程控制功能

工業機器人遠程控制的核心基礎是企業工業機器人與其他硬件設備的遠程接入及工業機器人的設備網絡化,將工業機器人的設備數據信息進行實時動態云端化,形成設備數據資源池,通過計算機等網絡設備實現對工業機器人設備的遠程控制及管理[11]。中小企業云平臺可模擬和仿真企業生產制造場景,實現生產線的智能管理。在對不同設備進行遠程控制時,賦予每臺設備不同的IP地址及通信地址,云平臺可實現計算機資源虛擬化,批量化的云計算機可實現對企業大量設備的管理及控制。用戶使用一臺計算機就可實現對大量設備的遠程監測及控制,進一步降低了企業生產運行成本,實現了對企業設備的智能網絡化動態監控及管理。

2 測試設備的搭建

測試實驗方案以該工業機器人的焊接機器人為例進行搭建(如圖2所示),其中計算機A可實現對工業機器人的連接與控制。安裝在機器人設備上的各類傳感器及監控設備可將采集到的工業機器人信息數據通過信息通道傳輸到計算機,計算機通過網絡將工業機器人數據進行云端化傳輸到中小企業工業機器人遠程控制平臺,普通用戶可通過遠程計算機訪問云平臺,實時查看工業機器人的設備信息及加工運動狀態。

圖2 設備搭建

遠程監控與遠程控制是工業機器人設備在加工運行過程中的關鍵功能,當運動傳感器或視頻采集設備采集到的數據出現異常范圍,平臺第一時間發出預警信息,工作人員可及時查看工業機器人的加工運行信息,當判斷為情況異常則遠程停止工業機器人的運行,若為傳感器采集數據異常而實際加工運行無問題,則可取消報警信息,工業機器人繼續正常工作。

溫濕度采集功能是遠程監控系統的重要組成部分。溫濕度是影響工業機器人運行的重要因素,溫度過高會導致工業機器人的壓縮機散熱受阻,空壓機受熱保護會自動停機。溫濕度對于焊接機器人的加工運行會造成一定的影響,常見的熱脹冷縮、縮孔縮松等缺陷均與溫濕度等參數有一定的關系,環境中的溫濕度信息采用實時數據采集界面和單次采集界面,用戶可隨時查看采集到的企業車間溫濕度數據,從而實現對溫濕度信息的控制,用戶可采用單次采集的方式,對于工業機器人加工環境溫濕度要求不高的場景也可采用此界面。

根據實測結果,中小企業工業機器人云平臺實現了硬件設備接入、數據采集、遠程視頻信息提取、采集數據云端化、IP分配、普通及后臺用戶登錄、數據傳輸、用戶對工業機器人設備的遠程狀態查看及控制,基本實現了需要測試的功能,后期將對采集到的數據信息時效性進行進一步拓展,確保平臺長時間的穩定運行。