Node-RED在智能制造中的應(yīng)用研究

摘要：智能制造作為工業(yè)4.0的核心，正引領(lǐng)著制造業(yè)的新一輪變革。Node-RED作為一種易于使用的編程工具，以其低代碼、可視化的特點，為智能制造提供了一種靈活、高效的解決方案。鑒于此，首先介紹了智能制造的概念及其重要性；然后詳細(xì)探討了Node-RED在智能制造中的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、自動化控制和智能決策等方面；最后分析了Node-RED應(yīng)用于智能制造的優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：智能制造；Node-RED；工業(yè)4.0；數(shù)據(jù)采集；自動化控制；OPC UA；MQTT；郵件通知

中圖分類號：TP274+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0025-08

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.006

0 引言

智能制造是制造業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，它通過集成先進(jìn)的傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化和最優(yōu)化。Node-RED作為一個流行的物聯(lián)網(wǎng)編程平臺，以其圖形化編程界面和強(qiáng)大的社區(qū)支持，為智能制造提供了一種創(chuàng)新的工具。

1 智能制造概述

1.1 智能制造的定義

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是制造技術(shù)、自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程與人工智能等學(xué)科互相滲透、互相交織而形成的一門綜合技術(shù)。智能制造系統(tǒng)的目標(biāo)就是將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié)，通過模擬專家的智能活動，取代或延伸制造環(huán)境中的部分腦力勞動，從而在制造過程中，能夠自動監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)，在受到外界或內(nèi)部激勵時，能自動調(diào)整參數(shù)，自組織達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[1]。

1.2 智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

1）感知控制技術(shù)：這是智能制造的基礎(chǔ)，涉及傳感器、射頻識別（RFID）、多媒體、工業(yè)控制等技術(shù)，用于實時監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備、原材料及工作人員的狀態(tài)。

2）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)：作為智能制造互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，包括以太網(wǎng)、5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，用于確保設(shè)備之間可以高效地傳輸數(shù)據(jù)。

3）信息處理技術(shù)：涉及數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)存儲等，為智能制造應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

4）人工智能技術(shù)：人工智能是研究如何使用各種智能機(jī)器或自動化機(jī)器模仿人工，延伸和拓展人類智能的技術(shù)科學(xué)[2]。

5）數(shù)字孿生技術(shù)：通過創(chuàng)建物理實體的虛擬數(shù)字副本，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的映射、分析和優(yōu)化。

6）邊緣計算技術(shù)：在數(shù)據(jù)源附近進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高實時數(shù)據(jù)處理能力。

7）工業(yè)軟件技術(shù)：包括研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、控制執(zhí)行等各類工業(yè)軟件，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理。

8）人機(jī)協(xié)作技術(shù)：開發(fā)能夠與人類工人協(xié)同工作的機(jī)器人和自動化系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率和安全性。

9）智能決策支持系統(tǒng)：利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)（機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等），為生產(chǎn)管理提供智能決策支持。

1.3 智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀

智能制造的基本特征：1）生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)；2）制造單元的柔性智能化與基于網(wǎng)絡(luò)的制造系統(tǒng)柔性智能化集成；3）制造過程自動化、精益化、綠色化；4）信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是制造過程的系統(tǒng)和各個環(huán)節(jié)智能集成化的支撐。

2021年12月，工信部等八部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，提出要建立長效評價機(jī)制，對中國制造企pVsiQ4E0fmPyWfDas5iBjw==業(yè)進(jìn)行智能制造能力成熟度評估，針對不同行業(yè)、不同地域發(fā)布智能制造成熟度指數(shù)，構(gòu)建智能制造賦能的激勵機(jī)制，推動中國智能制造水平再上新臺階。根據(jù)《智能制造報告》的分析，當(dāng)前時期中國計算機(jī)、電子設(shè)備、汽車、電器、食品、醫(yī)藥、專用設(shè)備制造、化學(xué)原料及制品、有色金屬冶煉等行業(yè)的智能制造能力成熟度水平領(lǐng)先于其他行業(yè)[3]。

2 Node-RED簡介

2.1 Node-RED的起源和發(fā)展

Node-RED最初是由IBM的Emerging Technology Services團(tuán)隊于2013年開發(fā)的。它起初是一個實驗項目，旨在探索物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間消息流和數(shù)據(jù)流更簡單的實現(xiàn)方法，以新穎有趣的方式將硬件設(shè)備、應(yīng)用程序接口、在線服務(wù)連接起來，編程時只需要在瀏覽器中拖拽節(jié)點（Node），然后把這些節(jié)點用線連接起來，數(shù)據(jù)即可通過這些連線在節(jié)點間傳遞[4]。

隨著時間的推移，Node-RED已經(jīng)從一個主要關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的編程工具，發(fā)展成為一個適用于多種應(yīng)用的有用工具，包括智能家居、工業(yè)自動化、數(shù)據(jù)分析、API集成等。它的可視化編程接口使得編程變得直觀易懂，大大減少了開發(fā)時間和成本。

2.2 Node-RED的架構(gòu)和特點

2.2.1 架構(gòu)

Node-RED的運行建立在node.js之上，利用其事件驅(qū)動和非阻塞I/O的特性，適合在邊緣計算設(shè)備或云平臺上運行。Node-RED提供了一個基于瀏覽器的流編輯器，允許用戶通過拖放節(jié)點來創(chuàng)建應(yīng)用程序。這些節(jié)點可以是設(shè)備、API調(diào)用、定時器、函數(shù)等。

2.2.2 特點

1）低代碼開發(fā)：可視化流程編輯器簡化了編程過程，減少了開發(fā)時間和成本。

2）靈活性：可以輕松地與各種數(shù)據(jù)庫、API和在線服務(wù)集成，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

3）跨平臺兼容：可以在多種操作系統(tǒng)上運行，包括Windows、macOS和Linux。

4）實時調(diào)試和反饋：提供實時的數(shù)據(jù)流視圖和調(diào)試工具，使用戶能夠即時觀察和調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的行為。

5）模塊化和可重用性：用戶可以創(chuàng)建模塊化的流程并在不同的項目中重用，提高了開發(fā)效率和代碼的可維護(hù)性。

6）支持多種數(shù)據(jù)格式：支持多種數(shù)據(jù)格式，如JSON、XML、CSV等，方便數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換。

7）開放性和可擴(kuò)展性：基于node.js，易于擴(kuò)展，可以添加新功能。

8）輕量級和高效：輕量級且高效，系統(tǒng)資源要求低，易于在多種設(shè)備上部署。

9）集成多種協(xié)議和通信方式：支持多種通信協(xié)議，方便與不同類型的設(shè)備和服務(wù)進(jìn)行交互。

3 Node-RED在智能制造中的應(yīng)用案例分析

3.1 Node-RED安裝及運行

本次應(yīng)用研究以Windows系統(tǒng)為背景進(jìn)行。

1）安裝node.js：https：//nodejs.org/en#home-

downloadhead。

2）安裝NPM：sudo npm install -g --unsafe-perm Node-RED。

3）安裝Docker：docker run -it -p 1880：1880 --

name mynod0uH/dp8bYmdP6pM1/HaWRA==ered nodered/Node-RED。

4）安裝Snap：sudo snap install Node-RED。

5）運行：通過Powershell輸入Node-RED。

6）后臺環(huán)境：瀏覽器輸入http：//127.0.0.1：1880進(jìn)入后臺編輯環(huán)境，如圖1所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控

3.2.1 Node-RED溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的實時采集

1）溫濕度采集模塊接線方式如圖2所示，PC通過USB轉(zhuǎn)485接口模塊與采集模塊通信。

2）Node-RED通信參數(shù)設(shè)定。地址：1；波特率：9 600 Baud；數(shù)據(jù)位：8；停止位：1；奇偶校驗：無。

3）查詢溫濕度輸入寄存器地址如圖3所示，利用Modbus Read插件讀取數(shù)據(jù)，在調(diào)試窗口顯示溫濕度寄存值（圖4）。

4）讀取并展示Node-RED溫濕度數(shù)據(jù)。通過Function功能將數(shù)值分為兩個Topic（TEMP/HUMI，如圖5所示），再利用Function功能進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換（圖6），Node-RED后臺編輯流程如圖7所示，最后通過Node-

RED UI儀表顯示（圖8）。

5）將溫濕度數(shù)據(jù)自動寫入數(shù)據(jù)庫（MySQL）。拉入一個Function插件（圖9），通過msg.topic來編寫數(shù)據(jù)的錄入insert（圖10），查看數(shù)據(jù)寫入成功，如圖11所示。

6）數(shù)據(jù)的歷史查詢。通過增加數(shù)據(jù)庫插件及表格Tabel形成查詢流程（圖12），利用Function功能執(zhí)行查詢代碼（圖13），最后將查詢后數(shù)據(jù)在UI顯示（圖14），也可通過增加插件Date Picket來設(shè)定日期條件進(jìn)行搜索。

7）郵件通知功能。通過增加Function功能及郵件插件組合郵件通知流程（圖15），利用JavaScript設(shè)定郵件通知觸發(fā)條件，比如設(shè)定超閾值，或者SPC的分析記錄。若條件滿足，觸發(fā)郵件通知功能如圖16所示。

8）物聯(lián)網(wǎng)平臺MQTT對接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺部署EMQX[5]，EMQX是開源可彈性伸縮的分布式物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器，單臺服務(wù)器支持每秒百萬級高性能，能夠低延時在設(shè)備終端和用戶終端之間可靠實時傳輸，并可提供接入身份認(rèn)證，能有效阻止非法終端的連接[6-7]。Node-RED數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后增加MQTT發(fā)布流程如圖17所示，發(fā)布數(shù)據(jù)，分別設(shè)定“溫度” “濕度”主題，再通過MQTT測試軟件MQTTX，分別訂閱主題“溫度” “濕度”，正常顯示數(shù)據(jù)如圖18所示。

3.2.2 生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控

生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控，通過實時數(shù)據(jù)收集與分析，實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的優(yōu)化，確保設(shè)備運行的穩(wěn)定性和效率，預(yù)防故障和生產(chǎn)中斷，從而提高生產(chǎn)質(zhì)量、降低維護(hù)成本、保障工作安全，并促進(jìn)基于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)決策。

1）創(chuàng)建OPC服務(wù)器（KEPServerEX），讀取底層設(shè)備PLC數(shù)據(jù)。在項目中建立新建通道，并在通道里創(chuàng)建需監(jiān)控變量，可以讀取模擬量及PLC所有DB信號（圖19）。

2）Node-RED后臺創(chuàng)建用OPC UA Client插件配置連入OPC服務(wù)器流程，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，如圖20所示。

3）通過Node-RED Dashboard插件Text & Chart來顯示生產(chǎn)線設(shè)備模塊量，利用Led顯示生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)信息（如I/O信號、M寄存器等），如圖21所示。

4 Node-RED應(yīng)用于智能制造的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

4.1 優(yōu)勢分析

4.1.1 易用性和靈活性

Node-RED提供了一個直觀的拖拽式編程界面，使得開發(fā)者能快速構(gòu)建復(fù)雜的邏輯流程，無須深厚的編程背景，通過拖放節(jié)點來創(chuàng)建應(yīng)用，降低了編程的復(fù)雜性，加快了開發(fā)速度。

4.1.2 可擴(kuò)展性和社區(qū)支持

Node-RED可以輕松地與各種數(shù)據(jù)庫、API和在線服務(wù)集成，提供極大的靈活性以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，并且有一個積極主動的社區(qū)，為用戶提供廣泛的自定義節(jié)點和共享流，簡化了復(fù)雜功能的實現(xiàn)。

4.2 挑戰(zhàn)與對策

4.2.1 安全性問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深化，安全問題日益凸顯。Node-RED需要在保證易用性的同時，進(jìn)一步強(qiáng)化安全機(jī)制，包括數(shù)據(jù)加密、訪問控制、安全認(rèn)證等方面。

4.2.2 性能和穩(wěn)定性

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增加，Node-RED所處理的數(shù)據(jù)量也在不斷增長，系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性成為一個重要考慮因素。雖然Node-RED支持廣泛的技術(shù)集成，但隨著技術(shù)的發(fā)展，集成新技術(shù)和平臺可能會帶來挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論與展望

本文通過分析Node-RED在智能制造中的應(yīng)用，展示了其在數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、自動化控制和智能決策等方面的潛力。Node-RED以其低代碼、圖形化編程的特點，提供了一種快速開發(fā)和部署智能制造解決方案的方法。

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，Node-RED的下一個重大飛躍很可能在于與AI技術(shù)的深度融合，通過簡單的拖拽操作，即可集成機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、預(yù)測或自動化決策制定，這將極大地提升系統(tǒng)的智能水平和響應(yīng)效率。未來的Node-RED可能會內(nèi)置更多開箱即用的AI節(jié)點，讓開發(fā)者能輕松利用AI的力量，從而在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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收稿日期：2024-06-18

作者簡介：廖燕平（1987—），男，福建人，工程師，研究方向：智能制造、工業(yè)4.0、MES、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)電信息系統(tǒng)。