基于數字化測量的智能制造生產線控制系統設計與實現

李俊良

基于數字化測量的智能制造生產線控制系統設計與實現

李俊良1,2

（1.廣東省計量科學研究院 2.廣東省現代幾何與力學計量技術重點實驗室）

根據實際需求構建涵蓋工業4.0要素的智能制造生產線控制系統，實現從定制化訂單發起到加工成品入庫的全過程智能化生產。基于數字化測量（信息產生）、信息交互、信息利用等關鍵技術，設計智能制造生產線控制系統架構，結合MES、立體庫、AGV、工業機器人、RFID和機器視覺等技術，完成生產線智能制造過程。經現場運行驗證：系統運行正常，功能完備，實現了預期設計目標。

智能制造；MES；信息流；數字化測量

0　引言

智能制造是面向產品全生命周期，實現泛在感知條件下的信息化制造。在傳統生產自動化基礎上對生產理念及生產方式提出全新的要求，其中非常重要的一點是對生產信息的全面感知。數據和信息是智能制造中流動著的“血液”，數字化將數據轉變成信息，通過網絡化和智能化決策，創造有用的價值。因此，智能制造或工業4.0都是由數據驅動的[1]。

傳統的自動化企業專注于設備級的自動化實現，但對上層SCADA/MES/ERP等系統不熟悉，致使忽視生產線信息的數字化獲取及生產信息的橫向、縱向流動[2-3]。MES/ERP等軟件系統企業專注于上層系統級的數據分析與調配控制，對于底層型號各異的執行設備和控制器等硬件設備以及控制方式難以涉及，影響信息縱向流動。通過數字化測量實現制造信息（關鍵參數）的數字化獲取及流轉，可打通上層系統與底層產線之間的阻隔，釋放已有的優質生產力，加快我國制造業發展進程[4]。

本文結合實際項目，設計基于數字化測量的智能制造生產線控制系統，借助于OPC-UA、PROFINET協議轉換等技術，實現所有設備信息統一通過工業以太網傳輸流動，賦予MES較大的自由度與控制系統進行信息交互。

1 　系統構成

生產線用于生產定制化工業機器人模型，模型零件由3D打印完成。系統加工物料包括模型零件、包裝盒等，加工物料存放于立體倉儲的指定區域；訂單由客戶Web頁面發起，可定制材料顏色、模型規格、Logo圖案、簽名等內容；系統按照訂單需求自動完成物料運輸、裝配、激光打標、質量檢測、成品包裝和入庫存儲等加工環節；客戶可憑系統生成的二維碼在立體倉儲取回加工好的產品。

生產線線體采用U型雙層流水線設計，上層流轉治具盤承載物料進行裝配、打標、檢測和包裝等環節；下層回流空治具盤，完成治具盤流動循環。生產線線體及設備構成如圖1所示。

圖1 　生產線線體及設備構成示意圖

立體倉儲與加工生產線之間的物料流轉環節通過AGV機器人完成，包括加工物料、包裝材料運送和成品運輸；裝配環節由6軸單工位雙工裝工業機器人完成，可完成組裝與次品修復功能；定制打標環節由激光打標機完成，可打印客戶定制簽名、Logo和二維碼等標識，打標內容由系統自動匹配訂單并傳送打標機完成；外觀檢測由6軸單工位工業機器人配合視覺檢測系統完成，可完成產品多處關鍵位置加工及外觀檢測，如有NG情況將自動夾取至返修線[5]；包裝環節由6軸單工位雙工裝工業機器人完成，可將檢測完好的加工品自動裝入包裝盒，并放置于下料緩存位置，通知AGV運送至立體倉儲。

MES實時讀取中控PLC及各系統狀態，并通過大屏幕展示實時數據：立庫實時看板展示倉儲情況；計劃達成看板展示訂單完成情況；設備監控看板展示工業機器人工作狀態；工藝看板展示品質分析與線平衡、二維碼追溯展示流程生產及檢測信息等。

2　控制系統設計與搭建

2.1 　控制系統分層

控制系統分3層設計：MES層位于頂層，負責訂單管理、制造過程調度和監控；控制層為中間層，負責數據采集、流動及控制任務；設備層為最底層，負責執行相關動作與任務[6]。具體結構如圖2所示。

控制層采用PLC作為主控制器，選型S7-1500系列PLC，其支持工業以太網接口，內置OPC-UA服務器。設備統一采用工業以太網相連，就地進入工業交換機，并采用分布式I/O模塊，通過PROFINET相連。針對無工業以太網接口的設備，如已選工業機器人僅支持RS-485接口，采用PROFINET網關模塊。該模塊可自動將配置的Modbus詢問報文發送給連接設備，并將設備回復的數值通過PROFINET映射至PLC的內部I/O區域，最快可支持毫秒級的連續問詢。統一采用工業以太網進行數據傳輸可提高通訊可靠性，同時星型連接結構可減少故障線路對其他設備的影響。

MES通過OPC-UA協議與主控PLC進行數據交互，設計基于標識位觸發的數據交互協議。MES可自由讀取所有生產信息或直接控制中控系統完成模塊化功能及底層部件動作控制，增強系統柔性，便于后期功能擴展。

加工工藝模塊化設計，使得控制層可與MES相連完成系統訂單任務，也可脫離MES脫機工作，在系統內部進行資源智能化調配完成智能化生產任務。

2.2　控制流程

客戶發起加工需求后，MES通過互聯網接口獲取客戶定制內容從而生成訂單，同時生成唯一的訂單號。立體倉儲系統根據訂單內容，控制巷道機器人取出對應的物料盤，同時MES發送指令給AGV前往立體倉儲接駁碼頭取下物料盤并運送至生產線。AGV就位后，生產線的伺服系統將物料盤從AGV上取下，并根據加工情況放置于對應的物料緩存區域。

生產線線體采用上下雙層傳送帶，治具盤在傳送帶上流轉，每個治具盤上都鑲嵌RFID標簽，每個加工工位處都設有RFID讀寫器。加工線體共設有5個不同的加工工位：裝配工位、激光打標工位、視覺識別工位、回流返修工位和包裝工位。當治具盤流轉到某加工工位時，傳送帶下的頂升氣缸會將治具盤頂升，使之脫離傳送帶，同時RFID讀寫器讀取治具盤RFID信息，MES根據加工信息決定下一步的加工動作。具體生產線加工控制流程如圖3所示。

圖3　生產線加工控制流程圖

3 信息產生及流通機制構建

3.1 　RFID

RFID標簽可讀可寫，是理想的信息流轉載體。在流水線上循環流轉的治具盤中鑲嵌有RFID標簽，標簽中除了含有訂單信息、治具盤ID和產品SN號等信息外，還包含每個工位的加工信息及加工結果。在到達加工工位時，讀寫器讀取到該物料的加工履歷，由系統根據加工履歷及訂單情況決定下一步動作，提高了系統的柔性及容錯能力。具體流轉信息內容如圖4所示。

3.2　生產線加工信息

生產線加工信息可由機器視覺、QR讀碼器、光纖傳感器、磁性開關、光電感應開關、光電編碼器、接近開關、激光測距傳感器和壓力傳感器等傳感器件信號，通過特定的組合或計算獲取。主控PLC采集并分析計算可獲取系統狀態、加工治具位置、伺服機構位置、產品加工履歷、產品檢測NG類型及返修履歷、產品生產周期、加工時間及操作結果、上料緩存各工位狀態、下料緩存位工件數和包裝上料緩存位工件數等。生產線加工信息直接存放在PLC內部存儲空間內，通過設置信息更新標志位，通知MES讀取相關存儲區域數據。

3.3　機器人狀態信息

機器人狀態信息可通過機器人指令獲取并存儲于機器人內部寄存器中。采用PROFINET網關可將機器人內部寄存器信息實時掃描，并將運行參數映射至主控PLC內部I/O緩存區域。經計算可獲取機器人加工時間/空閑時間、機器人當前姿態、軸角度、運行速度、扭矩、角度（位置）和坐標位置等參數。同時，主控PLC可通過PROFINET網關以約定的協議設定機器人相關內部寄存器數據，實現控制機器人執行不同功能模塊的動作。MES可通過OPC-UA協議讀取PLC相關存儲區域獲取機器人狀態信息。

圖4　信息產生及流轉示意圖

3.4　視覺檢測信息

機器視覺系統通過標志位觸發決定與機器人進行數據交換的時機。檢測結果以約定格式映射至機器人寄存器中，包括裝配缺陷、緊固螺絲漏打、外觀缺陷和本體顏色等。主控PLC通過PROFINET網關實時掃描機器人寄存器獲取檢測結果信息。

4　系統實現與運行

控制系統與各系統成功對接并運行，實現了既定的控制目標與期望的信息交互。系統可接受定制化訂單實現無人化生產，生產線控制系統實際運行如圖5所示。

5　結語

本文結合當前智能制造領域的新趨勢新技術，針對工業機器人模型定制生產線，設計并實現了基于信息流的智能制造生產線控制系統。基于該框架開發的智能制造生產線控制系統，可對生產過程進行智能化操作，實現柔性制造，注重生產加工數據信息的產生與自動流動，能夠較好地滿足企業對生產線改造提升的需求。

圖5 　生產線控制系統實際運行圖

[1] 苗圩.中國制造2025與德國工業4.0異曲同工[J].裝備制造, 2015(6):22.

[2] 唐堂,滕琳,吳杰,等.全面實現數字化是通向智能制造的必由之路——解讀《智能制造之路:數字化工廠》[J].中國機械工程,2018,29(3):366-377.

[3] 呂慧,夏虹,馬笑,等.數據驅動的工業互聯網解決方案[J]. 西安郵電大學學報,2018,23(3):104-110.

[4] 王耀南,陳鐵健,賀振東,等.智能制造裝備視覺檢測控制方法綜述[J].控制理論與應用,2015,32(3):273-286.

[5] 張泉靈,洪艷萍.智能工廠綜述[J].自動化儀表,2018,39(8): 1-5.

[6] 梁盈富,祝戰科.汽車輪轂生產線智能制造系統總體架構的設計與研究[J].工業儀表與自動化裝置,2018(4):61-64.

Design and Implementation of Intelligent Manufacturing Production Line Control System Based on Digital Measurement

Li Junliang1,2

(1.Guangdong Institute of Metrology 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology)

An intelligent manufacturing system covering the elements of Industry 4.0 was proposed, realizing the whole process intelligent production from customized order to finished products. Based on key technologies such as digital measurin (information acquisition), information interaction, and information utilization, the intelligent manufacturing control system architecture is designed, combining MES system, WCS, AGV, industrial robot, RFID, machine vision and other technologies. The process is verified by on-site operation: the system runs well, achieving the expected design goals.

Intelligence Manufacturing; MES; Information Flow; Digital Measuring

李俊良，男，1976年生，本科，高級工程師，主要研究方向：信息化。E-mail:13924032866@139.com