基于工業4.0 的數字化工廠監控系統設計

師 寧， 劉 輝

（1.北京電子科技職業學院 汽車工程學院， 北京100176；2.中國航空制造技術研究院裝備中心食藥機械產品部， 北京 100024）

0 引言

制造業作為我國的支柱產業，有著良好的發展勢頭，但是隨著我國人口紅利的消失，人工費用的增長，傳統制造業依靠人力發展的道路已經越走越窄。與此同時，隨著信息化及智能技術的蓬勃發展， 智能裝備的誕生為傳統的裝備制造的生產方式帶來了革命性的產業變革。 我國為了推進智能制造的發展， 作為中國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領《中國制造2025》于2015 年5 月正式發布。 目前，無論是美國，日本、 還是歐洲，發展智能制造已成為全球制造業的目標。

為了順應國家推進制造強國戰略，作為培養高級技能人才的高職院校， 我院于2016 年投入新建了“基于工業4.0 的數字化工廠實訓室”，并于2017 年進行了二期建設。實訓室的模擬可視化工廠線主要由總控制系統、 立體倉庫系統、 多功能工作站、 自動傳輸系統、 可視化展示單元、RFID 自動跟蹤管理系統、制造業執行系統（MES）和倉庫管理系統（WMS）組成，能夠實現多種產品的共線生產（同時只能共線生產兩種產品），構建真正意義上的工業4.0 新型工作模式和功能平臺，使整個柔性制造系統既源于生產實際、又符合教學規律要求，便于教師帶領學生開展多項專業教學實驗。 經過此實訓平臺的訓練，學生們可以掌握多學科的綜合知識和技能，為智能制造提供可靠的人才支撐。

1 平臺功能概述

以產品全生命周期數據為基礎的數字化工廠（DF），在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化， 并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。 它是現代數字制造技術與計算機仿真技術相結合的產物，同時具有其鮮明的特征。 它的出現給基礎制造業注入了新的活力， 主要作為溝通產品設計和產品制造之間的橋梁。工業4.0 的核心是將生產過程、工控軟件、生產設備進行深度融合， 具體的表現就是在生產過程和管理體系的智能化上。

我院引進的該智能生產系統為多產品共線生產，生產產品由控制系統根據生產指令進行。 各產品通過MES 和WMS 系統軟件， 實現從毛坯件出庫至成品入庫全過程的生產及生產節拍的智能調度。系統各部分的生產進度應協調一致。 按照現代數字化工廠的生產模式，根據定單需求通過MES 和WMS 系統軟件，實現從毛坯件出庫至成品入庫全過程的生產。整個生產過程，無需人工干預，全過程中每個環節均通過RFID 記錄，全程追蹤產品的生產過程，涵蓋訂單下發、物料傳輸、物料加工、物料入庫等，生產管理系統記錄每一個生產過程數據，可產品追溯。

多功能工業機器人工作站系統設計充分體現 “可重構”的設計理念，采用模塊化設計，設備主要由基礎功能平臺、機器人專業功能訓練模塊、接駁平臺、RFID 子系統等部分組成。 專業功能訓練功能模塊固定在標準尺寸的底板上， 專業功能訓練功能模塊與基礎功能平臺之間采用活動連接塊進行連接，可實現快速固定，并固定可靠，后期可以標準尺寸底板上開發其它機器人應用功能，可大大提高基礎功能平臺的功能和利用率，節約投資成本。同時，工作站系統平臺還選配緩沖接駁單元和RFID 跟蹤溯源子系統等，與智能生產線平臺進行快速聯接，在智能生產線自動化軟件支持下，能夠完成從根據定單下單、智能倉儲存取、柔性流程重配和生產的全自動化過程。

圖1 工作流程圖

該模擬生產線的工作流程：①系統根據生產指令，堆垛機從工件庫位取放置含拋光工件或焊接工件的托盤到出庫平臺；②AGV 小車根據系統指令到出庫平臺接駁工裝托盤；③AGV 小車搬運含工件的工裝托盤到模擬拋光工作站或模擬焊接工作站，通過工作站接駁平臺搬運至工作站；④此時，如有其它生產指令AGV 小車則回到出庫平臺搬運其它工裝托盤或到下一工作站搬運加工好的工件，如沒有其它生產指令AGV 小車等待加工完成；⑤工作在工作站加工完成后，工作站向系統發出加工完成指令，AGV小車到達工作站通過接駁平臺搬運加工成品工件及工裝托盤至及入庫平臺； ⑥成品工件及工裝托盤經入庫平臺入庫；⑦工裝托盤從出庫至工作站到最終成品入庫，整個生產過程通過RFID 系統進行跟蹤； ⑧根據生產定單，生產系統重復以上①-⑦步驟。

2 系統硬件平臺的構建

本實訓平臺的系統主要由總控系統、 立體倉儲系統、自動傳輸系統（AGV 小車）、工業機器人工作站、RFID 跟蹤管理系統、MES 生產管理系統和WMS 倉庫管理系統組成。系統布置示意圖如圖2 所示。

總控系統主要特點是系統軟件通過MES 接口實現數據信息的實時交互、 操作員或者管理員可通過系統軟件實時監控整個系統狀態、 聯動模式下可控制下位機各分系統運行，并實時接收反饋信息。

立體倉儲系統立體倉儲系統設有原料庫和成品庫，采用巷道式立體庫。 巷道式立體庫主要包括巷道式堆垛機、工業鋁型材搭建的立體庫位等組成，主要用于原材料、成品的出庫、入庫以及存儲功能。庫內物品通過RFID 系統和WMS管理軟件來實現物料的信息管理和科學調配。 傳動機構由伺服驅動，保證了出、入庫動作的速度與精確性；取料機構采用三級貨叉，可完成原料庫與成品庫的雙面作業；托盤上攜帶的RFID 電子標簽有效記錄物料的狀態信息。

自動傳輸系統， 主要功能是為了充分發揮物流資源供應方的效率，同時使需求方（客戶）能夠快速獲得服務匹配，并得到物流支持，其是實現“工業4.0”“智能物流”的硬件基礎。 本系統中自動傳輸系統主要根據客戶訂單需求， 上位機控制系統從立體倉儲庫發出需求產品的物料托盤，自動化傳輸線把不同種類的物料通過AGV 運輸到不同的工作站，完成不同物料的生產裝配工作，傳輸系統中各種物料及產品均基于對RFID 標簽的讀寫以實現對物料和產品的跟蹤和溯源。

機器人工作站主要由基礎功能平臺和專業功能模塊兩大部分組成。基礎功能平臺主要包括工業機器人及其控制器、基礎臺架、機器人抓手庫、觸摸屏、電氣控制系統、氣動系統等組件， 專業功能模塊主要由帶有基準電氣接口，并可以快速更換并固定的功能模塊組成，可實現在同一基礎功能平臺上切換多種工業機器人典型應用功能（需要配置不同功能模塊），體現工作站的硬件可重構功能。

RFID 自動跟蹤管理系統由標準卡、讀寫器、電子標簽、RFID 管理軟件等組成， 分別對各主要工位和工序的完成情況及各物料、托盤的狀態信息進行記錄，以便對產品的加工信息進行采集，通過與生產線系統通信，實現與生產線的信息交換。最終數據全部發送給總控系統保存。

圖2 系統布置示意圖

MES 生產管理系統是處于管理層之下， 控制層之上的執行層，主要服務于企業的生產現場管理和調度指揮。涵蓋生產計劃、生產統計、生產調度、產品跟蹤、質量管理、設備管理、生產數據管理、數據采集及接口、數據分析等通過網絡聯接使用統一的數據庫。 通過強調制造過程的整體優化來實現完整的閉環生產， 建立一體化和實時化的全方位信息體系。 為用戶提供一個快速反應、 有彈性、精細化的制造業環境，幫助企業降低成本、提高設備有效作業率、提高產品的質量和為企業考核提供依據。

WMS 是倉庫管理系統 （Warehouse Management System）的縮寫，倉庫管理系統是通過入庫業務、出庫業務、倉庫調撥、庫存調撥等功能，綜合批次管理、物料對應、庫存盤點、 質檢管理和即時庫存管理等功能綜合運用的管理系統， 有效控制并跟蹤倉庫業務的物流和成本管理全過程，實現完善的企業倉儲信息管理，該系統可以獨立執行庫存操作，與其他系統的單據和憑證等結合使用，可提供更為完整全面的企業業務流程和財務管理信息。

3 監控系統組成

本實訓平臺監控系統包括兩部分： 立體倉儲系統觸摸屏操控面板和多功能工業機器人工作站觸摸屏操控面板， 本文主要多功能工業機器人工作站操控面板為例來介紹監控系統的實現方法。

多功能工業機器人工作站有兩個工作模式， 聯機模式和本地模式。聯機模式即通過總控臺控制，通過總控臺的調度完成相應的作業。 本地模式即總控系統不參與控制，機器人工作站自身通過按鈕盒和觸摸屏控制實現相應控制的模式。 兩種模式下均能實現工業小型氣缸的裝配功能。

整個監控系統一共包含主界面、手動界面、參數設置界面、報警界面、機器人信息界面和I/O 表界面等6 個界面， 現場操作員可以通過這6 個界面來實時監控整個工作機器人的工作狀態，便于維護系統。

圖3 觸摸屏主界面和手動界面

主界面可顯示當前日期、時間、星期，并有“啟動”、“停止”、“復位”按鈕，功能與面板上操作按鈕相同，其下方有屏幕切換按鈕，可切換至其它功能界面。手動界面主要有兩種功能：①非自動運行狀態下可操作工作站所有氣缸動作；②本地模式下有兩種操作模式：入/出料功能屏蔽與入/出料功能使用，通過長按“入/出料屏蔽”按鈕8S 以上進行切換。

（1）入/出料功能屏蔽操作：要求接駁平臺上有托盤，操作者每次將未裝配缸體放置于托盤上，在綠色“運行”指示燈亮情況下按“機器人直接啟動”按鈕，3S 后機器人即啟動工作， 機器人未工作完成情況下不可往托盤上放置缸體，否則機器人會有撞擊危險。

（2）入/出料功能使用操作：首先長按“入/出料屏蔽”按鈕8S 以上切換至“入/出料功能使用”，此操作模式要求接駁平臺上沒有托盤，在綠色“運行”指示燈亮情況下按“入料”按鈕，接駁平臺皮帶轉動，操作者將放有未裝配缸體的托盤放于皮帶上，皮帶到位后機器人即自動運行。機器人加工結束，操作者在同伴協助下，一人按“出料”按鈕，一人接住托盤。

圖4 參數設置界面和報警界面

參數設置界面可設置本地模式下工藝號，上電初始化情況下默認工藝1 即氣缸裝配，目前本工作站只開發氣缸裝配功能，因此選擇其它工藝，機器人不會執行動作。報警界面主要用于生產線在生產過程中出現的一些可能危及顯示所有報警代碼和故障信息， 方便操作人員接觸故障信息。 此外還有機器人信息界面和PLC I/O 輸入和輸出顯示界面，分別來實時監控PLC 與機器人之間的信號交互情況及顯示PLC 的實際工作點，方便操作人員實時監控系統。

4 結論

該實訓平臺以數字化工廠為框架， 采用先進的智能制造技術來重構實際的生產過程， 有助于學生了解所學知識的實際工程應用，并對每項技術在實際企業里的具體應用、各環節的前后聯系和背景一目了然，有效的指導了學生如何理論聯系實際，有助學生明確學習目的，提高學習效果。通過可視化的監控系統便于學生更好的監控系統的運行狀態，并通過數字化管理，保證了產品數據庫中的內容真實、可靠，同時培養了學生的數字化企業思想。