基于物聯網網關的智能生產線供料站的實時通訊研究

張海燕，楊治山

（1.甘肅建筑職業技術學院，甘肅蘭州，730050；2.天水電氣傳動研究所，甘肅天水，741020）

0 引言

工廠生產線會通過物聯網接位接入點來實現對復雜且高速的大量機器數據進行有效采集，對以往孤立的數據源進行高度整合，從而使數據的訪問更加便利，同時對數據進行專業分析，提高企業對各類不同高價值設備的分析與監控能力。本文著重研究某智能生產線全身性數據的檢測與分析，通過對云端以及邊緣端數據的分析，推動OT系統與IT的有效集成，實現真正意義上的數據共享與應用，使資產管理生命周期的相應流程及策略得到有效改善。

智能生產線的主件供料站負責物料的運輸和搬運，供料站設備的維護工作由現場人員和攝像監控配合完成，因此，很難預測生產線上傳感器或傳動部件的老化程度及穩定性，會經常出現間斷性物料堆積、缺件的現象，平均故障率高達12.5%。

1 智能生產線供料站介紹

1.1 硬件介紹

供料站系統通過AIV小車將物料放置在帶滾輪的斜坡滑道上后，物料滑動到滑道末端的平臺上。當末端的上料點物料檢測傳感器檢測到有物料后，升降氣缸帶動氣爪下行，氣爪下降到物料上方后夾取物料，夾取成功后，升降氣缸帶動氣爪向上移動，然后同步帶驅動電機M1開始正轉，帶動同步帶輸送組件從搬運初始位置B1向搬運右側位B2移動，當同步帶輸送組件移動到搬運右側位置B2時，電機M1停止正轉，在接收到第二站空閑信號后，升降氣缸帶動氣爪下行到第二站的承載料平臺上方，氣爪松開將物料放下，將物料放置成功后，升降氣缸帶動氣爪向上運行，然后電機M1開始反轉，同步帶輸送組件回到搬運初始位置B1。

1.2 系統設計

供料站系統由同步帶驅動電機、升降氣缸和物料檢測傳感器分別執行物料的傳輸、升/降和檢測等動作，供料系統信息傳遞及控制基于物聯網網關、無線路由器和邏輯控制器構成；供料站系統的物理信息如下表所示。

1.3 物聯網的建立

通過物聯網創建供料站全生命周期數據的數字副本，以虛擬方式表示設備，說明與供料站系統相關的數據。通過觀察數字副本，可以持續跟進設備的整個生命周期，實時洞察設備性能，進而改進今后的項目。

所以在供料站控制系統里智能網關負責數據的上傳下達，充當的是一個“聰明”的網關。智能網關里面所存儲的是以產線組態工具為基礎所構建出來的產線模型，它可以對采集指令進行忠誠地執行，在產線當中完成對數據的認真收集以及邊緣計算的快速展開，并且完成相應數據到以云端為基礎的開放式物聯網操作系統的有效上傳。

供料站控制系統智能物聯網關采用原生云架構無限的計算能力進行分析，挖掘隱藏在內部的數據，鏈接、分析、管理遠程設備的數據，大大可以改進服務水平、減少資產停機時間并降低維護和材料成本。

2 軟件介紹

2.1 Node-red S7程序設計

Node-red是一種以新的多元化方式將硬件設備、API和在線服務連接在一起的編程工具。它所構建的是以瀏覽器為基礎的編輯器，這能夠通過對節點欄當中大量節點的應用來實現流的組成，這部分節點能夠借助一次點擊來實現部署的完成。

SIMATIC IOT2040 的示例鏡像已經對Node-red進行了預裝，只有用戶能夠對用于S7通信的S7節點進行安裝，安裝過程當中需要完成網絡的連接。

（1）打開putty，建立與IOT2040 的連接。

（2）輸入指令 cd /usr/lib/node_modules，切換至Node-red 所在目錄。

（3）輸入指令 npm install node-red-contrib-s7，安裝S7 節點。

圖1

2.2 服務器MQQT的建立

作為IBM開發過程當中的即時通信協議，MQQT屬于互聯網研究領域當中的關鍵構成部分。本協議的全部平臺都非常支持，程序A對應這對消息隊列系統的調用，當將調用信息準備完成之后就會投向相應的程序B，程序B的隊列對該消息完成一段時間的存儲之后，就會完成消息的讀取以及信息的有效處理。Cluster通道以及 MQI通道和消息通道是MQQT的三種主要通道類型。消息通道的作用就是在MQ服務器以及服務器之間完成消息的有效傳輸，該通道屬于單向通道，其中包含著服務者以及請求者和發送者與接收者等各式各樣的類型，不同情況之下的用戶可以有不同的選擇。MQI通道的作用就是實現MQ Server與MQ Client之間信息的有效傳輸。MQI通道是雙向的信息傳輸。群集通道的作用就是在同一MQ群集當中完成隊列管理器的有效通訊。

圖2

在調試中，采用Chrome的MQQTTlens插件發布和推送主題。（1）搭建云服務器，本案例用騰訊云為例，首先，基于一臺云主機，操作系統Centos，創建主機以后，需要重置一個密碼；打開SecurCRT軟件，創建一個QuickConnect,主機名填寫云主機的外網IP，用戶名為root。輸入完成后進入操作系統，使用SecurCRT接入云主機后，使用命令安裝MQTT服務，安裝完成后輸入命令mosquitto-v-d，使用MQQT服務在后臺保持運行。（2）拖入MQQT output輸出節點，使用Nodered上傳數據，在節點設置中輸入云主機的IP，并輸入服務器端口1883，保存節點配置后，并部署程序，MQQT Node顯示connected時，數據正常上傳。此時在命令行中輸入MQQT訂閱命令mosquitto_sub-v-t iot2000，便可為訂閱主題iot2000設備上傳至云主機。

圖3

3 結論

智能生產的基礎就是用戶使用及反饋信息以及生產信息和設計信息的高度智能化集成。從最開始的智能化需求的產生到獲取基礎設計數據的過程，從用戶參與式的智能化設計到對生產信息的直接轉變，從智能化柔性生產到提供給用戶產品的浸入式體驗，最后以智能互聯的形式將產品提供給用戶，這也就是智能生產的獨特競爭優勢。

智能生產線供料站物聯網的實時通信基礎就是用戶使用及反饋信息以及生產信息和設計信息的高度智能化集成。特別是通過對MQQT服務器的和應用來實現對數據的實時采集，從最開始的智能化需求的產生到獲取基礎設計數據的過程，從用戶參與式的智能化設計到對生產信息的直接轉變，從智能化柔性生產到提供給用戶產品的浸入式體驗，也就是從底層設備獲取生產數據，一目了然地展示產線的關鍵績效指標。但凡出現異常指標就會實時報警，同時借助郵件和APP來實現對預先定義負責人的及時通知。根本上實現了實時生產管理的第一重閉環，多維度、多角度的為智能生產線供料站管理人員重現生產場景、發現生產瓶頸、鉆取深層原因，從而指出改進方向。