基于LoRa的注塑機聯網數字化監控系統平臺研究

劉正超 屠袁飛 劉犇

摘 要：隨著國家2035年遠景目標的提出，制造業的轉型升級成為各注塑企業都將面臨的問題。為打造個性化的智能工廠，解決傳統注塑制造企業生產效率低、生產過程不可控的問題，實現注塑生產實時高效、過程可視化、數據實時化目標，現提出設計基于LoRa無線通信技術的注塑機聯網數字化監控系統平臺，通過工廠看板實時監控設備運行，及時發現問題;通過生產管理實時采集數據，清晰了解生產進度;通過統計報表、圖表直觀體現，全面掌握工廠情況，為注塑企業實現“注塑工業4.0”提供技術支撐。

關鍵詞：注塑企業;智能工廠;LoRa;注塑工業4.0

0? ? 引言

當前，大多數注塑制造企業的計劃排班仍通過口述下達計劃，因生產過程中進度不可控，常常導致計劃產量和實際產量相差較遠，員工工作效率得不到保證，生產計劃不能按時完成。一個班次結束后，需要安排專門的人員對當前班次產量進行統計計算，然后以人工錄入產量報表系統的方式進行匯總分析，這就大大降低了工作效率，且容易出現產量統計上的誤差。因此，企業計劃制訂者和部門管理者亟需實現生產過程的可視化，于是設計基于LoRa無線通信技術的注塑機聯網數字化監控系統平臺成為實現“注塑工業4.0”的重要組成部分。

1? ? 系統結構設計

如今，伴隨著物聯網技術的發展，無線通信技術得到了廣泛推廣和應用，低功耗、大連接、長距離的LoRa無線通信技術得到了廣大物聯網用戶的青睞，加速了智慧注塑工廠的轉型升級。LoRa無線數據傳輸相較于傳統的有線傳輸方式，大大節省了實施成本，更加穩定，同時LoRa技術自帶AES128加密算法，保證了通信數據的安全性。

現提出針對注塑生產企業的物聯網解決方案，主要是基于LoRa新技術為注塑企業實現注塑機聯網，并依靠信息技術手段，實現對注塑機生產車間的全過程監控管理，其中包括對設備的管理和操作人員的管理，并依據云平臺和大數據智能分析系統實現對設備保養周期、檢修周期、更換周期的管理，從而實現智能管理目標，更高效地服務好每一個用戶。

1.1? ? 系統設計目標

本系統的研究旨在實現注塑企業生產工藝信息實時顯示和生產管理的功能，以達到以下目標：

（1）實現對設備運行狀態的監控。可以實時獲取當前設備的運行狀態，及時對設備出現的問題進行響應。

（2）實現生產數據實時監控功能。監控注塑機當前生產的產品、單位時間內生產產量、單個產品的節拍工時、生產合格率等。根據設定的比較基數與實際值進行比較，對單位時間內的生產數量與設定數量進行對比，超差報警。根據單個產品生產的時間周期與設定的時間周期進行對比，超差報警。

（3）實現生產數據報表自動分析對比。自動分析產量的達成率、合格率、直通率，實現效率分析等，支持報警數據的問題追溯。

（4）逐步實現企業減員增效，優化生產流程，提高生產效率，最終提高注塑企業信息化管理水平，實現效益最大化、可持續化等。

1.2? ? 系統結構

為實現注塑車間生產數據實時監控和記錄、報警提示、效率分析、產品工藝信息動態性維護等功能，保證車間生產運行更加高效、可控，本系統主要有數據采集層、數據轉發存儲層和數據應用層三層結構設計，采用B/S架構，形成“管理端+智能數采集中器+數采可視終端”的立體化管理模型。具體的系統結構圖如圖1所示。

1.3? ? 系統結構分析

數據采集層主要用于采集注塑機的運行狀態和實時生產數據。該層每臺注塑機配置一臺數采可視終端，數采可視終端與注塑機之間采用標準的Modbus通信協議，實時采集生產和運行數據，數采可視終端對采集到的數據進行整合，然后顯示到終端觸摸大屏，具體畫面內容如圖2所示。在觸摸屏上可以實時查看當前生產的所有信息，并支持產量跟蹤、報警上報的功能，實時將數據通過LoRa技術上傳到數據轉發存儲層。

數據轉發存儲層主要通過智能數采集中器應用LoRa無線通信技術實時采集每臺數采可視終端的數據，并可下達命令給每臺終端，同時將數據實時存儲到云服務器中，實現端到云的數據傳輸。

數據應用層主要用于客戶端遠程訪問云端數據庫獲取當前設備計劃的執行情況。通過圖表直觀掌握工廠整個生產的過程，無須添加任何其他中間環節，就可實現LoRa應用方案的數據傳輸。

2? ? 數據采集原理分析

2.1? ? 終端數據采集

每臺注塑機都有Modbus通信接口，支持TCP/IP和RS485通信兩種方式。數采可視終端固定于車間現場，可進行生產、質量、工藝等相關操作，與注塑機采用RS485通信方式，實時采集注塑機的運行數據。數采可視終端自帶可編程邏輯控制器，將采集到的數據進行編程處理后打包，打包后的數據通過LoRa技術發送到智能數采集中器，并有專用接口與可視觸摸終端進行通信，實現數據顯示。

2.2? ? 云端數據采集

云端數據的采集主要通過智能數采集中器完成。智能數采集中器可采用TCP或MQTT方式通過網絡將數據傳輸到云平臺數據存儲服務器中。具體的功能結構圖如圖3所示。

2.3? ? 客戶端數據展示

客戶端數據主要來源于云平臺數據存儲服務器，根據云平臺中的數據進行實時監控、數據整合、質量分析、報表分析，實現注塑企業管理者遠程對現場生產進度的跟蹤，及時解決出現的問題，并可對現場的生產情況及報警信息進行溯源，及時發現問題，提高生產效率。通過數據整合，可以對現場所有設備的生產情況進行統計分析，直觀查看統計信息。具體的質量分析圖如圖4所示。

3? ? 系統功能優勢

（1）可實時采集、處理數據，實時掌握生產過程，實現物料信息、注塑機設備及模具、計劃管理、生產進度、質量信息等的系統化管理與采集，使注塑企業生產管理者能夠隨時掌控生產狀態，保證決策的時效性和有效性。

（2）對生產流程的優化提高了生產效率。生產狀態和生產數據信息的實時更新，有利于及時了解設備可能出現的問題，加快企業各部門管理決策的協調響應速度。

（3）完善的數據信息，為企業制訂發展戰略提供了依據。可根據目前的生產經營現狀，制訂合理的發展目標，進一步提升企業的智能化水平。

4? ? 結語

本文所述基于LoRa無線通信技術的注塑機聯網數字化監控系統平臺，有效解決了注塑企業生產效率低下、計劃安排不合理的問題，通過減員增效大大提高了企業的生產效率，基于完善的數據展示、數據分析、數據溯源系統的應用，企業管理者能夠更加清晰地了解生產情況，有利于企業決策者做出更加合理的計劃安排和決策部署，并為實現“注塑工業4.0”提供了模板和技術支撐。

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[2] 魏毅寅，柴旭東.工業互聯網：技術與實踐[M].北京：電子工業出版社，2017.

收稿日期：2021-03-16

作者簡介：劉正超（1990—），男，江蘇淮安人，助理工程師，研究方向：物聯網、電氣自動化。