基于LoRa的注塑機聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)的轉型升級成為各注塑企業(yè)都將面臨的問題。為打造個性化的智能工廠，解決傳統(tǒng)注塑制造企業(yè)生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)過程不可控的問題，實現(xiàn)注塑生產(chǎn)實時高效、過程可視化、數(shù)據(jù)實時化目標，現(xiàn)提出設計基于LoRa無線通信技術的注塑機聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，通過工廠看板實時監(jiān)控設備運行，及時發(fā)現(xiàn)問題;通過生產(chǎn)管理實時采集數(shù)據(jù)，清晰了解生產(chǎn)進度;通過統(tǒng)計報表、圖表直觀體現(xiàn)，全面掌握工廠情況，為注塑企業(yè)實現(xiàn)“注塑工業(yè)4.0”提供技術支撐。

關鍵詞：注塑企業(yè);智能工廠;LoRa;注塑工業(yè)4.0

0? ? 引言

當前，大多數(shù)注塑制造企業(yè)的計劃排班仍通過口述下達計劃，因生產(chǎn)過程中進度不可控，常常導致計劃產(chǎn)量和實際產(chǎn)量相差較遠，員工工作效率得不到保證，生產(chǎn)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(chǎn)量進行統(tǒng)計計算，然后以人工錄入產(chǎn)量報表系統(tǒng)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(xiàn)產(chǎn)量統(tǒng)計上的誤差。因此，企業(yè)計劃制訂者和部門管理者亟需實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化，于是設計基于LoRa無線通信技術的注塑機聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺成為實現(xiàn)“注塑工業(yè)4.0”的重要組成部分。

1? ? 系統(tǒng)結構設計

如今，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)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(lián)網(wǎng)用戶的青睞，加速了智慧注塑工廠的轉型升級。LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸相較于傳統(tǒng)的有線傳輸方式，大大節(jié)省了實施成本，更加穩(wěn)定，同時LoRa技術自帶AES128加密算法，保證了通信數(shù)據(jù)的安全性。

現(xiàn)提出針對注塑生產(chǎn)企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，主要是基于LoRa新技術為注塑企業(yè)實現(xiàn)注塑機聯(lián)網(wǎng)，并依靠信息技術手段，實現(xiàn)對注塑機生產(chǎn)車間的全過程監(jiān)控管理，其中包括對設備的管理和操作人員的管理，并依據(jù)云平臺和大數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)實現(xiàn)對設備保養(yǎng)周期、檢修周期、更換周期的管理，從而實現(xiàn)智能管理目標，更高效地服務好每一個用戶。

1.1? ? 系統(tǒng)設計目標

本系統(tǒng)的研究旨在實現(xiàn)注塑企業(yè)生產(chǎn)工藝信息實時顯示和生產(chǎn)管理的功能，以達到以下目標：

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

（2）實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控功能。監(jiān)控注塑機當前生產(chǎn)的產(chǎn)品、單位時間內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)量、單個產(chǎn)品的節(jié)拍工時、生產(chǎn)合格率等。根據(jù)設定的比較基數(shù)與實際值進行比較，對單位時間內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)量與設定數(shù)量進行對比，超差報警。根據(jù)單個產(chǎn)品生產(chǎn)的時間周期與設定的時間周期進行對比，超差報警。

（3）實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表自動分析對比。自動分析產(chǎn)量的達成率、合格率、直通率，實現(xiàn)效率分析等，支持報警數(shù)據(jù)的問題追溯。

（4）逐步實現(xiàn)企業(yè)減員增效，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，最終提高注塑企業(yè)信息化管理水平，實現(xiàn)效益最大化、可持續(xù)化等。

1.2? ? 系統(tǒng)結構

為實現(xiàn)注塑車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和記錄、報警提示、效率分析、產(chǎn)品工藝信息動態(tài)性維護等功能，保證車間生產(chǎn)運行更加高效、可控，本系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)轉發(fā)存儲層和數(shù)據(jù)應用層三層結構設計，采用B/S架構，形成“管理端+智能數(shù)采集中器+數(shù)采可視終端”的立體化管理模型。具體的系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

1.3? ? 系統(tǒng)結構分析

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

數(shù)據(jù)轉發(fā)存儲層主要通過智能數(shù)采集中器應用LoRa無線通信技術實時采集每臺數(shù)采可視終端的數(shù)據(jù)，并可下達命令給每臺終端，同時將數(shù)據(jù)實時存儲到云服務器中，實現(xiàn)端到云的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)應用層主要用于客戶端遠程訪問云端數(shù)據(jù)庫獲取當前設備計劃的執(zhí)行情況。通過圖表直觀掌握工廠整個生產(chǎn)的過程，無須添加任何其他中間環(huán)節(jié)，就可實現(xiàn)LoRa應用方案的數(shù)據(jù)傳輸。

2? ? 數(shù)據(jù)采集原理分析

2.1? ? 終端數(shù)據(jù)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(shù)采可視終端固定于車間現(xiàn)場，可進行生產(chǎn)、質(zhì)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(shù)據(jù)。數(shù)采可視終端自帶可編程邏輯控制器，將采集到的數(shù)據(jù)進行編程處理后打包，打包后的數(shù)據(jù)通過LoRa技術發(fā)送到智能數(shù)采集中器，并有專用接口與可視觸摸終端進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。

2.2? ? 云端數(shù)據(jù)采集

云端數(shù)據(jù)的采集主要通過智能數(shù)采集中器完成。智能數(shù)采集中器可采用TCP或MQTT方式通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)展示

客戶端數(shù)據(jù)主要來源于云平臺數(shù)據(jù)存儲服務器，根據(jù)云平臺中的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)整合、質(zhì)量分析、報表分析，實現(xiàn)注塑企業(yè)管理者遠程對現(xiàn)場生產(chǎn)進度的跟蹤，及時解決出現(xiàn)的問題，并可對現(xiàn)場的生產(chǎn)情況及報警信息進行溯源，及時發(fā)現(xiàn)問題，提高生產(chǎn)效率。通過數(shù)據(jù)整合，可以對現(xiàn)場所有設備的生產(chǎn)情況進行統(tǒng)計分析，直觀查看統(tǒng)計信息。具體的質(zhì)量分析圖如圖4所示。

3? ? 系統(tǒng)功能優(yōu)勢

（1）可實時采集、處理數(shù)據(jù)，實時掌握生產(chǎn)過程，實現(xiàn)物料信息、注塑機設備及模具、計劃管理、生產(chǎn)進度、質(zhì)量信息等的系統(tǒng)化管理與采集，使注塑企業(yè)生產(chǎn)管理者能夠隨時掌控生產(chǎn)狀態(tài)，保證決策的時效性和有效性。

（2）對生產(chǎn)流程的優(yōu)化提高了生產(chǎn)效率。生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的實時更新，有利于及時了解設備可能出現(xiàn)的問題，加快企業(yè)各部門管理決策的協(xié)調(diào)響應速度。

（3）完善的數(shù)據(jù)信息，為企業(yè)制訂發(fā)展戰(zhàn)略提供了依據(jù)。可根據(jù)目前的生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀，制訂合理的發(fā)展目標，進一步提升企業(yè)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(lián)網(wǎng)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)平臺，有效解決了注塑企業(yè)生產(chǎn)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(yè)的生產(chǎn)效率，基于完善的數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)溯源系統(tǒng)的應用，企業(yè)管理者能夠更加清晰地了解生產(chǎn)情況，有利于企業(yè)決策者做出更加合理的計劃安排和決策部署，并為實現(xiàn)“注塑工業(yè)4.0”提供了模板和技術支撐。

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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(lián)網(wǎng)、電氣自動化。