關于人機交互式智能分揀生產線的研究

江吉祥

摘 要：分揀生產線在工業領域有著廣泛的應用，但是目前國內的一些分揀設備存在精度不高、智能化水平低、人機交互體驗差等問題。如果能夠借鑒電氣裝置、工業互聯網等大賽的成果和理念進行智能化升級改造，就可以在技術層面給這些設備帶來質的飛躍。本文以交流調速輸送機的改造為例，對人機交互式智能分揀生產線進行研究。

關鍵詞：實訓設備 人機交互 分揀生產線

一、社會背景和市場現狀

黨的二十大報告指出，統籌職業教育、高等教育、繼續教育協同創新，推進職普融通、產教融合、科教融匯，優化職業教育類型定位。這是國家在以往實踐基礎上又一項創造性的頂層設計，是實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略一體化的重要契合點，也是開辟努力發展新領域、新賽道，不斷塑造發展新動能、新優勢的重要突破口。

隨著供給側結構性改革的深入推進和新舊動能轉換，中國正從制造大國向制造強國邁進，工業領域也進入數字化、網絡化、智能化的轉型發展期，許多勞動密集型行業正逐漸被智能化的自動生產線所替代。

職業教育身處產業第一線，既要為破解“卡脖子”問題培養更多高素質高技能人才，又要在促進創新鏈和產業鏈精準對接中成為科技成果轉化的“紐帶”，在服務國家創新驅動發展戰略中發揮有力支撐作用。

根據市場調查，分揀傳送設備涉及多個行業、多個領域，在食品包裝、機械制造、汽車零部件、物流包裝等制造類企業中應用尤其廣泛。當下生產線設備大體上分為兩類。

一類為由精度較差的普通交流電機加調速器組合而成的低端產品。這對于很多企業來說，根本無法滿足精細作業、無人值守、遠程操作等要求。

另一類為成本較高、依附于大型設備的高端產品，需配套使用，無法獨立運行。而且人機交互功能差，無法實現智能化、模塊化的工業互聯要求。

職業院校承擔著為國家培養高技能人才的重任，各種適用又實用的生產線實訓設備在教育教學中作用重大。可目前智能分揀生產線相關的教學設備很少，雖然有少量原理演示性質的模型設備，但直接貼近一線生產、能夠進行人機交互的智能化、網絡化分揀設備仍是市場空白。

二、生產線升級改造的研究

筆者在對青島地區30多家制造類企業及山東10所職業院校工業互聯網專業群（電氣、物聯網等專業）進行充分調研的基礎上，結合市場現狀和職業院校工學一體化教學的需求，選取了工業制造應用最為廣泛的“交流調速輸送機”作為研究對象，融入世界技能大賽電氣裝置賽項和中國工業互聯網大賽的技術成果，實現功能上的優化升級。

（一）交流調速輸送機存在的問題

當前生產用的交流調速輸送機主要由傳送帶和交流調速器組成，可以進行簡單的速度調節，但無法精準調速，也無法實現準確定位。如果生產線上還需要進行物料分揀、人機交互、遠程控制、無人值守等，該設備在功能和性能上根本無法滿足上述要求。

（二）智能化改造思路

針對上述問題，并結合當下主流的工業互聯網技術和前沿交互技術，筆者認為可從以下幾方面著手進行改造，即將普通“交流調速輸送機”升級為“人機交互式智能分揀生產線”。

1.精確調速和定位功能

在這一功能的改造上，可以為設備增加可編程邏輯控制器和伺服電機，編寫運動控制程序，通過成熟穩定的PLC控制技術，可以非常容易地實現對傳送帶的精確調速和定位。

2.物料屬性分揀功能

物料的屬性檢測離不開高精度的傳感器，可以在傳送帶的兩側和上方增設各類溫度傳感器、金屬傳感器、顏色傳感器等，將檢測到的信號傳送給PLC，從而通過程序驅動生產線的運行，實現對物料的溫度、材質、顏色等屬性的分揀功能。

3.人機交互功能

人機交互功能在技術上是一個創新點也是一個難點，除了要有人機交互的硬件條件外，對語音和畫面的處理和數據傳輸也是亟待解決的問題。目前比較容易實現的就是增加HMI人機界面，通過屏幕在工業現場實現操作人員與設備之間的交互。實際上還有一條非常靈活的途徑，就是借助于已經在工業領域開始嶄露頭角的智能手機，通過易微聯等網絡服務平臺連接設備的控制器，再由控制器作為PLC的數字量輸入設備，從而實現手機App控制和監視設備的運行，還可以通過設備組網的方式將易微聯等平臺搭接到智能手機的語音平臺、實現跨平臺連接，從而實現人機的語音交互功能。

4.遠程監視和無人值守功能

遠程監視和無人值守一直是工業領域研發的重頭戲，在工業互聯網領域蓬勃發展的今天，這些功能的開發也變得更加易于實現。目前最優的途徑就是利用工業網絡攝像頭，依托5G網絡進行設備和平臺之間的互聯，隨時隨地進行遠程監控。如果再匹配工業機器人，即可實現無人值守功能。

5.智能照明功能

產業節能和綠色發展已經是全球共識。因此，在照明系統上可以考慮通過國內產業鏈比較完善的智能燈控系統進行智慧照明，輕松實現物料對光色、光線強弱的要求，而且節能高效。

6.控制方式的多樣化

為了滿足多種生產需求，靈活多樣的控制方式也是必不可少的。為此，可以在設備上增加物理控制按鍵、在HMI中設計虛擬按鍵，還可通過高頻無線遙控模塊實現中距離遙控功能，由此降低對操作人員的身體條件要求，甚至可以給殘疾人員提供一定的就業崗位。

（三）“人機交互式智能分揀生產線”改造后的功能組成

設備根據上述思路改造完成后，可以實現生產上的自動化、智能化分揀，甚至可以做到24小時無人值守工作。在設備運行期間，可以通過網絡攝像頭實時在手機App上遠程監控系統運行情況，并與現場工作人員實時進行語音交流。在設備停用期間，可以作為安全監控使用。當有人在禁用設備期間進入監控范圍時，移動偵測功能啟動，立即向手機推送消息，同時攝像頭會發出警報。

綜上所述，整條智能生產線主要包含了以下幾項重要組成部分。

1.主控制系統

以PLC為核心；有語音、手機App、HMI人機交互界面等多種靈活控制方式；通過修改PLC程序可自由改變設備傳送分揀功能。

2.傳感器系統

對物料的溫度、材質、顏色等不同屬性進行智能化分揀，并通過相應的指示燈或者蜂鳴器進行警示。

3.智能照明系統

調光調色，以適應不同產品生產時對亮度和色彩的需要，踐行國家倡導的節能環保理念。

4.智能監控系統

連接5G網絡，實時遠程監控，實現無人值守，發生緊急狀況可通過遠程語音、視頻交流進行指揮、調度。

（四）特色和創新

人機交互式智能分揀生產線一方面可以滿足現代企業自動化生產的要求，另一方面可以結合職業院校教學和對外培訓的需求，對接電工基礎、電力拖動控制線路技能訓練、電機技術、PLC應用技術、計算機網絡技術等多門機電類專業核心課程，融合PLC運動控制、步進驅動、傳感器技術、網絡技術等多項主流的控制技術，融入5G工業互聯網功能，為學生學習提供良好的實訓平臺。

這些特點和創新點，可歸納總結為以下幾個方面。

第一，創新性地融入5G工業互聯網的功能。人機交互式智能分揀生產線創造性地加入智能工業互聯網功能，使得設備緊跟工業發展的前沿技術，功能更加強大，可以實現人機交互、遠程控制、無人值守，人機操作更加便利，填補了市場空白。

第二，通用接口的平臺，用途更加靈活多變。以PLC為核心、以5G網絡為通信途徑的開放式綜合性控制系統，融合多門學科，既適合學校開展教學和培訓，又能滿足企業對分揀生產線智能化的需求。

第三，獨立模塊化設計，個性化量身定制。人機交互式智能分揀生產線的設備組成實現了模塊化，各功能模塊相互獨立。可針對不同的需求，靈活增減模塊，做到了功能上的個性化量身定制，降低了設備使用成本。

（五）設備改造升級的實用價值

1.滿足企業對智能化生產的需求

通過PLC編程實現功能上的靈活調整；通過精密電機實現對傳送的精確調速和定位；通過各類傳感器，實現對物料的溫度、材質、顏色、壓力等不同屬性的分揀；通過5G網絡和智能設備實現語音、畫面的人機交互和遠程控制。

2.滿足職業院校對智能化生產線實訓設備的需求

融合多學科知識，設備中的各個模塊對應多門電氣和工業互聯網相關專業的核心課程，適合作為電氣自動化、機電一體化等專業的教學設備使用。

3.滿足電工工種的職業技能等級認定培訓的需求

人機交互式智能分揀生產線設備的安裝、編程、調試過程恰好對應電工國家職業技能認定的初級、中級、高級、技師各個階段的培訓內容，因此可以直接作為培訓設備使用。

如果個別行業對培訓的內容有特殊要求，可對這個開放式的設備平臺稍加改動，即可適配所需。

三、改進方向

隨著工業技術的不斷更迭，硬件設備的淘汰升級加速，并且結構功能越復雜的工業設備，不確定的因素也越多，如果能夠利用軟件對整個工廠和生產線進行模擬仿真，企業投產后出現損失的概率會大大度降低。當下數字孿生技術的應用如火如荼，擁有非常廣闊的發展空間。這項技術的精髓就在于用軟件仿真整套硬件設備，甚至是一個完整的工廠。有了這項技術的加持，就可以對生產線的功能進行進一步提升和完善，一方面減小了對硬件設備的依賴，降低了使用成本，另一方面在企業投產前就可以對問題進行預判，從而降低生產風險。

（作者單位：青島市技師學院）