面向中小企業(yè)的工業(yè)機器人遠程監(jiān)控平臺的設(shè)計

劉計良,苗 鵬,陳裕鵬,李 俊

(汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海洋學(xué)院,廣東 汕尾 516600)

0 引言

工業(yè)機器人是多關(guān)節(jié)的機械設(shè)備,可代替人完成重復(fù)性、繁重、危險的工作[1]。工業(yè)機器人設(shè)備可與企業(yè)制造車間的其他自動化設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及通信數(shù)據(jù)的共享,實現(xiàn)高效率運行。但工業(yè)機器人設(shè)備是專業(yè)設(shè)備,其運行及維護需要專業(yè)人士跟進,尤其是遠程快速監(jiān)測工業(yè)機器人設(shè)備的運行狀態(tài)與報警信息對設(shè)備診斷及維修具有至關(guān)重要的作用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與云制造[2-4]技術(shù)的發(fā)展加快了設(shè)備的更新?lián)Q代,企業(yè)現(xiàn)有的工業(yè)機器人設(shè)備大多有數(shù)據(jù)通信接口,通過后期平臺系統(tǒng)的搭建可實現(xiàn)對中小制造企業(yè)工業(yè)機器人設(shè)備的遠程管理、監(jiān)測及維護。本研究以汕尾市中小企業(yè)國產(chǎn)某工業(yè)機器人為例,設(shè)計了遠程監(jiān)控及管理系統(tǒng),實現(xiàn)工業(yè)機器人硬件設(shè)備的利用及整合,為信息化平臺建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

李伯虎率先就云制造的概念、基礎(chǔ)架構(gòu)及硬件資源的接入等方面做了較為全面的研究,根據(jù)實際案例針對性地提出了面向大型企業(yè)及中小微企業(yè)在云制造運行模式及涉及的核心技術(shù)問題[5]。戰(zhàn)德臣[6]等提出積極利用大型企業(yè)集團的資源優(yōu)勢建立云制造平臺,實現(xiàn)與中小制造企業(yè)的資源共享,帶動中小企業(yè)的信息化發(fā)展。尹超[7]等提出面向中小企業(yè)的云制造平臺,整合中小企業(yè)間的硬件設(shè)備資源,為其應(yīng)用云制造技術(shù)提供了理論技術(shù)支撐。

斯坦福大學(xué)與麻省理工提出并應(yīng)用了遠程服務(wù)系統(tǒng)[8],實現(xiàn)了數(shù)控機床等設(shè)備的遠程接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、遠程控制及故障診斷,對新一代的數(shù)控機床網(wǎng)絡(luò)嵌入式應(yīng)用推廣起到了關(guān)鍵作用[9]。很多日本車企已實現(xiàn)數(shù)控機床、PLC技術(shù)的遠程控制及管理,實現(xiàn)了客戶設(shè)備故障的遠程監(jiān)控及處理,提升了設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理及開工運行效率。我國于20世紀(jì)后期開始對工業(yè)設(shè)備的遠程控制等方面做了大量的理論研究及實踐應(yīng)用,其中最具代表性的是哈工大提出的嵌入式遠程故障診斷系統(tǒng)[10],該系統(tǒng)的面世標(biāo)志著我國在工業(yè)生產(chǎn)及云制造領(lǐng)域的研究及應(yīng)用實現(xiàn)了技術(shù)突破,為推進工業(yè)制造企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)型升級打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 工業(yè)機器人設(shè)備的接入

云平臺的硬件設(shè)備層是將企業(yè)內(nèi)部的工業(yè)機器人硬件設(shè)備通過廠家的通信接口連接到平臺,設(shè)備數(shù)據(jù)庫將不同企業(yè)、不同類型的工業(yè)機器人設(shè)備信息進行統(tǒng)一管理及調(diào)用,實現(xiàn)平臺與硬件設(shè)備的互聯(lián)互通。云平臺數(shù)據(jù)庫可查看設(shè)備所屬企業(yè)、品牌、類型、型號、運行狀態(tài)等信息。中小制造業(yè)企業(yè)可根據(jù)實際情況進行設(shè)備查看、增加、修改及刪除等操作,設(shè)備詳細參數(shù)會同步到管理數(shù)據(jù)庫中,實現(xiàn)遠程監(jiān)控底層設(shè)備層的接入。

1.2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組成

遠程監(jiān)控是通過電腦主機利用Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對遠距離設(shè)備的監(jiān)視及控制。遠程監(jiān)控系統(tǒng)是控制端與被控端共同組成的能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互的軟、硬件系統(tǒng),該系統(tǒng)的應(yīng)用基本實現(xiàn)了生活場景中所涉及的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作、管理及應(yīng)用,實現(xiàn)了遠程智能化管理,形成了各種類型設(shè)備管理云端化的應(yīng)用模式。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要涉及的核心模塊是數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的信息交換。數(shù)據(jù)采集是將各種聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一云端化,形成設(shè)備數(shù)據(jù)的資源數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過信息交互模塊與設(shè)備進行實時的數(shù)據(jù)比對,控制端的設(shè)備管理員需根據(jù)現(xiàn)場傳輸?shù)脑O(shè)備狀態(tài)信息進行相應(yīng)操作,被控端的設(shè)備則根據(jù)控制端傳輸過來的模擬信號實現(xiàn)響應(yīng)。

1.3 用戶管理模塊設(shè)計

1.3.1 流程框架體系搭建

用戶管理系統(tǒng)的設(shè)計在考慮安全的前提下盡可能使用國產(chǎn)編程軟件進行設(shè)計,主要的核心模塊包括用戶界面、硬件設(shè)備控制界面、設(shè)備添加界面、修改界面及監(jiān)控界面等,以及用戶及設(shè)備數(shù)據(jù)庫的建立。用戶點擊登錄,用戶數(shù)據(jù)庫將進行數(shù)據(jù)比對,實現(xiàn)對用戶身份、權(quán)限及注冊新用戶使用審核。登錄界面結(jié)合企業(yè)特色進行布局設(shè)計,登錄窗口實現(xiàn)用戶登錄、賬戶錯誤提示、注冊新賬戶、密保問題及密碼找回等功能。

登錄賬戶。本系統(tǒng)需要賬號和密碼才可登錄,用戶點擊登錄后,后臺用戶賬戶數(shù)據(jù)庫會對用戶的賬號和密碼進行驗證,予以通過或拒絕。

密碼找回。當(dāng)用戶忘記密碼或密碼連續(xù)輸入錯誤可按照系統(tǒng)提示進行密碼找回。

注冊新賬戶。新加盟的設(shè)備提供商或制造業(yè)普通用戶可通過登錄界面注冊使用賬戶。

1.3.2 用戶數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

用戶數(shù)據(jù)庫的設(shè)計采用動態(tài)數(shù)據(jù)庫SQL進行搭建,核心是將企業(yè)用戶、普通用戶及后臺管理員賬戶等進行分類管理及使用權(quán)限的賦予,實現(xiàn)后臺管理者對普通用戶和企業(yè)用戶的遠程登錄及技術(shù)支持。通過搭建動態(tài)的SQL數(shù)據(jù)庫列表,實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的動態(tài)更新及調(diào)整,利用加密技術(shù)實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)庫信息的保護及安全高效運行。

1.3.3 工作流程

云平臺管理后臺提供給企業(yè)用戶登錄網(wǎng)址,中小工業(yè)機器人企業(yè)用戶可根據(jù)需要進行賬號注冊及登錄,平臺數(shù)據(jù)庫提供密碼找回、賬戶注銷、賬號切換等遠程輔助用戶登錄服務(wù)。當(dāng)企業(yè)用戶注冊登錄賬號后,可根據(jù)操作提示對本企業(yè)的工業(yè)機器人硬件設(shè)備進行資源云化,將企業(yè)內(nèi)部的設(shè)備實現(xiàn)云端化監(jiān)控及管理。

1.3.4 企業(yè)設(shè)備界面

企業(yè)將工業(yè)機器人設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)云端化后,根據(jù)工業(yè)機器人所屬的品牌及功能進行分類管理,目前國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的工業(yè)機器人品牌包括ABB、KUKA、發(fā)那科、安川、華數(shù)、新松等。按照工業(yè)機器人的功能又可劃分為焊接、搬運、涂膠、噴涂等類型。本系統(tǒng)采用同品牌的工業(yè)機器人功能分類,以便用戶在數(shù)據(jù)庫中更便捷地查找所需的工業(yè)機器人設(shè)備信息。

1.3.5 云平臺系統(tǒng)工作流程

用戶成功登錄云平臺系統(tǒng)界面后,普通用戶可操作的設(shè)備界面主要包括設(shè)備目錄、設(shè)備信息列表、添加設(shè)備按鍵、刪除設(shè)備按鍵、遠程控制按鍵、實時監(jiān)視按鍵及往期錄像按鍵。企業(yè)用戶登錄設(shè)備界面后,按照界面的信息提示進行設(shè)備信息錄入,完成新設(shè)備的添加。不同類型的工業(yè)機器人設(shè)備參數(shù)可根據(jù)詳細參數(shù)界面對工業(yè)機器人各類參數(shù)進行添加,以便區(qū)分不同工業(yè)機器人設(shè)備的使用精度及應(yīng)用范圍。

1.3.6 設(shè)備添加界面的設(shè)計

添加設(shè)備界面中主要添加設(shè)備的基本信息,包括設(shè)備所屬企業(yè)、機器人設(shè)備命名、機器人所屬品牌、設(shè)備類型、運行速度、設(shè)備精度及設(shè)備的運行狀態(tài)等基本信息,方便用戶了解設(shè)備的基本狀況。設(shè)備數(shù)據(jù)庫是由中小企業(yè)群體共同接入添加而來,工業(yè)機器人設(shè)備云端化操作步驟如圖1所示。

1.3.7 遠程控制功能

工業(yè)機器人遠程控制的核心基礎(chǔ)是企業(yè)工業(yè)機器人與其他硬件設(shè)備的遠程接入及工業(yè)機器人的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化,將工業(yè)機器人的設(shè)備數(shù)據(jù)信息進行實時動態(tài)云端化,形成設(shè)備數(shù)據(jù)資源池,通過計算機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)對工業(yè)機器人設(shè)備的遠程控制及管理[11]。中小企業(yè)云平臺可模擬和仿真企業(yè)生產(chǎn)制造場景,實現(xiàn)生產(chǎn)線的智能管理。在對不同設(shè)備進行遠程控制時,賦予每臺設(shè)備不同的IP地址及通信地址,云平臺可實現(xiàn)計算機資源虛擬化,批量化的云計算機可實現(xiàn)對企業(yè)大量設(shè)備的管理及控制。用戶使用一臺計算機就可實現(xiàn)對大量設(shè)備的遠程監(jiān)測及控制,進一步降低了企業(yè)生產(chǎn)運行成本,實現(xiàn)了對企業(yè)設(shè)備的智能網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)監(jiān)控及管理。

2 測試設(shè)備的搭建

測試實驗方案以該工業(yè)機器人的焊接機器人為例進行搭建(如圖2所示),其中計算機A可實現(xiàn)對工業(yè)機器人的連接與控制。安裝在機器人設(shè)備上的各類傳感器及監(jiān)控設(shè)備可將采集到的工業(yè)機器人信息數(shù)據(jù)通過信息通道傳輸?shù)接嬎銠C,計算機通過網(wǎng)絡(luò)將工業(yè)機器人數(shù)據(jù)進行云端化傳輸?shù)街行∑髽I(yè)工業(yè)機器人遠程控制平臺,普通用戶可通過遠程計算機訪問云平臺,實時查看工業(yè)機器人的設(shè)備信息及加工運動狀態(tài)。

圖2 設(shè)備搭建

遠程監(jiān)控與遠程控制是工業(yè)機器人設(shè)備在加工運行過程中的關(guān)鍵功能,當(dāng)運動傳感器或視頻采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常范圍,平臺第一時間發(fā)出預(yù)警信息,工作人員可及時查看工業(yè)機器人的加工運行信息,當(dāng)判斷為情況異常則遠程停止工業(yè)機器人的運行,若為傳感器采集數(shù)據(jù)異常而實際加工運行無問題,則可取消報警信息,工業(yè)機器人繼續(xù)正常工作。

溫濕度采集功能是遠程監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分。溫濕度是影響工業(yè)機器人運行的重要因素,溫度過高會導(dǎo)致工業(yè)機器人的壓縮機散熱受阻,空壓機受熱保護會自動停機。溫濕度對于焊接機器人的加工運行會造成一定的影響,常見的熱脹冷縮、縮孔縮松等缺陷均與溫濕度等參數(shù)有一定的關(guān)系,環(huán)境中的溫濕度信息采用實時數(shù)據(jù)采集界面和單次采集界面,用戶可隨時查看采集到的企業(yè)車間溫濕度數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)對溫濕度信息的控制,用戶可采用單次采集的方式,對于工業(yè)機器人加工環(huán)境溫濕度要求不高的場景也可采用此界面。

根據(jù)實測結(jié)果,中小企業(yè)工業(yè)機器人云平臺實現(xiàn)了硬件設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、遠程視頻信息提取、采集數(shù)據(jù)云端化、IP分配、普通及后臺用戶登錄、數(shù)據(jù)傳輸、用戶對工業(yè)機器人設(shè)備的遠程狀態(tài)查看及控制,基本實現(xiàn)了需要測試的功能,后期將對采集到的數(shù)據(jù)信息時效性進行進一步拓展,確保平臺長時間的穩(wěn)定運行。