基于PLC及云平臺的生產線監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘 要：針對工業(yè)自動生產線系統(tǒng)功能越來越復雜，龐大的數(shù)據在本地服務器中存在傳輸速度慢、不穩(wěn)定、遠程操作困難等問題，設計了一條基于工業(yè)物聯(lián)網云平臺技術的自動化柔性生產線，利用傳感器及PLC對現(xiàn)場數(shù)據進行采集，利用智能網關、Node-RED環(huán)境、MQTT技術、數(shù)字孿生技術等在騰訊云服務器上搭建工業(yè)物聯(lián)網生產線監(jiān)控平臺，將傳統(tǒng)的生產線通過智能網關與騰訊云平臺互聯(lián)。文中詳細介紹了系統(tǒng)的網絡架構、生產線的結構功能、通信系統(tǒng)的數(shù)據采集和傳輸原理、實現(xiàn)遠程監(jiān)控的具體方案。數(shù)據傳輸實驗證明：云平臺服務器在數(shù)據傳輸實時性方面存在約0.2 s的延遲，雖在傳輸誤差允許范圍內，但面對大量的生產數(shù)據，該系統(tǒng)在傳輸能力、穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢，總體性能優(yōu)于本地服務器，滿足了工業(yè)生產線對于遠程監(jiān)控的設計要求。

關鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網；智能網關；Node-RED；MQTT技術；云平臺；PLC

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-05

0 引 言

隨著自動化生產線規(guī)模的不斷擴大，內部設備眾多，導致管理人員難以隨時隨地掌握工業(yè)現(xiàn)場設備的運行狀

態(tài)[1]。目前的生產線主要存在單臺設備之間信息無法互聯(lián)、整體遠程監(jiān)控不便、生產過程中歷史數(shù)據無法高效存儲及利用等問題[2-3]。因此，研究將現(xiàn)場生產設備采集的數(shù)據及運行狀態(tài)高效穩(wěn)定地傳輸?shù)竭h程端進行遠程監(jiān)控十分必要。傳統(tǒng)的解決方案是將不同設備的通信協(xié)議進行整合，將數(shù)據傳送到本地服務器，但該方法需要編寫大量通信協(xié)議，過程繁瑣。由于PLC作為一種控制器，其數(shù)據傳輸能力有限，加上本地服務器承載能力的限制，因此在傳輸數(shù)量龐大的數(shù)據時存在實時性及穩(wěn)定性差等問題，也存在設備隨時宕機的危險。隨著各行業(yè)對生產線的信息化和智能化需求不斷增加，工業(yè)物聯(lián)網相關技術使生產設備之間的數(shù)據實現(xiàn)了高效的互聯(lián)互通及遠程監(jiān)控，打破了設備與用戶之間的時空限制，加快了企業(yè)生產模式的轉型。

本文設計了一種基于工業(yè)物聯(lián)網技術的自動化生產線云平臺系統(tǒng)。采用西門子IoT 2050智能網關實現(xiàn)生產現(xiàn)場與騰訊云的數(shù)據鏈接；利用內嵌Node-RED可視化編程語言實現(xiàn)各類數(shù)據之間的通信；采用MQTT協(xié)議解決了PLC與云端的實時通信問題；通過云端服務器進行數(shù)據處理以及遠程監(jiān)控，實現(xiàn)了云平臺在自動生產線上的應用。

1 系統(tǒng)整體架構設計

本文設計的遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制層、通信組網層和工業(yè)云遠程監(jiān)控層組成。系統(tǒng)以IoT 2050為核心器件，實現(xiàn)了現(xiàn)場控制層、通信組網層和工業(yè)云監(jiān)控層的互聯(lián)互通，具體架構如圖1所示。

系統(tǒng)中的現(xiàn)場控制層以PLC為主控制器，觸摸屏作為本地上位機監(jiān)控的主要手段，與PLC采用工業(yè)以太網進行網絡連接，在博圖軟件的網絡拓撲圖中選擇HMI連接，將PLC網口連接至上位機進行數(shù)據交互。通信組網層主要以西門子工業(yè)網關IoT 2050作為云服務器與底層數(shù)據庫之間的數(shù)據交互渠道，在Node-RED節(jié)點編程軟件中通過MQTT通信協(xié)議將PLC數(shù)據交互節(jié)點、騰訊云服務器的上傳與下發(fā)節(jié)點進行連接，便于現(xiàn)場設備與云服務器進行數(shù)據交互。數(shù)據交互原理如圖2所示。

2 現(xiàn)場層控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)工藝流程設計

本文設計的自動生產線能夠實現(xiàn)產品的自動裝配、分揀及入庫，并手動取出對應編號的產品。系統(tǒng)通過TIA Portal V16與數(shù)字化工廠軟件Factory I/O進行聯(lián)合仿真與調試，經測試，本系統(tǒng)能夠完成產品原始物料的自動上下料、自動組裝、分揀及入庫等。具體產品的組裝步驟如下：

（1）進料傳送帶將預型體B傳送至裝配區(qū)域，夾持器夾緊物料準備裝配，相機識別到底蓋的類別后，機器人將對應類別的預型體A拾起和預型體B進行裝配；

（2）產品裝配完成后進入分揀傳送帶，相機識別產品的類型，當產品經過對應卡口的傳送帶時，由可調整角度的動力面壁分流器將物品轉移至對應產品分類的傳送帶上；

（3）當產品傳送至分揀傳送帶末尾的擋板時，機器人會將物品吸起并轉移至滾筒傳送帶上，由滾筒傳送帶將其轉移至產品立體倉庫起重機的準備位置；

（4）產品轉移至立倉起重機的工作區(qū)域后，起重機從主控PLC中獲取當前存放位置的坐標，通過坐標順序將產品放置在空的立體倉位中；

（5）當需要取出對應倉位的產品時，通過工人在上位機面板上輸入取貨號，立倉起重機根據取貨號解析當前取貨坐標，并取出對應貨物。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

本生產線系統(tǒng)主要由S7-1515T-2PN PLC、光電傳感器、傳送帶限位傳感器、視覺傳感器、傳送帶、三軸機械手等核心硬件構成，硬件結構如圖3所示。

選擇S7-1515T-2PN作為該生產線的主控PLC，S7-1515T-2PN PLC采用模塊化與無風扇設計，容易實現(xiàn)分布式結構。適用于大中型應用的運動控制型CPU憑借運動控制功能，可以穩(wěn)定控制生產線上的設備。S7-1515T-2PN PLC擁有2個Profinet I/O通信接口[4]以及3.75 MB的工作存儲器，位運算處理時間為30 ns。

為滿足系統(tǒng)工藝的控制要求，采用型號為CU320-2PN的S120伺服驅動器。SINAMICS S120電機驅動系統(tǒng)采用獨立的電機驅動單元和控制單元，可以完成各類不同的驅動任務[5]。根據要控制驅動的電機數(shù)量以及所要求的性能來選擇控制單元，而電機模塊單元的選擇則須滿足系統(tǒng)對能量的要求。控制單元和驅動單元之間采用數(shù)字化系統(tǒng)接口DRIVE-CLiQ連接。選擇的伺服電機為SIMOTICS S-1FL6，該伺服電機與CU320-2PN驅動控制單元搭配使用[6]。

經過對生產線物料和產品的配重分析，傳送帶部分使用的電機型號為Y2VP80-450系列的G-80A，功率為0.75 kW。電機由PLC進行開關控制，通過中間繼電器實現(xiàn)交直流隔離。

2.3 PLC程序及HMI設計

本生產線的主控制器為西門子S7-1515T-2PN PLC，控制程序設計主要采用模塊化結構。程序主要由Main主程序、軸控制程序、組裝工位程序、分揀工位程序、運輸帶程序、入庫與出庫程序以及存儲過程中的用戶數(shù)據等組成。其中，生產線的功能模塊含有伺服機器人周期工作循環(huán)控制的主程序；運動軸控制模塊含有控制機械零部件擺放、伺服機器人運動的程序；DB數(shù)據塊用來儲存程序數(shù)據，確保生產加工的標準化；自定義用戶數(shù)據包括數(shù)據類型的定義、封裝功能的命名等。自動化生產線的部分程序模塊及數(shù)據清單如圖4所示。

觸摸屏采用SIMATIC HMI TP700 Comfort面板，主要包括變量設計、主界面、機械手軸參數(shù)設定界面、立體倉庫監(jiān)控界面等。主界面及機械手軸參數(shù)設置界面如圖5、圖6所示。

2.4 Factory I/O環(huán)境搭建

利用Factory I/O仿真模擬軟件建立了一條產品裝配生產線，該生產線包括機械裝置模型、產品模型、機器人模型系統(tǒng)等[7]。在建立該裝配生產線時，首先對每臺機器進行空間上的合理布置；其次建立一種具有接近傳感器的吸盤式機械臂結構，在此基礎上提出一種基于運動控制的運動軌跡規(guī)劃方法，并對運動軌跡和生產節(jié)拍進行協(xié)同控制；最后配置好仿真系統(tǒng)的環(huán)境和驅動連接，完成仿真軟件與PLCSIM Advanced S7的通信連接。

由于Factory I/O軟件的三維建模能力有限，通過軟件內置的組件將生產線搭建出來后，在Factory I/O軟件中布置產品生產線所包含的各機械設備的空間布局。產品組裝生產線空間布置格局如圖7所示，主要包括產品組裝工作站（白色箭頭所示）、產品分揀工作站（黑色箭頭所示）、產品倉儲工作站（灰色箭頭所示）。

3 通信系統(tǒng)設計

3.1 硬件選型

通信設備主要采用西門子智能網關IoT 2050，該系列產品主要用于工業(yè)互聯(lián)網環(huán)境的搭建，與西門子PLC有良好的數(shù)據交互能力[8-9]。該產品用于直接在生產環(huán)境中采集、處理和傳輸數(shù)據，可在50 ℃環(huán)境中以及惡劣環(huán)境條件下連續(xù)運行，具有較高的魯棒性、擴展性。內置基于ARM架構的Cortex A53四核處理器，主頻為1.1 GHz，集成了2 GB內存，可滿足大數(shù)據分析、邊緣計算等需求，并且支持4G/5G網絡連接。作為可自由編程的數(shù)據網關，IoT 2050可以建立現(xiàn)場與云之間的接口，協(xié)調各數(shù)據源間的通信，然后對數(shù)據進行分析并將數(shù)據轉發(fā)至適當?shù)慕邮辗健oT 2050在工業(yè)物聯(lián)網環(huán)境搭建中發(fā)揮著巨大的作用，例如構建一系列易于改造且經濟高效的解決方案，在現(xiàn)有系統(tǒng)中連接附加傳感器并進行數(shù)據收集和傳輸，得出預防性維護方案，協(xié)調不同機器和自動化組件之間的通信等。

3.2 軟件應用

3.2.1 Node-RED軟件

IoT 2050智能網關支持Node-RED軟件編程，該軟件采用可視化編程方法，是一款開源的應用程序開發(fā)工具[10]。將硬件與Web服務器進行連接，將控制器、執(zhí)行器、傳感器等現(xiàn)場硬件快速接入后進行應用程序開發(fā)，最終實現(xiàn)數(shù)字可視化遠程監(jiān)控功能。

3.2.2 MQTT協(xié)議

MQTT即消息隊列遙測傳輸協(xié)議，其優(yōu)點在于只需一些簡單的代碼和有限的帶寬就可實現(xiàn)設備與設備的互聯(lián)，而物聯(lián)網要求在沒有服務器進程的情況下實現(xiàn)不同設備的信息交互，因此MQTT協(xié)議成為工業(yè)物聯(lián)網必不可少的一部

分[11-12]。采用該協(xié)議配合IoT 2050可將大部分設備連接起來，完成底層數(shù)據采集工作。MQTT支持市面上常用的Linux、Windows、Mac等操作系統(tǒng)，支持訂閱和退訂消息[13-14]。MQTT服務端可以是一個設備也可以是一個手機，手機和設備都可以由MQTT客戶端主動建立連接和斷開連接。

3.3 數(shù)據連接及應用

實現(xiàn)數(shù)據連接的主要步驟如下：

（1）在硬件層面將PLC與智能網關進行正確連接，然后分別在本地及云平臺對網關的采集參數(shù)進行配置；

（2）在Node-RED軟件中，進入MQTT網關的Web界面，根據網關表建立MQTT網關信息；

（3）配置采集PLC數(shù)據變量模板表，添加設備信息，定義通信參數(shù)和采集周期；

（4）將設備和變量信息部署到MQTT網關，完成數(shù)據采集傳輸?shù)恼w部署。

通過智能網關IoT 2050將PLC采集的數(shù)據傳輸?shù)皆破脚_，在PC或移動終端對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控，而云平臺也可以將指令通過智能網關IoT 2050下發(fā)給PLC，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制。

通過生產線相應的傳感器檢測模塊檢測并計算生產線倉庫中A、B、C 3類成品的數(shù)量，并實時檢測組裝、分揀傳送、儲存3個子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，借助PLC及IoT 2050智能網關將采集的變量信息傳輸?shù)轿锫?lián)網云平臺。云平臺接收并處理數(shù)據，根據數(shù)據的實時變化，分別繪制出3類產品在倉庫中的數(shù)量變化曲線圖，并且實時顯示組裝、分揀傳送、儲存的3個子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，方便運維人員實時查看。

4 生產線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據傳輸

4.1 數(shù)據傳輸實驗驗證

通過在瀏覽器中輸入IoT 2050的IP進入Node-RED環(huán)境部署騰訊云節(jié)點，輸入事先建立好的騰訊云三元組信息，便可連接到騰訊云端，在網關查詢表格中配置MQTT信息，添加S7、數(shù)據庫等節(jié)點以及需要采集數(shù)據的PLC，接著部署變量信息至MQTT網關。之后運行智能化小型生產線，MQTT開始采集PLC監(jiān)控表中的數(shù)據變量信息，再將其發(fā)送至云平臺，云平臺將數(shù)據存儲至數(shù)據庫后便可以進行歷史查詢、數(shù)據導出等。也可通過騰訊云平臺下發(fā)指令，經Node-RED中的S7-OUT節(jié)點傳輸至控制器，進而控制生產線的運作。數(shù)據傳輸流程如圖8所示。

4.2 數(shù)據傳輸性能分析

利用MQTT傳輸協(xié)議將工件加工個數(shù)分別傳輸至云平臺和本地服務器，數(shù)據傳輸情況如圖9所示。通過對用時進行對比分析及計算，發(fā)現(xiàn)云平臺與本地服務器的數(shù)據傳輸平均延時相差約0.2 s，在傳輸誤差允許范圍之內。在傳輸速度方面云平臺雖然略有延時，但云平臺的數(shù)據處理和數(shù)據存儲能力遠遠超出了本地服務器，MQTT通信自帶脈沖刷新功能，可保證數(shù)據更新速率。綜合考慮信息傳輸速率、數(shù)據存儲、數(shù)據處理及遠程操控性能等特點，基于云平臺的生產線監(jiān)控系統(tǒng)相對于基于本地服務器的監(jiān)控系統(tǒng)綜合性能更強，更符合現(xiàn)代工業(yè)體系中對信息化、智能化、網絡化的要求。

5 結 語

本設計通過PLC控制器、伺服電機、傳感器及智能網關等硬件搭建了一個基于工業(yè)互聯(lián)網的生產線監(jiān)控系統(tǒng)，將產品數(shù)據及設備狀態(tài)數(shù)據實時傳送到云端，實現(xiàn)了多設備之間的互聯(lián)互通、數(shù)據交互和可視化，解決了本地服務器數(shù)據傳輸不穩(wěn)定、存儲量有限等問題。通過數(shù)據傳輸實驗證明：生產設備數(shù)據能夠及時傳輸至云平臺，而工作人員也可通過PC或手機及時下發(fā)指令給現(xiàn)場設備，整個傳輸過程具有消耗時間短、數(shù)據傳輸穩(wěn)定等特點，實現(xiàn)了生產線系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。同時，云服務器中儲存的大量歷史數(shù)據也有助于技術開發(fā)人員進行相關分析，為后期設備升級或故障診斷提供依據。本設計的不足之處為未對傳輸過程中的網絡安全問題做深入研究，這是系統(tǒng)運行過程中必須考慮的問題。

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