基于数字化测量的智能制造生产线控制系统设计与实现

李俊良

基于数字化测量的智能制造生产线控制系统设计与实现

李俊良1,2

（1.广东省计量科学研究院 2.广东省现代几何与力学计量技术重点实验室）

根据实际需求构建涵盖工业4.0要素的智能制造生产线控制系统，实现从定制化订单发起到加工成品入库的全过程智能化生产。基于数字化测量（信息产生）、信息交互、信息利用等关键技术，设计智能制造生产线控制系统架构，结合MES、立体库、AGV、工业机器人、RFID和机器视觉等技术，完成生产线智能制造过程。经现场运行验证：系统运行正常，功能完备，实现了预期设计目标。

智能制造；MES；信息流；数字化测量

0　引言

智能制造是面向产品全生命周期，实现泛在感知条件下的信息化制造。在传统生产自动化基础上对生产理念及生产方式提出全新的要求，其中非常重要的一点是对生产信息的全面感知。数据和信息是智能制造中流动着的“血液”，数字化将数据转变成信息，通过网络化和智能化决策，创造有用的价值。因此，智能制造或工业4.0都是由数据驱动的[1]。

传统的自动化企业专注于设备级的自动化实现，但对上层SCADA/MES/ERP等系统不熟悉，致使忽视生产线信息的数字化获取及生产信息的横向、纵向流动[2-3]。MES/ERP等软件系统企业专注于上层系统级的数据分析与调配控制，对于底层型号各异的执行设备和控制器等硬件设备以及控制方式难以涉及，影响信息纵向流动。通过数字化测量实现制造信息（关键参数）的数字化获取及流转，可打通上层系统与底层产线之间的阻隔，释放已有的优质生产力，加快我国制造业发展进程[4]。

本文结合实际项目，设计基于数字化测量的智能制造生产线控制系统，借助于OPC-UA、PROFINET协议转换等技术，实现所有设备信息统一通过工业以太网传输流动，赋予MES较大的自由度与控制系统进行信息交互。

1 　系统构成

生产线用于生产定制化工业机器人模型，模型零件由3D打印完成。系统加工物料包括模型零件、包装盒等，加工物料存放于立体仓储的指定区域；订单由客户Web页面发起，可定制材料颜色、模型规格、Logo图案、签名等内容；系统按照订单需求自动完成物料运输、装配、激光打标、质量检测、成品包装和入库存储等加工环节；客户可凭系统生成的二维码在立体仓储取回加工好的产品。

生产线线体采用U型双层流水线设计，上层流转治具盘承载物料进行装配、打标、检测和包装等环节；下层回流空治具盘，完成治具盘流动循环。生产线线体及设备构成如图1所示。

图1 　生产线线体及设备构成示意图

立体仓储与加工生产线之间的物料流转环节通过AGV机器人完成，包括加工物料、包装材料运送和成品运输；装配环节由6轴单工位双工装工业机器人完成，可完成组装与次品修复功能；定制打标环节由激光打标机完成，可打印客户定制签名、Logo和二维码等标识，打标内容由系统自动匹配订单并传送打标机完成；外观检测由6轴单工位工业机器人配合视觉检测系统完成，可完成产品多处关键位置加工及外观检测，如有NG情况将自动夹取至返修线[5]；包装环节由6轴单工位双工装工业机器人完成，可将检测完好的加工品自动装入包装盒，并放置于下料缓存位置，通知AGV运送至立体仓储。

MES实时读取中控PLC及各系统状态，并通过大屏幕展示实时数据：立库实时看板展示仓储情况；计划达成看板展示订单完成情况；设备监控看板展示工业机器人工作状态；工艺看板展示品质分析与线平衡、二维码追溯展示流程生产及检测信息等。

2　控制系统设计与搭建

2.1 　控制系统分层

控制系统分3层设计：MES层位于顶层，负责订单管理、制造过程调度和监控；控制层为中间层，负责数据采集、流动及控制任务；设备层为最底层，负责执行相关动作与任务[6]。具体结构如图2所示。

控制层采用PLC作为主控制器，选型S7-1500系列PLC，其支持工业以太网接口，内置OPC-UA服务器。设备统一采用工业以太网相连，就地进入工业交换机，并采用分布式I/O模块，通过PROFINET相连。针对无工业以太网接口的设备，如已选工业机器人仅支持RS-485接口，采用PROFINET网关模块。该模块可自动将配置的Modbus询问报文发送给连接设备，并将设备回复的数值通过PROFINET映射至PLC的内部I/O区域，最快可支持毫秒级的连续问询。统一采用工业以太网进行数据传输可提高通讯可靠性，同时星型连接结构可减少故障线路对其他设备的影响。

MES通过OPC-UA协议与主控PLC进行数据交互，设计基于标识位触发的数据交互协议。MES可自由读取所有生产信息或直接控制中控系统完成模块化功能及底层部件动作控制，增强系统柔性，便于后期功能扩展。

加工工艺模块化设计，使得控制层可与MES相连完成系统订单任务，也可脱离MES脱机工作，在系统内部进行资源智能化调配完成智能化生产任务。

2.2　控制流程

客户发起加工需求后，MES通过互联网接口获取客户定制内容从而生成订单，同时生成唯一的订单号。立体仓储系统根据订单内容，控制巷道机器人取出对应的物料盘，同时MES发送指令给AGV前往立体仓储接驳码头取下物料盘并运送至生产线。AGV就位后，生产线的伺服系统将物料盘从AGV上取下，并根据加工情况放置于对应的物料缓存区域。

生产线线体采用上下双层传送带，治具盘在传送带上流转，每个治具盘上都镶嵌RFID标签，每个加工工位处都设有RFID读写器。加工线体共设有5个不同的加工工位：装配工位、激光打标工位、视觉识别工位、回流返修工位和包装工位。当治具盘流转到某加工工位时，传送带下的顶升气缸会将治具盘顶升，使之脱离传送带，同时RFID读写器读取治具盘RFID信息，MES根据加工信息决定下一步的加工动作。具体生产线加工控制流程如图3所示。

图3　生产线加工控制流程图

3 信息产生及流通机制构建

3.1 　RFID

RFID标签可读可写，是理想的信息流转载体。在流水线上循环流转的治具盘中镶嵌有RFID标签，标签中除了含有订单信息、治具盘ID和产品SN号等信息外，还包含每个工位的加工信息及加工结果。在到达加工工位时，读写器读取到该物料的加工履历，由系统根据加工履历及订单情况决定下一步动作，提高了系统的柔性及容错能力。具体流转信息内容如图4所示。

3.2　生产线加工信息

生产线加工信息可由机器视觉、QR读码器、光纤传感器、磁性开关、光电感应开关、光电编码器、接近开关、激光测距传感器和压力传感器等传感器件信号，通过特定的组合或计算获取。主控PLC采集并分析计算可获取系统状态、加工治具位置、伺服机构位置、产品加工履历、产品检测NG类型及返修履历、产品生产周期、加工时间及操作结果、上料缓存各工位状态、下料缓存位工件数和包装上料缓存位工件数等。生产线加工信息直接存放在PLC内部存储空间内，通过设置信息更新标志位，通知MES读取相关存储区域数据。

3.3　机器人状态信息

机器人状态信息可通过机器人指令获取并存储于机器人内部寄存器中。采用PROFINET网关可将机器人内部寄存器信息实时扫描，并将运行参数映射至主控PLC内部I/O缓存区域。经计算可获取机器人加工时间/空闲时间、机器人当前姿态、轴角度、运行速度、扭矩、角度（位置）和坐标位置等参数。同时，主控PLC可通过PROFINET网关以约定的协议设定机器人相关内部寄存器数据，实现控制机器人执行不同功能模块的动作。MES可通过OPC-UA协议读取PLC相关存储区域获取机器人状态信息。

图4　信息产生及流转示意图

3.4　视觉检测信息

机器视觉系统通过标志位触发决定与机器人进行数据交换的时机。检测结果以约定格式映射至机器人寄存器中，包括装配缺陷、紧固螺丝漏打、外观缺陷和本体颜色等。主控PLC通过PROFINET网关实时扫描机器人寄存器获取检测结果信息。

4　系统实现与运行

控制系统与各系统成功对接并运行，实现了既定的控制目标与期望的信息交互。系统可接受定制化订单实现无人化生产，生产线控制系统实际运行如图5所示。

5　结语

本文结合当前智能制造领域的新趋势新技术，针对工业机器人模型定制生产线，设计并实现了基于信息流的智能制造生产线控制系统。基于该框架开发的智能制造生产线控制系统，可对生产过程进行智能化操作，实现柔性制造，注重生产加工数据信息的产生与自动流动，能够较好地满足企业对生产线改造提升的需求。

图5 　生产线控制系统实际运行图

[1] 苗圩.中国制造2025与德国工业4.0异曲同工[J].装备制造, 2015(6):22.

[2] 唐堂,滕琳,吴杰,等.全面实现数字化是通向智能制造的必由之路——解读《智能制造之路:数字化工厂》[J].中国机械工程,2018,29(3):366-377.

[3] 吕慧,夏虹,马笑,等.数据驱动的工业互联网解决方案[J]. 西安邮电大学学报,2018,23(3):104-110.

[4] 王耀南,陈铁健,贺振东,等.智能制造装备视觉检测控制方法综述[J].控制理论与应用,2015,32(3):273-286.

[5] 张泉灵,洪艳萍.智能工厂综述[J].自动化仪表,2018,39(8): 1-5.

[6] 梁盈富,祝战科.汽车轮毂生产线智能制造系统总体架构的设计与研究[J].工业仪表与自动化装置,2018(4):61-64.

Design and Implementation of Intelligent Manufacturing Production Line Control System Based on Digital Measurement

Li Junliang1,2

(1.Guangdong Institute of Metrology 2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology)

An intelligent manufacturing system covering the elements of Industry 4.0 was proposed, realizing the whole process intelligent production from customized order to finished products. Based on key technologies such as digital measurin (information acquisition), information interaction, and information utilization, the intelligent manufacturing control system architecture is designed, combining MES system, WCS, AGV, industrial robot, RFID, machine vision and other technologies. The process is verified by on-site operation: the system runs well, achieving the expected design goals.

Intelligence Manufacturing; MES; Information Flow; Digital Measuring

李俊良，男，1976年生，本科，高级工程师，主要研究方向：信息化。E-mail:13924032866@139.com