基于工业互联网的热冲压生产线监控系统的研究及应用

苏志同

【摘 要】随着汽车轻量化的发展，高强钢热成形工艺的发展和普遍应用，对热冲压成形生产线也提出了新的要求。在保证生产线高效运行的同时，生产过程中的安全性、自动化设备的工作状态及工作人员安全都能够通过实时监测和智能分析好得到更大的保证。

【关键词】高强钢热成形;热冲压生产线;安全性;网络视频监控;生产线特征识别

中图分类号：TP27 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）15-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.018

Research and Application of Monitoring System for Hot Stamping Production Line Based on Industrial Internet

SU Zhi-tong

（Qingdao Kingerobot Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266000，China）

【Abstract】With the development of automobile lightweight，the development and universal application of high-strength steel hot forming process has also put forward new requirements for hot stamping forming production lines.While ensuing the efficient operation of the production line，the safety in the production process，the working state of the automation equipment and the safety of the staff can all be ensured through real-time monitoring and intelligent analysis.

【Key words】High-strength steel hot forming; Hot stamping production line; Safety; Network Video Monitoring; Production line feature recognition

高强钢板热冲压生产线是有伺服压力机、多层箱式炉和自动输送系统组成。坯料被机械手拆垛，送进加热炉。被加热坯料（900-950°C）被机械手送到压力机模具上。压力机合模（坯料成形）-保压（冷却淬火）后，零件被出料机械手从模具上取出，放在传送带上。高强钢板从500-700MPa经过成形强化，达到1500MPa。热坯料在机械手输送过程中做空间曲线运动，机械手与机械手、机械手与压力机呈协同工作状态。尽管自动控制系统考虑了安全控制的各种控制策略的应用，但是建立独立的传感器网络监控系统，以提高热冲压生产线的输送监控对安全生产是必要的。

1 监控系统的设计

传统的生产安全主要是通过人直觉和经验判断，缺乏稳定和可靠性。根据实际需要，从热冲压工艺过程和安全性角度将生产线分为安全区、危险区和高危区，采用工业互联网络视频监控的方式来监控运动系统的稳定性和环境状态。

网络视频监控系统是通过网络连接的方式将网络数字摄像机连接起来，通过控制手段对其控制采集视频，实时显示生产线运行状态的系统。视频监控系统基本原理包括压缩、编码以及采集，同时还有网络传输。视频监控系统主要包括摄像部分、传输部分、显示部分以及控制部分。在互联网的数据传送方式下，实现视频数据的快速和实时传输是系统的技术关键。应考虑从压缩技术和网络结构方面分析视频快速传输的方法，提出的解决方案。

2 工业互联网架构及视觉监控系统

2.1 热冲压生产线的安全行为分析

在对热冲压生产线安全性分析之前，首先对热冲压中可能出现的危险进行分类分析。

2.1.1 機械运动碰撞

机械危险是指由于机器零件、工具以及生产线中可能产生伤害的物理因素的总称。产生机械危险的主要因素一般在运动交接位置、机械不稳定抖动，或者输送坯料从卡爪中脱落。这些机械危险是自动化生产中的潜在危险，影响生产线的安全，造成事故停机，甚至可能对人员造成伤害。

2.1.2 高温危害

加热炉的进出料的机械手，长时间、连续进出炉，受高温环境加热。坯料出炉的高温热辐射对周边设备的影响都会影响了生产线的安全运行。

2.1.3 振动危险

热冲压生产线，尽管机械伺服压力机工作较平稳，但进行冲压过程会产生振动。送料机器人在高速输送过程中，可能由于设备控制和机械结构不稳定性，导致设备产生振动。

2.2 热冲压生产线安全性区域分析

根据以上的分析，在热冲压生产线中存在各种各样的危险和安全隐患。通过分类分区，为视频监控提供建模基础。将热冲压的整个车间分为三个区域：黑色所在的矩形区域为整个生产车间，也就是厂房;黄色矩形所在的区域为围栏区域，围栏上设有安全门;红色区域为各设备围成的中间的狭小区域。按危险的程度不同，将生产线安全区域分为安全区、危险区以及高危区。

安全区域因为有安全围栏的保护，不易发生危险事故，属于车间的安全区。在该区域有人工通道和叉车专用通道。危险区域包含有热冲压生产设备和自动输送机械手。在该区域会发生振动危险、噪音危险以及机械危险。在连续生产的过程中，一般不允许工作人员进入此区域。

高危区域面积狭小，是热冲压生产的关键区域，但是也属于热冲压产线的高度危险区域，在该区域可能会发生机械危险和热危险，是安全性最差，也是最应该关注的区域禁止操作人员随意进出。

2.3 热冲压生产线系统的故障模型

在热冲压生产过程中，一般有两种故障形式：（1）可修复故障，如空冷时间过长致使板料冲压温度不够、输送过程产生叠料、等，一般可按废料处理来执行机械手操作解決，不会影响生产线的连续生产。（2）严重故障，如机械手运行过程中和加热炉、压力机发生碰撞，机械手运行出现运动轨迹错误等，这些故障将导致生产线停运检修，无法通过自动化控制来快速解决，并且修复这些故障可能需要很长的时间。通过视频监控技术，可以回放故障发生的过程，快速辅助判断故障产生的原因。

2.4 热冲压生产线视频监控高清视频传输

数字视频采集主要线通过前端摄像机进行采集，将采集到的模拟信号进行A/D转换，然后再采用数字信号进行网络传输，数字信号传输过程往往还伴随着视频的压缩处理。网络监控包括现场设备层、控制层和信息层。设备层是监控网络的最底层，面向各种电子设备，底层设备要求可靠性高。控制层属于中间层，控制层与设备层和信息层都相连，通过网络传输设备，需要高传输速率和高实时性。信息层属于最顶层，通信可以更加广泛，可利用互联网、数据库等技术，属于数据量较大的系统。网络监控属于分布式离散化的系统。不同层之间通过网络进行通信，网络传输减少了这样的一个差异性。

热冲压生产线中，为了更好地将视频监控系统和总控系统进行互联，采用工业互联网的网络的连接方式，网络传输采用双绞线，但是热冲压现场环境恶劣，电磁干扰较多，部分区域采用光纤传送。

采用OPNET仿真研究了采用交换机星型结构和压缩技术可实现快速实时性视频传输，高清视频是指视频格式在720P以上的视频显示，包括720p、1080p以及1080i。目前，主要的高清系统主要采用IP化压缩网络视频的方式解决，也就是采用高码流的传输方式。根据热成形生产线高清视频监控的研究设计，采用多路高清网络摄像机和一个交换机组成的传输模型，网络摄像机高清视频为720P和1080P。交换机背板带宽设计要求交换机的背板宽带大于等于总宽带，即满足C≤G。最后计算包交换率，要求网络交换机的包交换率至少大于此计算的包交换率。

2.5 热冲压生产线视频监控的安全生产实现

从生产线中复杂的零件中提取出有用的信息是关键。视频由一帧一帧在时间上连续的图像组成，即通过处理图像中的信息就可以实现视频信息的实时处理，能够快速识别出物理对象中的位置和运动趋势等重要信息。成功构建了高强钢板热冲压生产线的互联网视频监控系统，实现了在安全区对高危险区域的实时监控。该系统可以通过互联网实现长周期远程监控，或无线联接手机应用客户端监控。

该系统在多条生产线上投入运行，对提高生产安全性有良好的保障作用。同时，对意外故障，可以从循环数据库中提取视频记录，用于故障的重现和分析，从而优化改善生产线的总控制系统

3 结语

热冲压生产线网络视频监控系统需要满足实时显示、视频回放和图像抓拍的功能。根据视频监控系统的原理和热冲压生产线的安全性要求，成功开发了生产线的网络视频监控系统，实现了在安全区域对危险区域的实时监控。根据视频监控系统，提出了采用视频监控图像特征的识别方法，快速提取了热冲压生产线设备运动位置，并实现了运动机构的位置及输送装置的运动干涉识别，实现了安全碰撞避让控制。

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