基于工业互联网的物料智能包装码垛生产线设计_王俊美.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第1期随着物联网、人工智能、大数据、云计算等技术的不断发展，以及工业4.0的推行落地，越来越多的企业开始加速推动智能化、数字化转型。新冠疫情期间，自动化装配线、柔性加工产线、机器人、智慧立体仓库等自动化智能化程度高的智能制造生产企业在疫情防控和复工复产中表现卓越。在化工、粮食、食品、饲料等物料生产类企业，智能车间、智能工厂对包装码垛的自动化、智能化需求越来越突出，对传统包装码垛生产线进行智能化改造，通过自动控制，实时监控，实现智能化生产和管理，对保障生产安全，提高生产效率有重要意义。1工业互联网概述工业互联网是互联网与5G、云计算、大数据、物联网（IoT）等新一代信息通信技术在工业生产管理中的应用模式。把生产过程中的人员、生产线上的设备、材料产品、控制系统、信息系统等通过网络互联，对工业数据进行采集、计算和分析，在安全的环境中实现工业数字化、智能化发展。工业互联网是工业制造与IT融合形成的新型应用架构，2020年工业互联网产业联盟在工业和信息化部的指导下发布了工业互联网体系架构2.0，提出工业互联网赋能企业过程中涉及的核心技术主要包括制造技术、信息技术和融合技术。工业互联网中工业系统互联和工业数据传输交换依靠的是网络，通过工厂内网和外网把设备层、边缘层、企业层和产业层联系起来，形成实时感知、协同交互的生产模式。工业互联网中传递着各类企业生产管理的信息和数据，网络和数据安全是保障，一个完整的工业互联网应用需要设计网络安全、设备安全、控制安全、数据安全、应用安全等综合安全管理体系。2系统整体架构设计随着市场需求的发展，包装设备自动化水平越来越高。设计采用分布式控制系统，对车间内多条包装码垛生产线进行分散控制，实现自动化生产。对各条生产线、各车间之间的衔接、协调进行集中管理，便于后期产品的储存和销售。同时引入安全控制器和人工智能，使物料包装码垛生产线更加智能化，保证产品质量，提高企业生产效益。2.1系统功能需求分析物料智能包装码垛生产线设计完成的生产技术指标有：每条新生产线的生产效率由原来人工码垛600包/小时提高到1200包/小时。每条新生产线使用工人人数由原来的9到11人减少至3到5人，一个车间4条新生产线同时使用，可减少20人以上。同时新生产线工业机器人码垛采用空间坐标系码垛，能同时码垛不同品种的包装袋，达到多样化生产。通过分布式控制系统中的本地控制单元监控每个工位设备的自动运行，中间层和上位层实现生产线及车间的监控，具有数据和状态显示、故障报警以及自动联锁停机保护等功能，辅以AI识别、安全控制器实现生产线的设备监控、生产过程监控、远程诊断和网络化、智能化管理。2.2系统工艺流程根据系统功能需求分析，设 计 系 统 工 艺 流 程 如 图1所示，主要包括原料混合、称重、包装、质检、装箱和码垛等。2.3系统网络架系统网络架构以罗克韦尔控制系统为主体，实现分散控制和集中管理，整体网络架构如图2所示。选用Allen-BradleyGuard Logix 5570控制器1756-L73S加装1756-L7SP安全协处理器作为上位层控制器，用来监控整个工厂。选用Com-pactLogix5370控制器1769-L24ER-QB1B作为中间层用来基于工业互联网的物料智能包装码垛生产线设计王俊美（江苏联合职业技术学院无锡机电分院，江苏 无锡214028）Design of Intelligent Packaging and Palletizing Production Line Based on Industrial Internet摘要：结合工业互联网的结构特点，针对智能包装码垛生产线功能需求，选用罗克韦尔集成控制与安全的控制器，辅以LogixAI模块搭建了基于工业互联网的系统架构，并在人工智能以及工业安全等方面进行了分析设计，以降低人工劳动强度和人工成本，提高企业生产效率和智能化水平。关键词：工业互联网；包装码垛生产线；人工智能；工业安全Abstract:Combined with the structural characteristics of industrial Internet,according to the functional requirements ofintelligent packaging and palletizing production line,Rockwell integrated control and safety controller is selected,supple-mented by LogixAI module to build a system architecture based on industrial Internet,and artificial intelligence and industrialsafety are analyzed and designed in this paper.To reduce labor intensity and labor cost,and improve the production effi-ciency and intelligence level of enterprises.Keywords:industrial Internet,packaging and stacking production line,artificial intelligence,industrial safety图1系统工艺流程图2系统网络架构37基于工业互联网的物料智能包装码垛生产线设计监控下层测量、配料、打包、装箱、I/O、AGV小车和机器人以及冗余。用Micro820进行称重、温度、湿度测量，用3个Micro850监控配料、打包、装箱等每个工位的情况，各设备间通过工业以太网进行通信，满足系统需求。罗克韦尔集成体系结构采用LogixTM实现跨顺序控制、传动控制、过程控制和驱动控制的集成。将系统所有元器件如控制元件、网络连接元件和可视化元件集成在一起，包装部门可以与批量生产部门和等待使用纸箱的装运部门等进行通信，根据实时情况，迅速调整工作进程。此外，信息还能够从生产部门传送到经营系统，通过实时收集数据提高生产效率并改善客户服务。（1）包装单元控制部分组成及功能包装单元主要完成称重、包装、质检、输送等控制流程。采用罗克韦尔自动化的集成包装体系结构，软硬件配合，允许用户方便配置各个传动轴，并提供关键的动作参数。采用Kinetix驱动器和MP系列低惯性伺服电机，用来驱动机器传动带，可以快速启停，速度控制精确且易于调节。包装单元中的称重部分采用具有自动化接口的称重终端，与控制器相连，结合智能流量控制算法，实现全自动精准称量。装箱部分采用机械手取箱、开箱、封箱，控制器采用AB Micro850，根据工艺要求，控制机械手升降、伸缩、左右移动和抓取等。（2）码垛单元控制部分组成及功能码垛单元主要完成对包装好的物料的码垛，由控制器和码垛机器人组成。控制部分包括CompactLogix5370控制器和ABBIRB460码垛机器人相关的驱动模块、控制模块以及手操器等。ABB IRB460控制模块通过工业以太网与CompactLogix5370通讯，通过信息交互，完成拆垛、搬运和码垛等控制流程。CompactLogix5370作为码垛单元的控制器，根据工艺流程和实际生产状态，控制码垛机器人的工作流程。ABB IRB460控制模块根据工作流程控制要求，通过驱动模块驱动机器人各轴的伺服电机，带动各机械关节完成各个动作，从而完成整个码垛流程的自动控制。机器人码垛单元还可以设计为配合AGV小车构成智能仓储系统，根据实际需求，规划仓库智能配送流程。（3）系统监控界面设计智能控制系统要求能对系统中的设备和工作过程进行实时监控，交互性好，易操作。操作人员能通过监控画面了解设备实时运行状态及相关数据，也可以通过HMI设置设备运行参数，或者发送运行指令，使系统按照生产需求进行生产。如有故障，则有故障报警，上报上层系统，并记录报警信息，维护人员可通过报警信息进行设备调试和维护。系统中层监控设计采用ABPANEL VIEW PLUS7触摸屏，包括输送线监控、机器人监控等，通过工业以太网与控制器通讯，易于实现，应用可靠。3AI视觉目前，利用机器视觉和视频物联等技术，通过工业机器人和各类传感器的融合应用，为工厂生产和管理带来全新的变革，提高工厂管理效率，实现企业效益最大化，已经成为现代工厂发展的新趋势。系统采用LogixAI模块，一方面降低系统对信息化设备的需求，另一方面有助于减少数据记录的时间延迟，让用户可以在源头实时查看控制信息。使用时，无需另外加装单独的应用程序，通过集成以太网端口接入模块，借助Web浏览器从控制系统的变量标签中选取需要处理的数据对象，实现对系统数据进行分析和预测的功能，并通过显示器端口将分析结果呈现出来。人员安全方面，采用AI视觉，检测进入区域、安全围栏、安全帽和口罩佩戴情况，以及热成像测温和热成像高温预警，实现AI智能值守，有效节约人力成本。如图3所示。图3AI视觉在系统中的应用在装箱工艺中，采用AI视觉定位、质检，协同机器人配置2D相机，实现物料位置、类型识别以及质量缺陷检测。基于工业AI视觉系统实现智能化转型，能够及时检测出缺陷产品，还可以统计分析对比不同批次的产品缺陷图片，实现减员增效。在打包环节，采用行为AI识别，通过手部姿势的AI检测算法，检测手部与设备间的安全距离，判断员工工序是否正确等。工业AI视觉系统，建立了集定位、识别、检测、分析、报警、记录于一体的可视化视觉系统，可以实现供包、拆码垛、缺陷质检、智能运维等全套视觉检测服务。另外，利用机器学习和人工智能的大数据解决方案，可以实现预测性分析维护。通过增强现实（AR）服务获得远程支持，迅速排除故障解决问题，助力企业转型升级为智慧工厂。4系统安全安全生产意义重大，现代机械产品正向高速化、精密化、多样化方向飞速发展，这就要求生产机械不仅能够高精度、高效率、大负载地运转，还应具有更高的安全性。“工业互联网+安全生产”行动计划（2021-2023年）提出到2023年底，工业互联网与安全生产协同推进格局基本形成，工业安全水平明显增强。系统安全解决方案包括IT安全策略、安全网络体系、安全设备和安全控制策略。设计选用1756-L7SP安全协处理器作为对所有安全设备的主控，配合1756-L73S控制器，系统可以达到SIL3/PLe/类别4安全等级。车间内采用Ethernet/IP安全网络，车间之间采用Ethernet/IP安全互锁。系统通讯模块选用1756-EN2T安全网桥，通过Ethernet/IP网桥进行对等通信。CIP安全I/O设备即GuardI/O模块选用1791ES。安全网络体系如图4所示：图4系统安全网络体系设计选用急停、安全门、光栅、安全接触器、安全继电器等安全设备，并制定工作过程安全策略，结合监控机器人监控系统中的各类状态量，分析设备工作状态是否正常，针对不同安全情况快速准确做出相应的保护动作。工业互联网带动了制造业数字化智能化转型升级，智能化的包装、码垛、仓储生产线也是物料生产企业当前积极探索推进的目标，需要我们继续进行研究和实践，比如将协作机器人用于包装和码垛，让机器与工人一同工作；继续研究基于AI学习的专家系统，实施预测性维护等。（下转第41页）38工业控制计算机2023年第36卷第1期（上接第38页）参考文献1工业互联网产业联盟.工业互联网体系架构2.0R.北京：工业互联网产业联盟，20202亓晋，王微，陈孟玺，等.工业互联网的概念、体系架构及关键技术J.物联网学报，2022，6（2）：38-493李志博，曾鹏，李栋.第一讲:工业互联网架构与关键技术J.仪器仪表标准化与计量，2020（1）：17-19，384罗克韦尔自动化.1756-sg001_-zh-p，选型指南-ControlLogix系统1756系列目录号Z.罗克韦尔自动化，20135罗克韦