基于工业4.0 的数字化工厂监控系统设计

师 宁， 刘 辉

（1.北京电子科技职业学院 汽车工程学院， 北京100176；2.中国航空制造技术研究院装备中心食药机械产品部， 北京 100024）

0 引言

制造业作为我国的支柱产业，有着良好的发展势头，但是随着我国人口红利的消失，人工费用的增长，传统制造业依靠人力发展的道路已经越走越窄。与此同时，随着信息化及智能技术的蓬勃发展， 智能装备的诞生为传统的装备制造的生产方式带来了革命性的产业变革。 我国为了推进智能制造的发展， 作为中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领《中国制造2025》于2015 年5 月正式发布。 目前，无论是美国，日本、 还是欧洲，发展智能制造已成为全球制造业的目标。

为了顺应国家推进制造强国战略，作为培养高级技能人才的高职院校， 我院于2016 年投入新建了“基于工业4.0 的数字化工厂实训室”，并于2017 年进行了二期建设。实训室的模拟可视化工厂线主要由总控制系统、 立体仓库系统、 多功能工作站、 自动传输系统、 可视化展示单元、RFID 自动跟踪管理系统、制造业执行系统（MES）和仓库管理系统（WMS）组成，能够实现多种产品的共线生产（同时只能共线生产两种产品），构建真正意义上的工业4.0 新型工作模式和功能平台，使整个柔性制造系统既源于生产实际、又符合教学规律要求，便于教师带领学生开展多项专业教学实验。 经过此实训平台的训练，学生们可以掌握多学科的综合知识和技能，为智能制造提供可靠的人才支撑。

1 平台功能概述

以产品全生命周期数据为基础的数字化工厂（DF），在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化， 并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。 它是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，同时具有其鲜明的特征。 它的出现给基础制造业注入了新的活力， 主要作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁。工业4.0 的核心是将生产过程、工控软件、生产设备进行深度融合， 具体的表现就是在生产过程和管理体系的智能化上。

我院引进的该智能生产系统为多产品共线生产，生产产品由控制系统根据生产指令进行。 各产品通过MES 和WMS 系统软件， 实现从毛坯件出库至成品入库全过程的生产及生产节拍的智能调度。系统各部分的生产进度应协调一致。 按照现代数字化工厂的生产模式，根据定单需求通过MES 和WMS 系统软件，实现从毛坯件出库至成品入库全过程的生产。整个生产过程，无需人工干预，全过程中每个环节均通过RFID 记录，全程追踪产品的生产过程，涵盖订单下发、物料传输、物料加工、物料入库等，生产管理系统记录每一个生产过程数据，可产品追溯。

多功能工业机器人工作站系统设计充分体现 “可重构”的设计理念，采用模块化设计，设备主要由基础功能平台、机器人专业功能训练模块、接驳平台、RFID 子系统等部分组成。 专业功能训练功能模块固定在标准尺寸的底板上， 专业功能训练功能模块与基础功能平台之间采用活动连接块进行连接，可实现快速固定，并固定可靠，后期可以标准尺寸底板上开发其它机器人应用功能，可大大提高基础功能平台的功能和利用率，节约投资成本。同时，工作站系统平台还选配缓冲接驳单元和RFID 跟踪溯源子系统等，与智能生产线平台进行快速联接，在智能生产线自动化软件支持下，能够完成从根据定单下单、智能仓储存取、柔性流程重配和生产的全自动化过程。

图1 工作流程图

该模拟生产线的工作流程：①系统根据生产指令，堆垛机从工件库位取放置含抛光工件或焊接工件的托盘到出库平台；②AGV 小车根据系统指令到出库平台接驳工装托盘；③AGV 小车搬运含工件的工装托盘到模拟抛光工作站或模拟焊接工作站，通过工作站接驳平台搬运至工作站；④此时，如有其它生产指令AGV 小车则回到出库平台搬运其它工装托盘或到下一工作站搬运加工好的工件，如没有其它生产指令AGV 小车等待加工完成；⑤工作在工作站加工完成后，工作站向系统发出加工完成指令，AGV小车到达工作站通过接驳平台搬运加工成品工件及工装托盘至及入库平台； ⑥成品工件及工装托盘经入库平台入库；⑦工装托盘从出库至工作站到最终成品入库，整个生产过程通过RFID 系统进行跟踪； ⑧根据生产定单，生产系统重复以上①-⑦步骤。

2 系统硬件平台的构建

本实训平台的系统主要由总控系统、 立体仓储系统、自动传输系统（AGV 小车）、工业机器人工作站、RFID 跟踪管理系统、MES 生产管理系统和WMS 仓库管理系统组成。系统布置示意图如图2 所示。

总控系统主要特点是系统软件通过MES 接口实现数据信息的实时交互、 操作员或者管理员可通过系统软件实时监控整个系统状态、 联动模式下可控制下位机各分系统运行，并实时接收反馈信息。

立体仓储系统立体仓储系统设有原料库和成品库，采用巷道式立体库。 巷道式立体库主要包括巷道式堆垛机、工业铝型材搭建的立体库位等组成，主要用于原材料、成品的出库、入库以及存储功能。库内物品通过RFID 系统和WMS管理软件来实现物料的信息管理和科学调配。 传动机构由伺服驱动，保证了出、入库动作的速度与精确性；取料机构采用三级货叉，可完成原料库与成品库的双面作业；托盘上携带的RFID 电子标签有效记录物料的状态信息。

自动传输系统， 主要功能是为了充分发挥物流资源供应方的效率，同时使需求方（客户）能够快速获得服务匹配，并得到物流支持，其是实现“工业4.0”“智能物流”的硬件基础。 本系统中自动传输系统主要根据客户订单需求， 上位机控制系统从立体仓储库发出需求产品的物料托盘，自动化传输线把不同种类的物料通过AGV 运输到不同的工作站，完成不同物料的生产装配工作，传输系统中各种物料及产品均基于对RFID 标签的读写以实现对物料和产品的跟踪和溯源。

机器人工作站主要由基础功能平台和专业功能模块两大部分组成。基础功能平台主要包括工业机器人及其控制器、基础台架、机器人抓手库、触摸屏、电气控制系统、气动系统等组件， 专业功能模块主要由带有基准电气接口，并可以快速更换并固定的功能模块组成，可实现在同一基础功能平台上切换多种工业机器人典型应用功能（需要配置不同功能模块），体现工作站的硬件可重构功能。

RFID 自动跟踪管理系统由标准卡、读写器、电子标签、RFID 管理软件等组成， 分别对各主要工位和工序的完成情况及各物料、托盘的状态信息进行记录，以便对产品的加工信息进行采集，通过与生产线系统通信，实现与生产线的信息交换。最终数据全部发送给总控系统保存。

图2 系统布置示意图

MES 生产管理系统是处于管理层之下， 控制层之上的执行层，主要服务于企业的生产现场管理和调度指挥。涵盖生产计划、生产统计、生产调度、产品跟踪、质量管理、设备管理、生产数据管理、数据采集及接口、数据分析等通过网络联接使用统一的数据库。 通过强调制造过程的整体优化来实现完整的闭环生产， 建立一体化和实时化的全方位信息体系。 为用户提供一个快速反应、 有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业降低成本、提高设备有效作业率、提高产品的质量和为企业考核提供依据。

WMS 是仓库管理系统 （Warehouse Management System）的缩写，仓库管理系统是通过入库业务、出库业务、仓库调拨、库存调拨等功能，综合批次管理、物料对应、库存盘点、 质检管理和即时库存管理等功能综合运用的管理系统， 有效控制并跟踪仓库业务的物流和成本管理全过程，实现完善的企业仓储信息管理，该系统可以独立执行库存操作，与其他系统的单据和凭证等结合使用，可提供更为完整全面的企业业务流程和财务管理信息。

3 监控系统组成

本实训平台监控系统包括两部分： 立体仓储系统触摸屏操控面板和多功能工业机器人工作站触摸屏操控面板， 本文主要多功能工业机器人工作站操控面板为例来介绍监控系统的实现方法。

多功能工业机器人工作站有两个工作模式， 联机模式和本地模式。联机模式即通过总控台控制，通过总控台的调度完成相应的作业。 本地模式即总控系统不参与控制，机器人工作站自身通过按钮盒和触摸屏控制实现相应控制的模式。 两种模式下均能实现工业小型气缸的装配功能。

整个监控系统一共包含主界面、手动界面、参数设置界面、报警界面、机器人信息界面和I/O 表界面等6 个界面， 现场操作员可以通过这6 个界面来实时监控整个工作机器人的工作状态，便于维护系统。

图3 触摸屏主界面和手动界面

主界面可显示当前日期、时间、星期，并有“启动”、“停止”、“复位”按钮，功能与面板上操作按钮相同，其下方有屏幕切换按钮，可切换至其它功能界面。手动界面主要有两种功能：①非自动运行状态下可操作工作站所有气缸动作；②本地模式下有两种操作模式：入/出料功能屏蔽与入/出料功能使用，通过长按“入/出料屏蔽”按钮8S 以上进行切换。

（1）入/出料功能屏蔽操作：要求接驳平台上有托盘，操作者每次将未装配缸体放置于托盘上，在绿色“运行”指示灯亮情况下按“机器人直接启动”按钮，3S 后机器人即启动工作， 机器人未工作完成情况下不可往托盘上放置缸体，否则机器人会有撞击危险。

（2）入/出料功能使用操作：首先长按“入/出料屏蔽”按钮8S 以上切换至“入/出料功能使用”，此操作模式要求接驳平台上没有托盘，在绿色“运行”指示灯亮情况下按“入料”按钮，接驳平台皮带转动，操作者将放有未装配缸体的托盘放于皮带上，皮带到位后机器人即自动运行。机器人加工结束，操作者在同伴协助下，一人按“出料”按钮，一人接住托盘。

图4 参数设置界面和报警界面

参数设置界面可设置本地模式下工艺号，上电初始化情况下默认工艺1 即气缸装配，目前本工作站只开发气缸装配功能，因此选择其它工艺，机器人不会执行动作。报警界面主要用于生产线在生产过程中出现的一些可能危及显示所有报警代码和故障信息， 方便操作人员接触故障信息。 此外还有机器人信息界面和PLC I/O 输入和输出显示界面，分别来实时监控PLC 与机器人之间的信号交互情况及显示PLC 的实际工作点，方便操作人员实时监控系统。

4 结论

该实训平台以数字化工厂为框架， 采用先进的智能制造技术来重构实际的生产过程， 有助于学生了解所学知识的实际工程应用，并对每项技术在实际企业里的具体应用、各环节的前后联系和背景一目了然，有效的指导了学生如何理论联系实际，有助学生明确学习目的，提高学习效果。通过可视化的监控系统便于学生更好的监控系统的运行状态，并通过数字化管理，保证了产品数据库中的内容真实、可靠，同时培养了学生的数字化企业思想。