基于LoRa的注塑机联网数字化监控系统平台研究

刘正超 屠袁飞 刘犇

摘 要：随着国家2035年远景目标的提出，制造业的转型升级成为各注塑企业都将面临的问题。为打造个性化的智能工厂，解决传统注塑制造企业生产效率低、生产过程不可控的问题，实现注塑生产实时高效、过程可视化、数据实时化目标，现提出设计基于LoRa无线通信技术的注塑机联网数字化监控系统平台，通过工厂看板实时监控设备运行，及时发现问题;通过生产管理实时采集数据，清晰了解生产进度;通过统计报表、图表直观体现，全面掌握工厂情况，为注塑企业实现“注塑工业4.0”提供技术支撑。

关键词：注塑企业;智能工厂;LoRa;注塑工业4.0

0    引言

当前，大多数注塑制造企业的计划排班仍通过口述下达计划，因生产过程中进度不可控，常常导致计划产量和实际产量相差较远，员工工作效率得不到保证，生产计划不能按时完成。一个班次结束后，需要安排专门的人员对当前班次产量进行统计计算，然后以人工录入产量报表系统的方式进行汇总分析，这就大大降低了工作效率，且容易出现产量统计上的误差。因此，企业计划制订者和部门管理者亟需实现生产过程的可视化，于是设计基于LoRa无线通信技术的注塑机联网数字化监控系统平台成为实现“注塑工业4.0”的重要组成部分。

1    系统结构设计

如今，伴随着物联网技术的发展，无线通信技术得到了广泛推广和应用，低功耗、大连接、长距离的LoRa无线通信技术得到了广大物联网用户的青睐，加速了智慧注塑工厂的转型升级。LoRa无线数据传输相较于传统的有线传输方式，大大节省了实施成本，更加稳定，同时LoRa技术自带AES128加密算法，保证了通信数据的安全性。

现提出针对注塑生产企业的物联网解决方案，主要是基于LoRa新技术为注塑企业实现注塑机联网，并依靠信息技术手段，实现对注塑机生产车间的全过程监控管理，其中包括对设备的管理和操作人员的管理，并依据云平台和大数据智能分析系统实现对设备保养周期、检修周期、更换周期的管理，从而实现智能管理目标，更高效地服务好每一个用户。

1.1    系统设计目标

本系统的研究旨在实现注塑企业生产工艺信息实时显示和生产管理的功能，以达到以下目标：

（1）实现对设备运行状态的监控。可以实时获取当前设备的运行状态，及时对设备出现的问题进行响应。

（2）实现生产数据实时监控功能。监控注塑机当前生产的产品、单位时间内生产产量、单个产品的节拍工时、生产合格率等。根据设定的比较基数与实际值进行比较，对单位时间内的生产数量与设定数量进行对比，超差报警。根据单个产品生产的时间周期与设定的时间周期进行对比，超差报警。

（3）实现生产数据报表自动分析对比。自动分析产量的达成率、合格率、直通率，实现效率分析等，支持报警数据的问题追溯。

（4）逐步实现企业减员增效，优化生产流程，提高生产效率，最终提高注塑企业信息化管理水平，实现效益最大化、可持续化等。

1.2    系统结构

为实现注塑车间生产数据实时监控和记录、报警提示、效率分析、产品工艺信息动态性维护等功能，保证车间生产运行更加高效、可控，本系统主要有数据采集层、数据转发存储层和数据应用层三层结构设计，采用B/S架构，形成“管理端+智能数采集中器+数采可视终端”的立体化管理模型。具体的系统结构图如图1所示。

1.3    系统结构分析

数据采集层主要用于采集注塑机的运行状态和实时生产数据。该层每台注塑机配置一台数采可视终端，数采可视终端与注塑机之间采用标准的Modbus通信协议，实时采集生产和运行数据，数采可视终端对采集到的数据进行整合，然后显示到终端触摸大屏，具体画面内容如图2所示。在触摸屏上可以实时查看当前生产的所有信息，并支持产量跟踪、报警上报的功能，实时将数据通过LoRa技术上传到数据转发存储层。

数据转发存储层主要通过智能数采集中器应用LoRa无线通信技术实时采集每台数采可视终端的数据，并可下达命令给每台终端，同时将数据实时存储到云服务器中，实现端到云的数据传输。

数据应用层主要用于客户端远程访问云端数据库获取当前设备计划的执行情况。通过图表直观掌握工厂整个生产的过程，无须添加任何其他中间环节，就可实现LoRa应用方案的数据传输。

2    数据采集原理分析

2.1    终端数据采集

每台注塑机都有Modbus通信接口，支持TCP/IP和RS485通信两种方式。数采可视终端固定于车间现场，可进行生产、质量、工艺等相关操作，与注塑机采用RS485通信方式，实时采集注塑机的运行数据。数采可视终端自带可编程逻辑控制器，将采集到的数据进行编程处理后打包，打包后的数据通过LoRa技术发送到智能数采集中器，并有专用接口与可视触摸终端进行通信，实现数据显示。

2.2    云端数据采集

云端数据的采集主要通过智能数采集中器完成。智能数采集中器可采用TCP或MQTT方式通过网络将数据传输到云平台数据存储服务器中。具体的功能结构图如图3所示。

2.3    客户端数据展示

客户端数据主要来源于云平台数据存储服务器，根据云平台中的数据进行实时监控、数据整合、质量分析、报表分析，实现注塑企业管理者远程对现场生产进度的跟踪，及时解决出现的问题，并可对现场的生产情况及报警信息进行溯源，及时发现问题，提高生产效率。通过数据整合，可以对现场所有设备的生产情况进行统计分析，直观查看统计信息。具体的质量分析图如图4所示。

3    系统功能优势

（1）可实时采集、处理数据，实时掌握生产过程，实现物料信息、注塑机设备及模具、计划管理、生产进度、质量信息等的系统化管理与采集，使注塑企业生产管理者能够随时掌控生产状态，保证决策的时效性和有效性。

（2）对生产流程的优化提高了生产效率。生产状态和生产数据信息的实时更新，有利于及时了解设备可能出现的问题，加快企业各部门管理决策的协调响应速度。

（3）完善的数据信息，为企业制订发展战略提供了依据。可根据目前的生产经营现状，制订合理的发展目标，进一步提升企业的智能化水平。

4    结语

本文所述基于LoRa无线通信技术的注塑机联网数字化监控系统平台，有效解决了注塑企业生产效率低下、计划安排不合理的问题，通过减员增效大大提高了企业的生产效率，基于完善的數据展示、数据分析、数据溯源系统的应用，企业管理者能够更加清晰地了解生产情况，有利于企业决策者做出更加合理的计划安排和决策部署，并为实现“注塑工业4.0”提供了模板和技术支撑。

[参考文献]

[1] 廖建尚，巴音查汗，苏红富.物联网长距离无线通信技术应用与开发[M].北京：电子工业出版社，2019.

[2] 魏毅寅，柴旭东.工业互联网：技术与实践[M].北京：电子工业出版社，2017.

收稿日期：2021-03-16

作者简介：刘正超（1990—），男，江苏淮安人，助理工程师，研究方向：物联网、电气自动化。