关于人机交互式智能分拣生产线的研究

江吉祥

摘 要：分拣生产线在工业领域有着广泛的应用，但是目前国内的一些分拣设备存在精度不高、智能化水平低、人机交互体验差等问题。如果能够借鉴电气装置、工业互联网等大赛的成果和理念进行智能化升级改造，就可以在技术层面给这些设备带来质的飞跃。本文以交流调速输送机的改造为例，对人机交互式智能分拣生产线进行研究。

关键词：实训设备 人机交互 分拣生产线

一、社会背景和市场现状

党的二十大报告指出，统筹职业教育、高等教育、继续教育协同创新，推进职普融通、产教融合、科教融汇，优化职业教育类型定位。这是国家在以往实践基础上又一项创造性的顶层设计，是实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略一体化的重要契合点，也是开辟努力发展新领域、新赛道，不断塑造发展新动能、新优势的重要突破口。

随着供给侧结构性改革的深入推进和新旧动能转换，中国正从制造大国向制造强国迈进，工业领域也进入数字化、网络化、智能化的转型发展期，许多劳动密集型行业正逐渐被智能化的自动生产线所替代。

职业教育身处产业第一线，既要为破解“卡脖子”问题培养更多高素质高技能人才，又要在促进创新链和产业链精准对接中成为科技成果转化的“纽带”，在服务国家创新驱动发展战略中发挥有力支撑作用。

根据市场调查，分拣传送设备涉及多个行业、多个领域，在食品包装、机械制造、汽车零部件、物流包装等制造类企业中应用尤其广泛。当下生产线设备大体上分为两类。

一类为由精度较差的普通交流电机加调速器组合而成的低端产品。这对于很多企业来说，根本无法满足精细作业、无人值守、远程操作等要求。

另一类为成本较高、依附于大型设备的高端产品，需配套使用，无法独立运行。而且人机交互功能差，无法实现智能化、模块化的工业互联要求。

职业院校承担着为国家培养高技能人才的重任，各种适用又实用的生产线实训设备在教育教学中作用重大。可目前智能分拣生产线相关的教学设备很少，虽然有少量原理演示性质的模型设备，但直接贴近一线生产、能够进行人机交互的智能化、网络化分拣设备仍是市场空白。

二、生产线升级改造的研究

笔者在对青岛地区30多家制造类企业及山东10所职业院校工业互联网专业群（电气、物联网等专业）进行充分调研的基础上，结合市场现状和职业院校工学一体化教学的需求，选取了工业制造应用最为广泛的“交流调速输送机”作为研究对象，融入世界技能大赛电气装置赛项和中国工业互联网大赛的技术成果，实现功能上的优化升级。

（一）交流调速输送机存在的问题

当前生产用的交流调速输送机主要由传送带和交流调速器组成，可以进行简单的速度调节，但无法精准调速，也无法实现准确定位。如果生产线上还需要进行物料分拣、人机交互、远程控制、无人值守等，该设备在功能和性能上根本无法满足上述要求。

（二）智能化改造思路

针对上述问题，并结合当下主流的工业互联网技术和前沿交互技术，笔者认为可从以下几方面着手进行改造，即将普通“交流调速输送机”升级为“人机交互式智能分拣生产线”。

1.精确调速和定位功能

在这一功能的改造上，可以为设备增加可编程逻辑控制器和伺服电机，编写运动控制程序，通过成熟稳定的PLC控制技术，可以非常容易地实现对传送带的精确调速和定位。

2.物料属性分拣功能

物料的属性检测离不开高精度的传感器，可以在传送带的两侧和上方增设各类温度传感器、金属传感器、颜色传感器等，将检测到的信号传送给PLC，从而通过程序驱动生产线的运行，实现对物料的温度、材质、颜色等属性的分拣功能。

3.人机交互功能

人机交互功能在技術上是一个创新点也是一个难点，除了要有人机交互的硬件条件外，对语音和画面的处理和数据传输也是亟待解决的问题。目前比较容易实现的就是增加HMI人机界面，通过屏幕在工业现场实现操作人员与设备之间的交互。实际上还有一条非常灵活的途径，就是借助于已经在工业领域开始崭露头角的智能手机，通过易微联等网络服务平台连接设备的控制器，再由控制器作为PLC的数字量输入设备，从而实现手机App控制和监视设备的运行，还可以通过设备组网的方式将易微联等平台搭接到智能手机的语音平台、实现跨平台连接，从而实现人机的语音交互功能。

4.远程监视和无人值守功能

远程监视和无人值守一直是工业领域研发的重头戏，在工业互联网领域蓬勃发展的今天，这些功能的开发也变得更加易于实现。目前最优的途径就是利用工业网络摄像头，依托5G网络进行设备和平台之间的互联，随时随地进行远程监控。如果再匹配工业机器人，即可实现无人值守功能。

5.智能照明功能

产业节能和绿色发展已经是全球共识。因此，在照明系统上可以考虑通过国内产业链比较完善的智能灯控系统进行智慧照明，轻松实现物料对光色、光线强弱的要求，而且节能高效。

6.控制方式的多样化

为了满足多种生产需求，灵活多样的控制方式也是必不可少的。为此，可以在设备上增加物理控制按键、在HMI中设计虚拟按键，还可通过高频无线遥控模块实现中距离遥控功能，由此降低对操作人员的身体条件要求，甚至可以给残疾人员提供一定的就业岗位。

（三）“人机交互式智能分拣生产线”改造后的功能组成

设备根据上述思路改造完成后，可以实现生产上的自动化、智能化分拣，甚至可以做到24小时无人值守工作。在设备运行期间，可以通过网络摄像头实时在手机App上远程监控系统运行情况，并与现场工作人员实时进行语音交流。在设备停用期间，可以作为安全监控使用。当有人在禁用设备期间进入监控范围时，移动侦测功能启动，立即向手机推送消息，同时摄像头会发出警报。

综上所述，整条智能生產线主要包含了以下几项重要组成部分。

1.主控制系统

以PLC为核心；有语音、手机App、HMI人机交互界面等多种灵活控制方式；通过修改PLC程序可自由改变设备传送分拣功能。

2.传感器系统

对物料的温度、材质、颜色等不同属性进行智能化分拣，并通过相应的指示灯或者蜂鸣器进行警示。

3.智能照明系统

调光调色，以适应不同产品生产时对亮度和色彩的需要，践行国家倡导的节能环保理念。

4.智能监控系统

连接5G网络，实时远程监控，实现无人值守，发生紧急状况可通过远程语音、视频交流进行指挥、调度。

（四）特色和创新

人机交互式智能分拣生产线一方面可以满足现代企业自动化生产的要求，另一方面可以结合职业院校教学和对外培训的需求，对接电工基础、电力拖动控制线路技能训练、电机技术、PLC应用技术、计算机网络技术等多门机电类专业核心课程，融合PLC运动控制、步进驱动、传感器技术、网络技术等多项主流的控制技术，融入5G工业互联网功能，为学生学习提供良好的实训平台。

这些特点和创新点，可归纳总结为以下几个方面。

第一，创新性地融入5G工业互联网的功能。人机交互式智能分拣生产线创造性地加入智能工业互联网功能，使得设备紧跟工业发展的前沿技术，功能更加强大，可以实现人机交互、远程控制、无人值守，人机操作更加便利，填补了市场空白。

第二，通用接口的平台，用途更加灵活多变。以PLC为核心、以5G网络为通信途径的开放式综合性控制系统，融合多门学科，既适合学校开展教学和培训，又能满足企业对分拣生产线智能化的需求。

第三，独立模块化设计，个性化量身定制。人机交互式智能分拣生产线的设备组成实现了模块化，各功能模块相互独立。可针对不同的需求，灵活增减模块，做到了功能上的个性化量身定制，降低了设备使用成本。

（五）设备改造升级的实用价值

1.满足企业对智能化生产的需求

通过PLC编程实现功能上的灵活调整；通过精密电机实现对传送的精确调速和定位；通过各类传感器，实现对物料的温度、材质、颜色、压力等不同属性的分拣；通过5G网络和智能设备实现语音、画面的人机交互和远程控制。

2.满足职业院校对智能化生产线实训设备的需求

融合多学科知识，设备中的各个模块对应多门电气和工业互联网相关专业的核心课程，适合作为电气自动化、机电一体化等专业的教学设备使用。

3.满足电工工种的职业技能等级认定培训的需求

人机交互式智能分拣生产线设备的安装、编程、调试过程恰好对应电工国家职业技能认定的初级、中级、高级、技师各个阶段的培训内容，因此可以直接作为培训设备使用。

如果个别行业对培训的内容有特殊要求，可对这个开放式的设备平台稍加改动，即可适配所需。

三、改进方向

随着工业技术的不断更迭，硬件设备的淘汰升级加速，并且结构功能越复杂的工业设备，不确定的因素也越多，如果能够利用软件对整个工厂和生产线进行模拟仿真，企业投产后出现损失的概率会大大度降低。当下数字孪生技术的应用如火如荼，拥有非常广阔的发展空间。这项技术的精髓就在于用软件仿真整套硬件设备，甚至是一个完整的工厂。有了这项技术的加持，就可以对生产线的功能进行进一步提升和完善，一方面减小了对硬件设备的依赖，降低了使用成本，另一方面在企业投产前就可以对问题进行预判，从而降低生产风险。

（作者单位：青岛市技师学院）