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1　項(xiàng)目背景

玻璃纖維作為新型復(fù)合材料，具有耐溫高、不燃、抗腐、隔熱、隔音性好、抗拉強(qiáng)度高、電絕緣性好等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車、輪船等行業(yè)。

電子級(jí)玻璃纖維則是其中的重要產(chǎn)品，多應(yīng)用于高科技產(chǎn)品，如航空航天、電子電路等。電子級(jí)玻璃纖維具有工藝復(fù)雜、人機(jī)結(jié)合多等難點(diǎn)，生產(chǎn)工段涵蓋拉絲、原絲找頭、原絲存儲(chǔ)、捻線加工、管絲檢驗(yàn)、管絲存儲(chǔ)、整經(jīng)、盤頭存儲(chǔ)、織布、織布存儲(chǔ)、后處理、織布成品托盤存儲(chǔ)、織布成品檢驗(yàn)、管絲成品托盤存儲(chǔ)等多個(gè)流程，其物流系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，主要由工人完成物料到各工段的運(yùn)送或簡單的系統(tǒng)運(yùn)送。

北自所（北京）科技發(fā)展有限公司結(jié)合多年的玻璃纖維生產(chǎn)線自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過詳細(xì)的系統(tǒng)論證，于2018年設(shè)計(jì)了一套完整的電子級(jí)玻璃纖維生產(chǎn)線自動(dòng)化物流系統(tǒng)，成功應(yīng)用于國內(nèi)某大型電子級(jí)玻璃纖維生產(chǎn)線，其年產(chǎn)量可達(dá)到6萬噸。

2　項(xiàng)目介紹

電子級(jí)玻璃纖維生產(chǎn)線自動(dòng)化物流系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）涵蓋產(chǎn)品生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)的各個(gè)工段，實(shí)現(xiàn)了在每個(gè)工段的自動(dòng)化輸送，減少了工人勞動(dòng)量，降低產(chǎn)品損耗，提高生產(chǎn)效率。系統(tǒng)對(duì)整體工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原有的14個(gè)工段進(jìn)行了功能劃分，同時(shí)將空車返回線與各工段輸送系統(tǒng)予以整合，共設(shè)計(jì)了9個(gè)子系統(tǒng)，包含7個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和2個(gè)獨(dú)立的上位監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，滿足整個(gè)車間的自動(dòng)化物流需求。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖1可知，該系統(tǒng)包括拉絲區(qū)輸送系統(tǒng)、原絲找頭及返空輸送系統(tǒng)、原絲存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)、管絲檢驗(yàn)輸送系統(tǒng)、管絲存儲(chǔ)及盤頭輸送系統(tǒng)、織布存儲(chǔ)及周邊輸送系統(tǒng)、后處理及成品存儲(chǔ)輸送系統(tǒng)，以及上位監(jiān)控管理系統(tǒng)，共包括輸送機(jī)近2000臺(tái)、環(huán)形穿梭車40臺(tái)、智能分配車10臺(tái)、雙工位分配車3臺(tái)、自動(dòng)機(jī)械手1臺(tái)、雙工位堆垛車4臺(tái)、貨叉堆垛車3臺(tái)、變頻堆垛機(jī)15臺(tái)、伺服堆垛機(jī)1臺(tái)、空中單軌自行小車EMS 40臺(tái)、雙工位穿梭子母車2臺(tái)。主要自動(dòng)化產(chǎn)品包括西門子博途1500系列PLC、ET200M\ET200S Profinet網(wǎng)絡(luò)總線模塊、MP系列10寸觸摸屏、V系列變頻器、菲尼克斯電氣無線漏波系統(tǒng)和具有IP67防護(hù)等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線模塊、視覺識(shí)別OCR系統(tǒng)、P+F二維條碼定位系統(tǒng)、SICK區(qū)域安全防護(hù)裝置、無線手持設(shè)備等，網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)采用西門子Profinet工業(yè)以太網(wǎng)與分布于現(xiàn)場(chǎng)的總線模塊進(jìn)行通訊，采集總線模塊的信息數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將信息數(shù)據(jù)采集整理后發(fā)送至上位監(jiān)控管理系統(tǒng)，由上位監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)調(diào)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等復(fù)雜功能。

3　項(xiàng)目實(shí)施

3.1　主站控制系統(tǒng)

各區(qū)域主站控制系統(tǒng)主要用于區(qū)域內(nèi)輸送設(shè)備的信息采集及電氣控制。采用西門子博途系列1516系列CPU，32點(diǎn)輸入和輸出模塊、ET200M遠(yuǎn)程通訊模塊、ET200S遠(yuǎn)程通訊模塊、TP1210系列觸摸屏，西門子V系列變頻器以及若干IP67防護(hù)等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線模塊，包括16點(diǎn)輸入模塊和8點(diǎn)輸入8點(diǎn)輸出模塊等。如圖2所示。

圖2 主站控制系統(tǒng)

CPU1516有兩組Profinet總線接口X1\X2，分成兩組工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。其中，X2接口設(shè)計(jì)為分區(qū)控制系統(tǒng)主站網(wǎng)絡(luò)接口，負(fù)責(zé)與本區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)從站模塊ET200M、ET200S和現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程模塊的信息采集和數(shù)據(jù)通訊；X1接口則位于總系統(tǒng)主網(wǎng)內(nèi)，負(fù)責(zé)與上位監(jiān)控管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成系統(tǒng)下發(fā)的指令信息。主站CPU與各從站采用MOXA EDS系列10/100M工業(yè)交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，主站CPU通過光電轉(zhuǎn)換器將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過多模光纖將信號(hào)傳送至中央控制室網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜內(nèi)，完成數(shù)據(jù)的通訊交互。

ET200M是高密度配置的模塊化I/O站，可作為主站CPU的功能和通訊擴(kuò)展，輔助CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和指令下發(fā)的功能。在本系統(tǒng)中，我們將每個(gè)生產(chǎn)工段各自劃分為不同的分區(qū)，除CPU主站外，分別由ET200M從站作為各區(qū)域內(nèi)設(shè)備的控制中樞，負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)設(shè)備按鈕信號(hào)采集和電機(jī)啟停控制。

ET200S作為小型緊湊化的分布式I/O站，具有安裝便利、較高的靈活度和設(shè)備成本低等諸多特點(diǎn)于一體，可提供種類豐富的模塊，具有良好的通用性。ET200S可對(duì)Profinet工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行無縫兼容，可作為拉絲區(qū)工位按鈕站的信號(hào)采集設(shè)備，并通過工業(yè)以太網(wǎng)反饋到主站CPU。

本系統(tǒng)中，菲尼克斯電氣AXL現(xiàn)場(chǎng)總線模塊主要應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的檢測(cè)開關(guān)信號(hào)的采集，并通過工業(yè)以太網(wǎng)總線將信息反饋到主站CPU中，由CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和判斷。AXL總線模塊具有IP65/67的防護(hù)等級(jí)，I/O設(shè)備外型設(shè)計(jì)超級(jí)緊湊，每個(gè)模塊可采集最多16點(diǎn)輸入信號(hào)，或8點(diǎn)輸入和8點(diǎn)輸出信號(hào)。因此，一個(gè)模塊可采集周邊10余臺(tái)設(shè)備的開關(guān)檢測(cè)信號(hào)。AXL總線模塊還具有在線診斷功能，即總線模塊出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或電源故障或輸入輸出信號(hào)故障時(shí)，能夠生成相應(yīng)的診斷字并反饋到主站CPU，CPU可根據(jù)診斷字判斷該模塊所發(fā)生的故障類型，并根據(jù)故障類型提示維護(hù)人員該模塊是否需要檢查模塊線路或者是用新模塊更換故障模塊。

3.2　環(huán)形穿梭車系統(tǒng)

環(huán)形穿梭車系統(tǒng)作為遠(yuǎn)距離輸送設(shè)備，完成各取貨站臺(tái)到放貨站臺(tái)的輸送功能，具有高速運(yùn)行、精準(zhǔn)定位、網(wǎng)絡(luò)通暢、銜接流暢等特點(diǎn)。

該系統(tǒng)控制設(shè)備由西門子博途1513 CPU作為控制器，集成2組高速計(jì)數(shù)通道、2組模擬量輸出通道和16點(diǎn)數(shù)字量輸入16點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊，具備2個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)接口。

環(huán)形穿梭車作為一種小型控制設(shè)備，1513 CPU上的數(shù)字量輸入點(diǎn)用于采集穿梭車的檢測(cè)開關(guān)及按鈕開關(guān)信號(hào)，數(shù)字量輸出點(diǎn)用于電機(jī)、抱閘以及系統(tǒng)報(bào)警燈、蜂鳴器等信號(hào)的控制，2組模擬量輸出信號(hào)用于控制水平行走變頻器輸出，通過電流的變化實(shí)現(xiàn)變頻器的啟動(dòng)、曲線變速和停止。

為滿足系統(tǒng)對(duì)定位精度不超過±5mm的需求，此定位系統(tǒng)采用德國倍加福公司PCV系列二維碼定位產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用先進(jìn)的二維碼照相技術(shù)定位系統(tǒng)，配合二維碼條碼帶，其設(shè)備精度可達(dá)到±2mm以內(nèi)，具有較高的靈活性和可靠性。

讀碼器采用照相識(shí)別二維碼條碼帶信息，每次讀取窗口最多有4個(gè)二維碼被連續(xù)讀取，因此，即便二維碼中某一個(gè)出現(xiàn)了污染、損壞等情況，讀碼器依然可以根據(jù)其余三個(gè)二維碼來糾正該二維碼信息，達(dá)到數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定的效果，如圖3所示。

圖3 讀碼器讀取信息

讀碼器采用西門子Profinet工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與CPU1513進(jìn)行通訊，將所讀取的二維碼數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送到CPU中，經(jīng)由CPU運(yùn)算并輸出模擬量信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的曲線加減速運(yùn)行，同時(shí)控制停準(zhǔn)精度不超過±5mm。

此外，環(huán)形穿梭車作為連續(xù)運(yùn)行設(shè)備，在高速運(yùn)行過程中的安全防護(hù)是安全運(yùn)行的關(guān)鍵。在此系統(tǒng)中，我們?yōu)榄h(huán)形穿梭車設(shè)計(jì)了德國SICK公司的區(qū)域安全激光掃描儀。該產(chǎn)品帶有自定義的保護(hù)區(qū)域，通過全新的三區(qū)模式可以同時(shí)啟用三個(gè)區(qū)域，即一個(gè)保護(hù)區(qū)域和兩個(gè)警告區(qū)域。本系統(tǒng)中，根據(jù)環(huán)形穿梭車軌道前進(jìn)方向進(jìn)行不同的區(qū)域設(shè)置，當(dāng)掃描儀檢測(cè)到有障礙物進(jìn)入到警告區(qū)域時(shí)，發(fā)送警告信號(hào)，穿梭車開始降低運(yùn)行速度，并以低速繼續(xù)運(yùn)行；當(dāng)障礙物進(jìn)入到保護(hù)區(qū)域時(shí)，掃描儀發(fā)出停車型號(hào)，CPU接收到停車信號(hào)后，停止穿梭車運(yùn)行；當(dāng)障礙物被移走后，穿梭車開始恢復(fù)運(yùn)行，從而達(dá)到了系統(tǒng)安全保護(hù)的功能。

作為移動(dòng)設(shè)備，穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通訊是環(huán)形穿梭車系統(tǒng)的重要部分。在以往的經(jīng)驗(yàn)中，我們往往涉及的是直線運(yùn)行的穿梭車系統(tǒng)，其網(wǎng)路通訊采用的是基站+無線網(wǎng)橋的辦法，實(shí)現(xiàn)在同一空間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的無線傳輸；而環(huán)形穿梭車具有更高的輸送效率，其網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求也更高。稱之為環(huán)形穿梭車，也是因?yàn)槠滠壍罏榄h(huán)形軌道，而本系統(tǒng)中，該軌道需從取貨站臺(tái)運(yùn)送紗車到軌道另一側(cè)的放貨站臺(tái)上，且工作區(qū)域并不是開放式空間，廠房結(jié)構(gòu)具有一定的信號(hào)屏蔽作用。因此，以往的無線通訊網(wǎng)絡(luò)并不適用于本系統(tǒng)，菲尼克斯電氣的無線漏波通訊系統(tǒng)則解決了這個(gè)難題，如圖4所示。

圖4 菲尼克斯的無線漏波通訊系統(tǒng)

無線漏波通訊系統(tǒng)主要由無線基站、無線網(wǎng)橋、漏波電纜和相關(guān)連接件組成。漏波電纜作為天線使用的“無線電纜”，在其整個(gè)長度方向上發(fā)射信號(hào)，特別設(shè)計(jì)用于射頻信號(hào)很難覆蓋的環(huán)境。

無線基站作為通訊主體，具有2.4GHz和5GHz兩個(gè)頻段，具有MIMO技術(shù)的3天線連接，漏波電纜與無線基站進(jìn)行物理連接，通過基站發(fā)送的信號(hào)經(jīng)漏波電纜進(jìn)行傳輸，確保傳輸信號(hào)的穩(wěn)定。

無線網(wǎng)橋設(shè)置于各個(gè)環(huán)形穿梭車上，通過工業(yè)以太網(wǎng)與穿梭車CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。網(wǎng)橋內(nèi)置一根全向天線和一根定向天線，與基站一樣具有2.4GHz和5GHz兩個(gè)頻段，通過與漏波電纜的近距離接觸，識(shí)別并采集漏波電纜上的通訊數(shù)據(jù)，并予以解析，實(shí)現(xiàn)與基站的配合。

在本系統(tǒng)中，類似應(yīng)用設(shè)備還包括往復(fù)式智能分配車、雙工位堆垛車、貨叉式堆垛車等設(shè)備。智能立體庫堆垛機(jī)則采用無線定向通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

3.3　雙工位穿梭子母車系統(tǒng)

在本項(xiàng)目后處理工段，由于該工段生產(chǎn)效率高且使用非標(biāo)準(zhǔn)型載貨托盤，當(dāng)前的連續(xù)托盤物流設(shè)備中尚不具備使用功能。為此，我們開發(fā)設(shè)計(jì)了全新的物流輸送設(shè)備——雙工位穿梭子母車智能輸送系統(tǒng)。

雙工位穿梭子母車智能輸送系統(tǒng)，以穿梭式子母車系統(tǒng)為基礎(chǔ)，具有自動(dòng)化程度高、雙工位存儲(chǔ)、輸送效率高、系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定等特點(diǎn)。該系統(tǒng)包括雙工位穿梭母車、穿梭子車、拆盤機(jī)、WMS、WCS管理控制系統(tǒng)及穿梭車專用貨架系統(tǒng)組成。各組件在無線網(wǎng)絡(luò)的支持下，協(xié)同工作共為一體，既相互配合又各自獨(dú)立完成生產(chǎn)指令。系統(tǒng)運(yùn)行效率高，無等待和遲滯現(xiàn)象。

雙工位穿梭母車以滑觸線進(jìn)行供電，母車在每個(gè)子車停止位置上設(shè)計(jì)有為子車供電的電源。穿梭子車可以在母車運(yùn)行或空閑狀態(tài)時(shí)對(duì)自身的電池進(jìn)行充電。當(dāng)子車電池電量低于20%時(shí)，子車停止工作，回到充電位進(jìn)行充電作業(yè)；當(dāng)電量達(dá)到50%以上時(shí)，自動(dòng)恢復(fù)工作。因此，在兩組充電電源的補(bǔ)充下，即便在工作狀態(tài)中，子車在母車的每一個(gè)位置都可以進(jìn)行充電，保證系統(tǒng)的正常高效運(yùn)行，滿足生產(chǎn)需要。

3.4　視覺識(shí)別系統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)

在玻璃纖維的生產(chǎn)過程中，需要對(duì)產(chǎn)品的物料運(yùn)送車標(biāo)牌進(jìn)行自動(dòng)識(shí)讀。原有系統(tǒng)通過智能相機(jī)OCR的方法進(jìn)行車牌識(shí)別。系統(tǒng)運(yùn)行初期，效果較好，但是隨著物料運(yùn)送車的循環(huán)往復(fù)使用，標(biāo)牌上很容易出現(xiàn)污損、掉色、變形等情況，大大影響了系統(tǒng)識(shí)讀率。為此，我們采用了當(dāng)前視覺技術(shù)中先進(jìn)的AI技術(shù)，通過系統(tǒng)深度學(xué)習(xí)功能，模擬人工的方式對(duì)標(biāo)牌進(jìn)行識(shí)別。

本項(xiàng)目中，物料運(yùn)送車標(biāo)牌的字體改為OCR字體，這種字體不同字母間的差異性比其他字體大，不容易出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤。深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)通過對(duì)不同樣本的訓(xùn)練，提升了系統(tǒng)識(shí)別污漬、反光等原方案不能識(shí)別的能力。
深度學(xué)習(xí)需要大量的計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力要求較高。項(xiàng)目初期使用CPU計(jì)算時(shí)，平均每個(gè)車牌的計(jì)算時(shí)間需要3~4s，不能滿足生產(chǎn)需求。后來改為GPU計(jì)算方式，每個(gè)車牌的識(shí)別時(shí)間減小到100ms，有效提升整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。隨著系統(tǒng)的使用，視覺識(shí)別系統(tǒng)通過不斷的增加訓(xùn)練樣本，系統(tǒng)的識(shí)別率越來越高，滿足用戶的使用要求，識(shí)別率高達(dá)99.99%。

4　項(xiàng)目意義

通過采用本系統(tǒng)，年產(chǎn)6萬噸電子級(jí)玻璃纖維生產(chǎn)線順利投產(chǎn)運(yùn)行。截至目前，本系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月。隨著系統(tǒng)的逐步完善，先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來越高，也將為客戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡介：

吳　振（1979-），男，研究員，現(xiàn)任北自所（北京）科技發(fā)展有限公司工程三部部長，主要從事工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)研究及應(yīng)用。

王　勇（1972-），男，研究員，現(xiàn)任北自所（北京）科技發(fā)展有限公司常務(wù)副總經(jīng)理，主要從事工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用和運(yùn)維工作，獲得多項(xiàng)專利及多項(xiàng)省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)勵(lì)。

徐　慧（1981-），女，高級(jí)工程師，現(xiàn)任北自所（北京）科技發(fā)展有限公司副總工程師，主要從事物流自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)研究工作，獲得多項(xiàng)專利及一項(xiàng)省部級(jí)科技成果獎(jiǎng)勵(lì)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年7月刊