1　項目背景

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

電子級玻璃纖維則是其中的重要產(chǎn)品，多應用于高科技產(chǎn)品，如航空航天、電子電路等。電子級玻璃纖維具有工藝復雜、人機結合多等難點(diǎn)，生產(chǎn)工段涵蓋拉絲、原絲找頭、原絲存儲、捻線(xiàn)加工、管絲檢驗、管絲存儲、整經(jīng)、盤(pán)頭存儲、織布、織布存儲、后處理、織布成品托盤(pán)存儲、織布成品檢驗、管絲成品托盤(pán)存儲等多個(gè)流程，其物流系統自動(dòng)化程度較低，主要由工人完成物料到各工段的運送或簡(jiǎn)單的系統運送。

北自所（北京）科技發(fā)展有限公司結合多年的玻璃纖維生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化系統應用經(jīng)驗，經(jīng)過(guò)詳細的系統論證，于2018年設計了一套完整的電子級玻璃纖維生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化物流系統，成功應用于國內某大型電子級玻璃纖維生產(chǎn)線(xiàn)，其年產(chǎn)量可達到6萬(wàn)噸。

2　項目介紹

電子級玻璃纖維生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化物流系統（簡(jiǎn)稱(chēng)系統）涵蓋產(chǎn)品生產(chǎn)工藝設計的各個(gè)工段，實(shí)現了在每個(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。系統對整體工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化設計，將原有的14個(gè)工段進(jìn)行了功能劃分，同時(shí)將空車(chē)返回線(xiàn)與各工段輸送系統予以整合，共設計了9個(gè)子系統，包含7個(gè)自動(dòng)化控制系統和2個(gè)獨立的上位監控調度系統，滿(mǎn)足整個(gè)車(chē)間的自動(dòng)化物流需求。系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。

圖1 系統網(wǎng)絡(luò )結構

由圖1可知，該系統包括拉絲區輸送系統、原絲找頭及返空輸送系統、原絲存儲輸送系統、管絲檢驗輸送系統、管絲存儲及盤(pán)頭輸送系統、織布存儲及周邊輸送系統、后處理及成品存儲輸送系統，以及上位監控管理系統，共包括輸送機近2000臺、環(huán)形穿梭車(chē)40臺、智能分配車(chē)10臺、雙工位分配車(chē)3臺、自動(dòng)機械手1臺、雙工位堆垛車(chē)4臺、貨叉堆垛車(chē)3臺、變頻堆垛機15臺、伺服堆垛機1臺、空中單軌自行小車(chē)EMS 40臺、雙工位穿梭子母車(chē)2臺。主要自動(dòng)化產(chǎn)品包括西門(mén)子博途1500系列PLC、ET200M\ET200S Profinet網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)模塊、MP系列10寸觸摸屏、V系列變頻器、菲尼克斯電氣無(wú)線(xiàn)漏波系統和具有IP67防護等級的現場(chǎng)總線(xiàn)模塊、視覺(jué)識別OCR系統、P+F二維條碼定位系統、SICK區域安全防護裝置、無(wú)線(xiàn)手持設備等，網(wǎng)絡(luò )通訊系統采用西門(mén)子Profinet工業(yè)以太網(wǎng)與分布于現場(chǎng)的總線(xiàn)模塊進(jìn)行通訊，采集總線(xiàn)模塊的信息數據，并通過(guò)以太網(wǎng)將信息數據采集整理后發(fā)送至上位監控管理系統，由上位監控管理系統進(jìn)行設備監控、數據處理、系統調度、數據存儲等復雜功能。

3　項目實(shí)施

3.1　主站控制系統

各區域主站控制系統主要用于區域內輸送設備的信息采集及電氣控制。采用西門(mén)子博途系列1516系列CPU，32點(diǎn)輸入和輸出模塊、ET200M遠程通訊模塊、ET200S遠程通訊模塊、TP1210系列觸摸屏，西門(mén)子V系列變頻器以及若干IP67防護等級的現場(chǎng)總線(xiàn)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

CPU1516有兩組Profinet總線(xiàn)接口X1\X2，分成兩組工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )。其中，X2接口設計為分區控制系統主站網(wǎng)絡(luò )接口，負責與本區域系統內從站模塊ET200M、ET200S和現場(chǎng)遠程模塊的信息采集和數據通訊；X1接口則位于總系統主網(wǎng)內，負責與上位監控管理系統進(jìn)行數據通訊，完成系統下發(fā)的指令信息。主站CPU與各從站采用MOXA EDS系列10/100M工業(yè)交換機進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接，主站CPU通過(guò)光電轉換器將電子信號轉換為光信號，通過(guò)多模光纖將信號傳送至中央控制室網(wǎng)絡(luò )機柜內，完成數據的通訊交互。

ET200M是高密度配置的模塊化I/O站，可作為主站CPU的功能和通訊擴展，輔助CPU進(jìn)行數據采集和指令下發(fā)的功能。在本系統中，我們將每個(gè)生產(chǎn)工段各自劃分為不同的分區，除CPU主站外，分別由ET200M從站作為各區域內設備的控制中樞，負責本區域內設備按鈕信號采集和電機啟?？刂?。

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

本系統中，菲尼克斯電氣AXL現場(chǎng)總線(xiàn)模塊主要應用在現場(chǎng)設備的檢測開(kāi)關(guān)信號的采集，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線(xiàn)將信息反饋到主站CPU中，由CPU進(jìn)行數據的處理和判斷。AXL總線(xiàn)模塊具有IP65/67的防護等級，I/O設備外型設計超級緊湊，每個(gè)模塊可采集最多16點(diǎn)輸入信號，或8點(diǎn)輸入和8點(diǎn)輸出信號。因此，一個(gè)模塊可采集周邊10余臺設備的開(kāi)關(guān)檢測信號。AXL總線(xiàn)模塊還具有在線(xiàn)診斷功能，即總線(xiàn)模塊出現網(wǎng)絡(luò )故障或電源故障或輸入輸出信號故障時(shí)，能夠生成相應的診斷字并反饋到主站CPU，CPU可根據診斷字判斷該模塊所發(fā)生的故障類(lèi)型，并根據故障類(lèi)型提示維護人員該模塊是否需要檢查模塊線(xiàn)路或者是用新模塊更換故障模塊。

3.2　環(huán)形穿梭車(chē)系統

環(huán)形穿梭車(chē)系統作為遠距離輸送設備，完成各取貨站臺到放貨站臺的輸送功能，具有高速運行、精準定位、網(wǎng)絡(luò )通暢、銜接流暢等特點(diǎn)。

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

環(huán)形穿梭車(chē)作為一種小型控制設備，1513 CPU上的數字量輸入點(diǎn)用于采集穿梭車(chē)的檢測開(kāi)關(guān)及按鈕開(kāi)關(guān)信號，數字量輸出點(diǎn)用于電機、抱閘以及系統報警燈、蜂鳴器等信號的控制，2組模擬量輸出信號用于控制水平行走變頻器輸出，通過(guò)電流的變化實(shí)現變頻器的啟動(dòng)、曲線(xiàn)變速和停止。

為滿(mǎn)足系統對定位精度不超過(guò)±5mm的需求，此定位系統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，配合二維碼條碼帶，其設備精度可達到±2mm以?xún)?，具有較高的靈活性和可靠性。

讀碼器采用照相識別二維碼條碼帶信息，每次讀取窗口最多有4個(gè)二維碼被連續讀取，因此，即便二維碼中某一個(gè)出現了污染、損壞等情況，讀碼器依然可以根據其余三個(gè)二維碼來(lái)糾正該二維碼信息，達到數據連續穩定的效果，如圖3所示。

圖3 讀碼器讀取信息

讀碼器采用西門(mén)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據實(shí)時(shí)的傳送到CPU中，經(jīng)由CPU運算并輸出模擬量信號，驅動(dòng)變頻器實(shí)現電機的曲線(xiàn)加減速運行，同時(shí)控制停準精度不超過(guò)±5mm。

此外，環(huán)形穿梭車(chē)作為連續運行設備，在高速運行過(guò)程中的安全防護是安全運行的關(guān)鍵。在此系統中，我們?yōu)榄h(huán)形穿梭車(chē)設計了德國SICK公司的區域安全激光掃描儀。該產(chǎn)品帶有自定義的保護區域，通過(guò)全新的三區模式可以同時(shí)啟用三個(gè)區域，即一個(gè)保護區域和兩個(gè)警告區域。本系統中，根據環(huán)形穿梭車(chē)軌道前進(jìn)方向進(jìn)行不同的區域設置，當掃描儀檢測到有障礙物進(jìn)入到警告區域時(shí)，發(fā)送警告信號，穿梭車(chē)開(kāi)始降低運行速度，并以低速繼續運行；當障礙物進(jìn)入到保護區域時(shí)，掃描儀發(fā)出停車(chē)型號，CPU接收到停車(chē)信號后，停止穿梭車(chē)運行；當障礙物被移走后，穿梭車(chē)開(kāi)始恢復運行，從而達到了系統安全保護的功能。

作為移動(dòng)設備，穩定的網(wǎng)絡(luò )通訊是環(huán)形穿梭車(chē)系統的重要部分。在以往的經(jīng)驗中，我們往往涉及的是直線(xiàn)運行的穿梭車(chē)系統，其網(wǎng)路通訊采用的是基站+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的辦法，實(shí)現在同一空間內，網(wǎng)絡(luò )信號的無(wú)線(xiàn)傳輸；而環(huán)形穿梭車(chē)具有更高的輸送效率，其網(wǎng)絡(luò )的穩定性要求也更高。稱(chēng)之為環(huán)形穿梭車(chē)，也是因為其軌道為環(huán)形軌道，而本系統中，該軌道需從取貨站臺運送紗車(chē)到軌道另一側的放貨站臺上，且工作區域并不是開(kāi)放式空間，廠(chǎng)房結構具有一定的信號屏蔽作用。因此，以往的無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )并不適用于本系統，菲尼克斯電氣的無(wú)線(xiàn)漏波通訊系統則解決了這個(gè)難題，如圖4所示。

圖4 菲尼克斯的無(wú)線(xiàn)漏波通訊系統

無(wú)線(xiàn)漏波通訊系統主要由無(wú)線(xiàn)基站、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、漏波電纜和相關(guān)連接件組成。漏波電纜作為天線(xiàn)使用的“無(wú)線(xiàn)電纜”，在其整個(gè)長(cháng)度方向上發(fā)射信號，特別設計用于射頻信號很難覆蓋的環(huán)境。

無(wú)線(xiàn)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(xiàn)連接，漏波電纜與無(wú)線(xiàn)基站進(jìn)行物理連接，通過(guò)基站發(fā)送的信號經(jīng)漏波電纜進(jìn)行傳輸，確保傳輸信號的穩定。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋設置于各個(gè)環(huán)形穿梭車(chē)上，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與穿梭車(chē)CPU進(jìn)行數據通訊。網(wǎng)橋內置一根全向天線(xiàn)和一根定向天線(xiàn)，與基站一樣具有2.4GHz和5GHz兩個(gè)頻段，通過(guò)與漏波電纜的近距離接觸，識別并采集漏波電纜上的通訊數據，并予以解析，實(shí)現與基站的配合。

在本系統中，類(lèi)似應用設備還包括往復式智能分配車(chē)、雙工位堆垛車(chē)、貨叉式堆垛車(chē)等設備。智能立體庫堆垛機則采用無(wú)線(xiàn)定向通訊的方式進(jìn)行數據通訊。

3.3　雙工位穿梭子母車(chē)系統

在本項目后處理工段，由于該工段生產(chǎn)效率高且使用非標準型載貨托盤(pán)，當前的連續托盤(pán)物流設備中尚不具備使用功能。為此，我們開(kāi)發(fā)設計了全新的物流輸送設備——雙工位穿梭子母車(chē)智能輸送系統。

雙工位穿梭子母車(chē)智能輸送系統，以穿梭式子母車(chē)系統為基礎，具有自動(dòng)化程度高、雙工位存儲、輸送效率高、系統運行安全穩定等特點(diǎn)。該系統包括雙工位穿梭母車(chē)、穿梭子車(chē)、拆盤(pán)機、WMS、WCS管理控制系統及穿梭車(chē)專(zhuān)用貨架系統組成。各組件在無(wú)線(xiàn)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立完成生產(chǎn)指令。系統運行效率高，無(wú)等待和遲滯現象。

雙工位穿梭母車(chē)以滑觸線(xiàn)進(jìn)行供電，母車(chē)在每個(gè)子車(chē)停止位置上設計有為子車(chē)供電的電源。穿梭子車(chē)可以在母車(chē)運行或空閑狀態(tài)時(shí)對自身的電池進(jìn)行充電。當子車(chē)電池電量低于20%時(shí)，子車(chē)停止工作，回到充電位進(jìn)行充電作業(yè)；當電量達到50%以上時(shí)，自動(dòng)恢復工作。因此，在兩組充電電源的補充下，即便在工作狀態(tài)中，子車(chē)在母車(chē)的每一個(gè)位置都可以進(jìn)行充電，保證系統的正常高效運行，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

3.4　視覺(jué)識別系統的深度學(xué)習

在玻璃纖維的生產(chǎn)過(guò)程中，需要對產(chǎn)品的物料運送車(chē)標牌進(jìn)行自動(dòng)識讀。原有系統通過(guò)智能相機OCR的方法進(jìn)行車(chē)牌識別。系統運行初期，效果較好，但是隨著(zhù)物料運送車(chē)的循環(huán)往復使用，標牌上很容易出現污損、掉色、變形等情況，大大影響了系統識讀率。為此，我們采用了當前視覺(jué)技術(shù)中先進(jìn)的AI技術(shù)，通過(guò)系統深度學(xué)習功能，模擬人工的方式對標牌進(jìn)行識別。

本項目中，物料運送車(chē)標牌的字體改為OCR字體，這種字體不同字母間的差異性比其他字體大，不容易出現識別錯誤。深度學(xué)習系統通過(guò)對不同樣本的訓練，提升了系統識別污漬、反光等原方案不能識別的能力。
深度學(xué)習需要大量的計算，對計算機的計算能力要求較高。項目初期使用CPU計算時(shí)，平均每個(gè)車(chē)牌的計算時(shí)間需要3~4s，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。后來(lái)改為GPU計算方式，每個(gè)車(chē)牌的識別時(shí)間減小到100ms，有效提升整個(gè)系統的工作效率。隨著(zhù)系統的使用，視覺(jué)識別系統通過(guò)不斷的增加訓練樣本，系統的識別率越來(lái)越高，滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求，識別率高達99.99%。

4　項目意義

通過(guò)采用本系統，年產(chǎn)6萬(wàn)噸電子級玻璃纖維生產(chǎn)線(xiàn)順利投產(chǎn)運行。截至目前，本系統已經(jīng)穩定運行6個(gè)月。隨著(zhù)系統的逐步完善，先進(jìn)的自動(dòng)化設備及控制系統的穩定性越來(lái)越高，也將為客戶(hù)帶來(lái)更大的經(jīng)濟效益。

作者簡(jiǎn)介：

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

王　勇（1972-），男，研究員，現任北自所（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)、應用和運維工作，獲得多項專(zhuān)利及多項省部級科技成果獎勵。

徐　慧（1981-），女，高級工程師，現任北自所（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)化設備的設計研究工作，獲得多項專(zhuān)利及一項省部級科技成果獎勵。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年7月刊