基于工業互聯網的熱沖壓生產線監控系統的研究及應用
來源:用戶上傳
作者:
【摘 要】隨著汽車輕量化的發展，高強鋼熱成形工藝的發展和普遍應用，對熱沖壓成形生產線也提出了新的要求。在保證生產線高效運行的同時，生產過程中的安全性、自動化設備的工作狀態及工作人員安全都能夠通過實時監測和智能分析好得到更大的保證。
【關鍵詞】高強鋼熱成形;熱沖壓生產線;安全性;網絡視頻監控;生產線特征識別
中圖分類號：TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）15-0038-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.018
Research and Application of Monitoring System for Hot Stamping Production Line Based on Industrial Internet
SU Zhi-tong
?。≦ingdao Kingerobot Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266000，China）
【Abstract】With the development of automobile lightweight，the development and universal application of high-strength steel hot forming process has also put forward new requirements for hot stamping forming production lines.While ensuing the efficient operation of the production line，the safety in the production process，the working state of the automation equipment and the safety of the staff can all be ensured through real-time monitoring and intelligent analysis.
【Key words】High-strength steel hot forming; Hot stamping production line; Safety; Network Video Monitoring; Production line feature recognition
高強鋼板熱沖壓生產線是有伺服壓力機、多層箱式爐和自動輸送系統組成。坯料被機械手拆垛，送進加熱爐。被加熱坯料（900-950°C）被機械手送到壓力機模具上。壓力機合模（坯料成形）-保壓（冷卻淬火）后，零件被出料機械手從模具上取出，放在傳送帶上。高強鋼板從500-700MPa經過成形強化，達到1500MPa。熱坯料在機械手輸送過程中做空間曲線運動，機械手與機械手、機械手與壓力機呈協同工作狀態。盡管自動控制系統考慮了安全控制的各種控制策略的應用，但是建立獨立的傳感器網絡監控系統，以提高熱沖壓生產線的輸送監控對安全生產是必要的。
1 監控系統的設計
傳統的生產安全主要是通過人直覺和經驗判斷，缺乏穩定和可靠性。根據實際需要，從熱沖壓工藝過程和安全性角度將生產線分為安全區、危險區和高危區，采用工業互聯網絡視頻監控的方式來監控運動系統的穩定性和環境狀態。
網絡視頻監控系統是通過網絡連接的方式將網絡數字攝像機連接起來，通過控制手段對其控制采集視頻，實時顯示生產線運行狀態的系統。視頻監控系統基本原理包括壓縮、編碼以及采集，同時還有網絡傳輸。視頻監控系統主要包括攝像部分、傳輸部分、顯示部分以及控制部分。在互聯網的數據傳送方式下，實現視頻數據的快速和實時傳輸是系統的技術關鍵。應考慮從壓縮技術和網絡結構方面分析視頻快速傳輸的方法，提出的解決方案。
2 工業互聯網架構及視覺監控系統
2.1 熱沖壓生產線的安全行為分析
在對熱沖壓生產線安全性分析之前，首先對熱沖壓中可能出現的危險進行分類分析。
2.1.1 機械運動碰撞
機械危險是指由于機器零件、工具以及生產線中可能產生傷害的物理因素的總稱。產生機械危險的主要因素一般在運動交接位置、機械不穩定抖動，或者輸送坯料從卡爪中脫落。這些機械危險是自動化生產中的潛在危險，影響生產線的安全，造成事故停機，甚至可能對人員造成傷害。
2.1.2 高溫危害
加熱爐的進出料的機械手，長時間、連續進出爐，受高溫環境加熱。坯料出爐的高溫熱輻射對周邊設備的影響都會影響了生產線的安全運行。
2.1.3 振動危險
熱沖壓生產線，盡管機械伺服壓力機工作較平穩，但進行沖壓過程會產生振動。送料機器人在高速輸送過程中，可能由于設備控制和機械結構不穩定性，導致設備產生振動。
2.2 熱沖壓生產線安全性區域分析
根據以上的分析，在熱沖壓生產線中存在各種各樣的危險和安全隱患。通過分類分區，為視頻監控提供建模基礎。將熱沖壓的整個車間分為三個區域：黑色所在的矩形區域為整個生產車間，也就是廠房;黃色矩形所在的區域為圍欄區域，圍欄上設有安全門;紅色區域為各設備圍成的中間的狹小區域。按危險的程度不同，將生產線安全區域分為安全區、危險區以及高危區。
安全區域因為有安全圍欄的保護，不易發生危險事故，屬于車間的安全區。在該區域有人工通道和叉車專用通道。危險區域包含有熱沖壓生產設備和自動輸送機械手。在該區域會發生振動危險、噪音危險以及機械危險。在連續生產的過程中，一般不允許工作人員進入此區域。 高危區域面積狹小，是熱沖壓生產的關鍵區域，但是也屬于熱沖壓產線的高度危險區域，在該區域可能會發生機械危險和熱危險，是安全性最差，也是最應該關注的區域禁止操作人員隨意進出。
2.3 熱沖壓生產線系統的故障模型
在熱沖壓生產過程中，一般有兩種故障形式：（1）可修復故障，如空冷時間過長致使板料沖壓溫度不夠、輸送過程產生疊料、等，一般可按廢料處理來執行機械手操作解決，不會影響生產線的連續生產。（2）嚴重故障，如機械手運行過程中和加熱爐、壓力機發生碰撞，機械手運行出現運動軌跡錯誤等，這些故障將導致生產線停運檢修，無法通過自動化控制來快速解決，并且修復這些故障可能需要很長的時間。通過視頻監控技術，可以回放故障發生的過程，快速輔助判斷故障產生的原因。
2.4 熱沖壓生產線視頻監控高清視頻傳輸
數字視頻采集主要線通過前端攝像機進行采集，將采集到的模擬信號進行A/D轉換，然后再采用數字信號進行網絡傳輸，數字信號傳輸過程往往還伴隨著視頻的壓縮處理。網絡監控包括現場設備層、控制層和信息層。設備層是監控網絡的最底層，面向各種電子設備，底層設備要求可靠性高。控制層屬于中間層，控制層與設備層和信息層都相連，通過網絡傳輸設備，需要高傳輸速率和高實時性。信息層屬于最頂層，通信可以更加廣泛，可利用互聯網、數據庫等技術，屬于數據量較大的系統。網絡監控屬于分布式離散化的系統。不同層之間通過網絡進行通信，網絡傳輸減少了這樣的一個差異性。
熱沖壓生產線中，為了更好地將視頻監控系統和總控系統進行互聯，采用工業互聯網的網絡的連接方式，網絡傳輸采用雙絞線，但是熱沖壓現場環境惡劣，電磁干擾較多，部分區域采用光纖傳送。
采用OPNET仿真研究了采用交換機星型結構和壓縮技術可實現快速實時性視頻傳輸，高清視頻是指視頻格式在720P以上的視頻顯示，包括720p、1080p以及1080i。目前，主要的高清系統主要采用IP化壓縮網絡視頻的方式解決，也就是采用高碼流的傳輸方式。根據熱成形生產線高清視頻監控的研究設計，采用多路高清網絡攝像機和一個交換機組成的傳輸模型，網絡攝像機高清視頻為720P和1080P。交換機背板帶寬設計要求交換機的背板寬帶大于等于總寬帶，即滿足C≤G。最后計算包交換率，要求網絡交換機的包交換率至少大于此計算的包交換率。
2.5 熱沖壓生產線視頻監控的安全生產實現
從生產線中復雜的零件中提取出有用的信息是關鍵。視頻由一幀一幀在時間上連續的圖像組成，即通過處理圖像中的信息就可以實現視頻信息的實時處理，能夠快速識別出物理對象中的位置和運動趨勢等重要信息。成功構建了高強鋼板熱沖壓生產線的互聯網視頻監控系統，實現了在安全區對高危險區域的實時監控。該系統可以通過互聯網實現長周期遠程監控，或無線聯接手機應用客戶端監控。
該系統在多條生產線上投入運行，對提高生產安全性有良好的保障作用。同時，對意外故障，可以從循環數據庫中提取視頻記錄，用于故障的重現和分析，從而優化改善生產線的總控制系統
3 結語
熱沖壓生產線網絡視頻監控系統需要滿足實時顯示、視頻回放和圖像抓拍的功能。根據視頻監控系統的原理和熱沖壓生產線的安全性要求，成功開發了生產線的網絡視頻監控系統，實現了在安全區域對危險區域的實時監控。根據視頻監控系統，提出了采用視頻監控圖像特征的識別方法，快速提取了熱沖壓生產線設備運動位置，并實現了運動機構的位置及輸送裝置的運動干涉識別，實現了安全碰撞避讓控制。
【參考文獻】
[1]張宜生，王子健，王梁.高強鋼熱沖壓成形工藝及裝備進展[J].塑性工程學報，2018，25（5）：11-23.
[2]Kewei Song， Yisheng Zhang，Research on Simulation Model and Application for Flexible Manufacturing System of Hot Stamping[J].Advanced Materials Research Vols. 443-444 （2012） pp 576-582.
[3]王崢，張宜生，劉會強.熱沖壓生產線中工業機器人輸送路徑的優化[J].鍛壓技術，2012， 03： 36-39+58.
[4]Wang， L.， et al.， Modeling of hot stamping process procedure based on finite state machine （FSM）[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 89 （2016），pp.1-12.
[5]劉春.高清視頻技術在高速公路監控系統中的應用探討[J].公路交通機術.2015（06）：122-126.
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/8/view-14929463.htm
