Node-RED在智能制造中的應(yīng)用研究

0引言

智能制造是制造業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,它通過(guò)集成先進(jìn)的傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等技術(shù),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化和最優(yōu)化。 Node—RED作為一個(gè)流行的物聯(lián)網(wǎng)編程平臺(tái),以其圖形化編程界面和強(qiáng)大的社區(qū)支持,為智能制造提供了一種創(chuàng)新的工具。

1 智能制造概述

1.1 智能制造的定義

智能制造(Intelligent Manufacturing,IM)是制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)工程與人工智能等學(xué)科互相滲透、互相交織而形成的一門(mén)綜合技術(shù)。智能制造系統(tǒng)的目標(biāo)就是將人工智能融入制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié),通過(guò)模擬專(zhuān)家的智能活動(dòng),取代或延伸制造環(huán)境中的部分腦力勞動(dòng),從而在制造過(guò)程中,能夠自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),在受到外界或內(nèi)部激勵(lì)時(shí),能自動(dòng)調(diào)整參數(shù),自組織達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)^[1]。

1.2 智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

1)感知控制技術(shù):這是智能制造的基礎(chǔ),涉及傳感器、射頻識(shí)別(RFID)、多媒體、工業(yè)控制等技術(shù),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)設(shè)備、原材料及工作人員的狀態(tài)。

2)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù):作為智能制造互聯(lián)互通的基礎(chǔ),包括以太網(wǎng)、5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,用于確保設(shè)備之間可以高效地傳輸數(shù)據(jù)。

3)信息處理技術(shù):涉及數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等,為智能制造應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

4)人工智能技術(shù):人工智能是研究如何使用各種智能機(jī)器或自動(dòng)化機(jī)器模仿人工,延伸和拓展人類(lèi)智能的技術(shù)科學(xué)^[2]。

5)數(shù)字孿生技術(shù):通過(guò)創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬數(shù)字副本,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的映射、分析和優(yōu)化。

6)邊緣計(jì)算技術(shù):在數(shù)據(jù)源附近進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,減少數(shù)據(jù)傳輸延遲,提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力。

7)工業(yè)軟件技術(shù):包括研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理、控制執(zhí)行等各類(lèi)工業(yè)軟件,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化管理。

8)人機(jī)協(xié)作技術(shù):開(kāi)發(fā)能夠與人類(lèi)工人協(xié)同工作的機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng),提高生產(chǎn)效率和安全性。

9)智能決策支持系統(tǒng):利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)(機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等),為生產(chǎn)管理提供智能決策支持。

1.3 智能制造的發(fā)展現(xiàn)狀

智能制造的基本特征:1)生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù);2)制造單元的柔性智能化與基于網(wǎng)絡(luò)的制造系統(tǒng)柔性智能化集成;3)制造過(guò)程自動(dòng)化、精益化、綠色化;4)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是制造過(guò)程的系統(tǒng)和各個(gè)環(huán)節(jié)智能集成化的支撐。

2021年12月,工信部等八部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》,提出要建立長(zhǎng)效評(píng)價(jià)機(jī)制,對(duì)中國(guó)制造企業(yè)進(jìn)行智能制造能力成熟度評(píng)估,針對(duì)不同行業(yè)、不同地域發(fā)布智能制造成熟度指數(shù),構(gòu)建智能制造賦能的激勵(lì)機(jī)制,推動(dòng)中國(guó)智能制造水平再上新臺(tái)階。根據(jù)《智能制造報(bào)告》的分析,當(dāng)前時(shí)期中國(guó)計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、汽車(chē)、電器、食品、醫(yī)藥、專(zhuān)用設(shè)備制造、化學(xué)原料及制品、有色金屬冶煉等行業(yè)的智能制造能力成熟度水平領(lǐng)先于其他行業(yè)^[3]。

2 Node-RED簡(jiǎn)介

2.1 Node-RED的起源和發(fā)展

Node-RED最初是由IBM的Emerging Technology Services團(tuán)隊(duì)于2013年開(kāi)發(fā)的。它起初是一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,旨在探索物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間消息流和數(shù)據(jù)流更簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法,以新穎有趣的方式將硬件設(shè)備、應(yīng)用程序接口、在線服務(wù)連接起來(lái),編程時(shí)只需要在瀏覽器中拖拽節(jié)點(diǎn)(Node),然后把這些節(jié)點(diǎn)用線連接起來(lái),數(shù)據(jù)即可通過(guò)這些連線在節(jié)點(diǎn)間傳遞^[4]。

隨著時(shí)間的推移,Node-RED已經(jīng)從一個(gè)主要關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的編程工具,發(fā)展成為一個(gè)適用于多種應(yīng)用的有用工具,包括智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析、API集成等。它的可視化編程接口使得編程變得直觀易懂,大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

2.2 Node-RED的架構(gòu)和特點(diǎn)

2.2.1架構(gòu)

Node-RED的運(yùn)行建立在node.js之上,利用其事件驅(qū)動(dòng)和非阻塞I/O的特性,適合在邊緣計(jì)算設(shè)備或云平臺(tái)上運(yùn)行。Node-RED提供了一個(gè)基于瀏覽器的流編輯器,允許用戶(hù)通過(guò)拖放節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序。這些節(jié)點(diǎn)可以是設(shè)備、API調(diào)用、定時(shí)器、函數(shù)等。

2.2.2特點(diǎn)

1)低代碼開(kāi)發(fā):可視化流程編輯器簡(jiǎn)化了編程過(guò)程,減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

2)靈活性:可以輕松地與各種數(shù)據(jù)庫(kù)、API和在線服務(wù)集成,適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

3)跨平臺(tái)兼容:可以在多種操作系統(tǒng)上運(yùn)行,包括Windows、macOS和Linux。

4)實(shí)時(shí)調(diào)試和反饋:提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流視圖和調(diào)試工具,使用戶(hù)能夠即時(shí)觀察和調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的行為。

5)模塊化和可重用性:用戶(hù)可以創(chuàng)建模塊化的流程并在不同的項(xiàng) 目中重用,提高了開(kāi)發(fā)效率和代碼的可維護(hù)性。

6)支持多種數(shù)據(jù)格式:支持多種數(shù)據(jù)格式,如JSON、XML、CSV等,方便數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換。

7)開(kāi)放性和可擴(kuò)展性:基于node.js,易于擴(kuò)展,可以添加新功能。

8)輕量級(jí)和高效:輕量級(jí)且高效,系統(tǒng)資源要求低,易于在多種設(shè)備上部署。

9)集成多種協(xié)議和通信方式:支持多種通信協(xié)議,方便與不同類(lèi)型的設(shè)備和服務(wù)進(jìn)行交互。

3 Node-RED在智能制造中的應(yīng)用案例分析

3.1 Node-RED安裝及運(yùn)行

本次應(yīng)用研究以windows系統(tǒng)為背景進(jìn)行。

1 )安 裝node .js :https : //nodejs . org/en#home-downloadhead。

2)安裝NPM:sudonpminstall-g--unsafe-permNode-RED。

3)安裝Docker:dockerrun-it-p 1880:1880--name mynodered nodered/Node-RED。

4)安裝Snap:sudo snap install Node-RED。

5)運(yùn)行:通過(guò)Powershell輸入Node-RED。

6)后臺(tái)環(huán)境:瀏覽器輸入http://127.0.0.1:1880進(jìn)入后臺(tái)編輯環(huán)境,如圖1所示。

3.2數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控

3.2.1 Node-RED溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集

1)溫濕度采集模塊接線方式如圖2所示,PC通過(guò) USB轉(zhuǎn)485接口模塊與采集模塊通信。

2)Node-RED通信參數(shù)設(shè)定。地址:1;波特率:9600 Baud;數(shù)據(jù)位:8;停止位:1;奇偶校驗(yàn):無(wú)。

3)查詢(xún)溫濕度輸入寄存器地址如圖3所示,利用 ModbusRead插件讀取數(shù)據(jù),在調(diào)試窗口顯示溫濕度寄存值(圖4)。

4)讀取并展示Node-RED溫濕度數(shù)據(jù)。通過(guò) Function功能將數(shù)值分為兩個(gè)Topic(TEMP/HUMI,如圖5所示),再利用Function功能進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換(圖6),Node-RED后臺(tái)編輯流程如圖7所示,最后通過(guò)Node- REDUI儀表顯示(圖8)。

5)將溫濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)(MySQL)。拉入一個(gè)Function插件(圖9),通過(guò)msg.topic來(lái)編寫(xiě)數(shù)據(jù)的錄入insert(圖10),查看數(shù)據(jù)寫(xiě)入成功,如圖11所示。

6)數(shù)據(jù)的歷史查詢(xún)。通過(guò)增加數(shù)據(jù)庫(kù)插件及表格Tabel形成查詢(xún)流程(圖12),利用Function功能執(zhí)行查詢(xún)代碼(圖13),最后將查詢(xún)后數(shù)據(jù)在UI顯示(圖14),也可通過(guò)增加插件Date Picket來(lái)設(shè)定日期條件進(jìn)行搜索。

7)郵件通知功能。通過(guò)增加Function功能及郵件插件組合郵件通知流程(圖15),利用JavaScript設(shè)定郵件通知觸發(fā)條件,比如設(shè)定超閾值,或者SPC的分析記錄。若條件滿(mǎn)足,觸發(fā)郵件通知功能如圖16所示。

8)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)MQTT對(duì)接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)部署EMQX^[5],EMQX是開(kāi)源可彈性伸縮的分布式物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器,單臺(tái)服務(wù)器支持每秒百萬(wàn)級(jí)高性能,能夠低延時(shí)在設(shè)備終端和用戶(hù)終端之間可靠實(shí)時(shí)傳輸,并可提供接入身份認(rèn)證,能有效阻止非法終端的連接^[6—7]。Node—RED數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后增加MQTT發(fā)布流程如圖17所示,發(fā)布數(shù)據(jù),分別設(shè)定“溫度”“濕度”主題,再通過(guò)MQTT測(cè)試軟件 MQTTX,分別訂閱主題“溫度”“濕度”,正常顯示數(shù)據(jù)如圖18所示。

3.2.2生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控

生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集與分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程的優(yōu)化,確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率,預(yù)防故障和生產(chǎn)中斷,從而提高生產(chǎn)質(zhì)量、降低維護(hù)成本、保障工作安全,并促進(jìn)基于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)決策。

1)創(chuàng)建OPC服務(wù)器(KEPServerEX),讀取底層設(shè)備PLC數(shù)據(jù)。在項(xiàng)目中建立新建通道,并在通道里創(chuàng)建需監(jiān)控變量,可以讀取模擬量及PLC所有DB信號(hào)(圖19)。

2)Node—RED后臺(tái)創(chuàng)建用OPC UA Client插件配置連入OPC服務(wù)器流程,讀取相應(yīng)數(shù)據(jù),如圖20所示。

3)通過(guò)Node—REDDashboard插件Text&Chart來(lái)顯示生產(chǎn)線設(shè)備模塊量,利用Led顯示生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)信息(如I/O信號(hào)、M寄存器等),如圖21所示。

4 Node-RED應(yīng)用于智能制造的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

4.1優(yōu)勢(shì)分析

4.1.1 易用性和靈活性

Node-RED提供了一個(gè)直觀的拖拽式編程界面,使得開(kāi)發(fā)者能快速構(gòu)建復(fù)雜的邏輯流程,無(wú)須深厚的編程背景,通過(guò)拖放節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用,降低了編程的復(fù)雜性,加快了開(kāi)發(fā)速度。

4.1.2可擴(kuò)展性和社區(qū)支持

Node-RED可以輕松地與各種數(shù)據(jù)庫(kù)、API和在線服務(wù)集成,提供極大的靈活性以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,并且有一個(gè)積極主動(dòng)的社區(qū),為用戶(hù)提供廣泛的自定義節(jié)點(diǎn)和共享流,簡(jiǎn)化了復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)。

4.2挑戰(zhàn)與對(duì)策

4.2.1安全性問(wèn)題

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深化,安全問(wèn)題日益凸顯。 Node-RED需要在保證易用性的同時(shí),進(jìn)一步強(qiáng)化安全機(jī)制,包括數(shù)據(jù)加密、訪問(wèn)控制、安全認(rèn)證等方面。

4.2.2性能和穩(wěn)定性

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的增加,Node-RED所處理的數(shù)據(jù)量也在不斷增長(zhǎng),系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性成為一個(gè)重要考慮因素。雖然Node-RED支持廣泛的技術(shù)集成,但隨著技術(shù)的發(fā)展,集成新技術(shù)和平臺(tái)可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。

5結(jié)論與展望

本文通過(guò)分析Node-RED在智能制造中的應(yīng)用,展示了其在數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)控、自動(dòng)化控制和智能決策等方面的潛力。Node-RED以其低代碼、圖形化編程的特點(diǎn),提供了一種快速開(kāi)發(fā)和部署智能制造解決方案的方法。

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,Node-RED的下一個(gè)重大飛躍很可能在于與AI技術(shù)的深度融合,通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽操作,即可集成機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)或自動(dòng)化決策制定,這將極大地提升系統(tǒng)的智能水平和響應(yīng)效率。未來(lái)的Node-RED可能會(huì)內(nèi)置更多開(kāi)箱即用的AI節(jié)點(diǎn),讓開(kāi)發(fā)者能輕松利用 AI的力量,從而在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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2024年第20期第6篇