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,它通過集成先進的傳感器、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析等技術(shù),實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、智能化和最優(yōu)化。 Node—RED作為一個流行的物聯(lián)網(wǎng)編程平臺,以其圖形化編程界面和強大的社區(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綜合技術(shù)。智能制造系統(tǒng)的目標就是將人工智能融入制造過程的各個環(huán)節(jié),通過模擬專家的智能活動,取代或延伸制造環(huán)境中的部分腦力勞動,從而在制造過程中,能夠自動監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài),在受到外界或內(nèi)部激勵時,能自動調(diào)整參數(shù),自組織達到最優(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、射頻識別(RFID)、多媒體、工業(yè)控制等技術(shù),用于實時監(jiān)測生產(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器或自動化機器模仿人工,延伸和拓展人類智能的技術(shù)科學(xué)^[2]。

5)數(shù)字孿生技術(shù):通過創(chuàng)建物理實體的虛擬數(shù)字副本,實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的映射、分析和優(yōu)化。

6)邊緣計算技術(shù):在數(shù)據(jù)源附近進行數(shù)據(jù)處理和分析,減少數(shù)據(jù)傳輸延遲,提高實時數(shù)據(jù)處理能力。

7)工業(yè)軟件技術(shù):包括研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、控制執(zhí)行等各類工業(yè)軟件,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理。

8)人機協(xié)作技術(shù):開發(fā)能夠與人類工人協(xié)同工作的機器人和自動化系統(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)制造過程自動化、精益化、綠色化;4)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是制造過程的系統(tǒng)和各個環(huán)節(jié)智能集成化的支撐。

2021年12月,工信部等八部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》,提出要建立長效評價機制,對中國制造企業(yè)進行智能制造能力成熟度評估,針對不同行業(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機制,推動中國智能制造水平再上新臺階。根據(jù)《智能制造報告》的分析,當前時期中國計算機、電子設(shè)備、汽車、電器、食品、醫(yī)藥、專用設(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簡介

2.1 Node-RED的起源和發(fā)展

Node-RED最初是由IBM的Emerging Technology Services團隊于2013年開發(fā)的。它起初是一個實驗項目,旨在探索物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間消息流和數(shù)據(jù)流更簡單的實現(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,編程時只需要在瀏覽器中拖拽節(jié)點(Node),然后把這些節(jié)點用線連接起來,數(shù)據(jù)即可通過這些連線在節(jié)點間傳遞^[4]。

隨著時間的推移,Node-RED已經(jīng)從一個主要關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的編程工具,發(fā)展成為一個適用于多種應(yīng)用的有用工具,包括智能家居、工業(yè)自動化、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,大大減少了開發(fā)時間和成本。

2.2 Node-RED的架構(gòu)和特點

2.2.1架構(gòu)

Node-RED的運行建立在node.js之上,利用其事件驅(qū)動和非阻塞I/O的特性,適合在邊緣計算設(shè)備或云平臺上運行。Node-RED提供了一個基于瀏覽器的流編輯器,允許用戶通過拖放節(jié)點來創(chuàng)建應(yīng)用程序。這些節(jié)點可以是設(shè)備、API調(diào)用、定時器、函數(shù)等。

2.2.2特點

1)低代碼開發(fā):可視化流程編輯器簡化了編程過程,減少了開發(fā)時間和成本。

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

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

4)實時調(diào)試和反饋:提供實時的數(shù)據(jù)流視圖和調(diào)試工具,使用戶能夠即時觀察和調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的行為。

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

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)開放性和可擴展性:基于node.js,易于擴展,可以添加新功能。

8)輕量級和高效:輕量級且高效,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,方便與不同類型的設(shè)備和服務(wù)進行交互。

3 Node-RED在智能制造中的應(yīng)用案例分析

3.1 Node-RED安裝及運行

本次應(yīng)用研究以windows系統(tǒng)為背景進行。

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)運行:通過Powershell輸入Node-RED。

6)后臺環(huán)境:瀏覽器輸入http://127.0.0.1:1880進入后臺編輯環(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)的實時采集

1)溫濕度采集模塊接線方式如圖2所示,PC通過 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:無。

3)查詢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 Function功能將數(shù)值分為兩個Topic(TEMP/HUMI,如圖5所示),再利用Function功能進行數(shù)值轉(zhuǎn)換(圖6),Node-RED后臺編輯流程如圖7所示,最后通過Node- REDUI儀表顯示(圖8)。

5)將溫濕度數(shù)據(jù)自動寫入數(shù)據(jù)庫(MySQL)。拉入一個Function插件(圖9),通過msg.topic來編寫數(shù)據(jù)的錄入insert(圖10),查看數(shù)據(jù)寫入成功,如圖11所示。

6)數(shù)據(jù)的歷史查詢。通過增加數(shù)據(jù)庫插件及表格Tabel形成查詢流程(圖12),利用Function功能執(zhí)行查詢代碼(圖13),最后將查詢后數(shù)據(jù)在UI顯示(圖14),也可通過增加插件Date Picket來設(shè)定日期條件進行搜索。

7)郵件通知功能。通過增加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。若條件滿足,觸發(fā)郵件通知功能如圖16所示。

8)物聯(lián)網(wǎng)平臺MQTT對接的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺部署EMQX^[5],EMQX是開源可彈性伸縮的分布式物聯(lián)網(wǎng)MQTT消息服務(wù)器,單臺服務(wù)器支持每秒百萬級高性能,能夠低延時在設(shè)備終端和用戶終端之間可靠實時傳輸,并可提供接入身份認證,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MQTT測試軟件 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)的實時監(jiān)控

生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控,通過實時數(shù)據(jù)收集與分析,實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的優(yōu)化,確保設(shè)備運行的穩(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、降低維護成本、保障工作安全,并促進基于數(shù)據(jù)的精準決策。

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(圖19)。

2)Node—RED后臺創(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Node—REDDashboard插件Text&Chart來顯示生產(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、M寄存器等),如圖21所示。

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

4.1優(yōu)勢分析

4.1.1 易用性和靈活性

Node-RED提供了一個直觀的拖拽式編程界面,使得開發(fā)者能快速構(gòu)建復(fù)雜的邏輯流程,無須深厚的編程背景,通過拖放節(jié)點來創(chuàng)建應(yīng)用,降低了編程的復(fù)雜性,加快了開發(fā)速度。

4.1.2可擴展性和社區(qū)支持

Node-RED可以輕松地與各種數(shù)據(jù)庫、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)用場景,并且有一個積極主動的社區(qū),為用戶提供廣泛的自定義節(jié)點和共享流,簡化了復(fù)雜功能的實現(xiàn)。

4.2挑戰(zhàn)與對策

4.2.1安全性問題

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深化,安全問題日益凸顯。 Node-RED需要在保證易用性的同時,進一步強化安全機制,包括數(shù)據(jù)加密、訪問控制、安全認證等方面。

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,系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性成為一個重要考慮因素。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)和平臺可能會帶來挑戰(zhàn)。

5結(jié)論與展望

本文通過分析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,提供了一種快速開發(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的下一個重大飛躍很可能在于與AI技術(shù)的深度融合,通過簡單的拖拽操作,即可集成機器學(xué)習(xí)模型進行數(shù)據(jù)分析、預(yù)測或自動化決策制定,這將極大地提升系統(tǒng)的智能水平和響應(yīng)效率。未來的Node-RED可能會內(nèi)置更多開箱即用的AI節(jié)點,讓開發(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。

[參考文獻]

[1]趙亞波.智能制造[J].工業(yè)控制計算機,2002,15 (3):1-4.

[2]劉惠玲,許可嘉.智能制造關(guān)鍵技術(shù)概述[J].質(zhì)量與認證,2020(11):48-49.

[3]李金華.中國綠色制造、智能制造發(fā)展現(xiàn)狀與未來路徑[J].經(jīng)濟與管理研究,2022,43(6):3-12.

[4]莊進樣.基于Node-RED和樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā):以中職物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)系統(tǒng)開發(fā)課程為例[J].廣東教育(職教版),2020(7):43-45.

[5] 閻子繁.基于EMQX云平臺與ESP-wiFi-MESH的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2023,13(6):133-137.

[6]朱成杰,周亞.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2022,12(11):30-32.

[7]李長軍,李明洋,郝在盛,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能飲水提醒系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2022,12 (12):96-97.

2024年第20期第6篇