林冬驍 沈嘉晨 姜友相 胡浩林

摘? 要：生產(chǎn)線運(yùn)行邏輯更改時(shí)通常需要對(duì)其PLC程序進(jìn)行調(diào)整，該任務(wù)一般需受過(guò)培訓(xùn)的工程師使用專(zhuān)業(yè)的工程電腦來(lái)完成。面對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員培養(yǎng)周期較長(zhǎng)的現(xiàn)狀，如何簡(jiǎn)化生產(chǎn)線運(yùn)行邏輯調(diào)整難度，降低現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化編程的學(xué)習(xí)成本成為當(dāng)務(wù)之急。對(duì)Node-RED這一面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ咴谀乘幤總魉拖到y(tǒng)運(yùn)行邏輯調(diào)整時(shí)進(jìn)行應(yīng)用，使操作者通過(guò)較低的學(xué)習(xí)成本即可完成對(duì)該傳送系統(tǒng)運(yùn)行邏輯的調(diào)整，可以極大提高現(xiàn)場(chǎng)工作的效率。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化編程；Node-RED；智能生產(chǎn)線

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）18-0031-06

Node-RED Implementation for Simplifing and adjusting the Operation Logic of Transfer System

LIN Dongxiao， SHEN Jiachen， JIANG Youxiang， HU Haolin

（East China Branch of the Fifth Electronic Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology， Suzhou? 215011， China）

Abstract： When the operation logic of production line need to be changed， the PLC program usually should be configured， and this task usually requires trained engineers to complete it by using professional engineering computers. Faced with the current situation of long training cycle of professional technicians， it is imperative to simplify the difficulty of adjusting the production line operation logic and reduce the learning cost of field automation programming. The application of Node-RED， an object-oriented programming tool， in the adjustment of the operation logic of a medicine bottle transfer system， enables the operator to adjust the operation logic of the transfer system with low learning cost and improves the efficiency of the field work.

Keywords： automation programming; Node-RED; intelligent production line

0? 引? 言

面對(duì)日益增長(zhǎng)的產(chǎn)品定制化需求，生產(chǎn)線面臨依據(jù)訂單變化而快速響應(yīng)的挑戰(zhàn)，也就是生產(chǎn)線本身需要具備柔性?，F(xiàn)代柔性生產(chǎn)的出現(xiàn)使得制造業(yè)適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力得到提高，部門(mén)間的強(qiáng)壁壘逐漸被打破，產(chǎn)業(yè)間融合競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)逐漸成形，這也使得制造業(yè)在轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中除了將會(huì)面臨同產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)，也需要應(yīng)對(duì)其他產(chǎn)業(yè)利用柔性生產(chǎn)所給予的市場(chǎng)壓力[1]。因此這不僅要求生產(chǎn)線逐漸向“柔性化”進(jìn)行轉(zhuǎn)變，也對(duì)自動(dòng)化工程師處理生產(chǎn)線運(yùn)行邏輯調(diào)整的效率提出了更高的要求。

生產(chǎn)線的運(yùn)行邏輯調(diào)整需要自動(dòng)化工程師使用安裝了編程環(huán)境的計(jì)算機(jī)調(diào)整程序后上傳至現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)中。除了對(duì)編程計(jì)算機(jī)硬件條件的了解，還需要對(duì)自動(dòng)化編程技能的掌握，以及其對(duì)需要調(diào)整的程序結(jié)構(gòu)的足夠了解。但是PLC硬件供應(yīng)商品牌眾多，產(chǎn)品系列功能差別較大，這需要學(xué)習(xí)的投入與經(jīng)驗(yàn)的積累，隨著國(guó)內(nèi)人口紅利逐漸消失，專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員的培養(yǎng)周期也隨之增加，大量技術(shù)崗位出現(xiàn)缺口[2]，短時(shí)間內(nèi)培養(yǎng)出符合企業(yè)需求的技術(shù)人才的難度極大。本文將討論如何使用一款面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ呓档妥詣?dòng)化編程的硬件依賴(lài)，降低自動(dòng)化編程的學(xué)習(xí)成本，使現(xiàn)場(chǎng)人員能夠簡(jiǎn)單快捷地調(diào)整程序邏輯，從而提高現(xiàn)場(chǎng)編程的效率。

1? 生產(chǎn)線運(yùn)行邏輯程序調(diào)整面臨挑戰(zhàn)

隨著制造業(yè)由賣(mài)方市場(chǎng)向買(mǎi)方市場(chǎng)轉(zhuǎn)變，能夠快速響應(yīng)客戶(hù)定制化的需求成為衡量企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的新標(biāo)準(zhǔn)。因此企業(yè)的生產(chǎn)模式也逐漸從“小品種大批量”向“多品種小批量”轉(zhuǎn)變。這類(lèi)轉(zhuǎn)變帶來(lái)的最大影響是傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的變化。相比于大批量生產(chǎn)對(duì)設(shè)備加工速度的極高要求，“多品種小批量”更考驗(yàn)企業(yè)生產(chǎn)的靈活性和對(duì)生產(chǎn)流程的把控[3]。生產(chǎn)靈活性的提高意味著生產(chǎn)線調(diào)整效率的優(yōu)化。

生產(chǎn)線的調(diào)整需要自動(dòng)化程序的改寫(xiě)。傳統(tǒng)生產(chǎn)線使用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller， PLC）編寫(xiě)運(yùn)行邏輯程序，程序編寫(xiě)依據(jù)IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)化文本/結(jié)構(gòu)式文件編程語(yǔ)言（Structured Text）也稱(chēng)為ST語(yǔ)言可以有效地簡(jiǎn)化編程方法，減輕用戶(hù)重復(fù)學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)[4]。調(diào)整使用ST語(yǔ)言編程的PLC程序需要自動(dòng)化工程師使用安裝編程軟件（比如TwinCAT或CODESYS）的工程電腦改寫(xiě)程序后重新導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)的PLC中。影響該過(guò)程實(shí)施效率的因素主要有：

1）編程計(jì)算機(jī)硬件性能。隨著PLC編程工具功能的增加，現(xiàn)有的部分計(jì)算機(jī)無(wú)法達(dá)到編程最優(yōu)配置要求。從硬件條件上限制了PLC程序編寫(xiě)的效率，也增加了購(gòu)買(mǎi)新計(jì)算機(jī)的成本。

2）編程工具學(xué)習(xí)成本。傳統(tǒng)的編程軟件配置復(fù)雜，需要系統(tǒng)性的培訓(xùn)才能熟練操作，學(xué)習(xí)成本較高。一旦出現(xiàn)崗位缺口且又無(wú)法從人才市場(chǎng)招聘到合適的技術(shù)人才時(shí)，通過(guò)內(nèi)部培訓(xùn)達(dá)到工作標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程漫長(zhǎng)。

3）編程人員自身技能。即使有編程規(guī)范要求，不同工程師的程序編寫(xiě)習(xí)慣依然會(huì)存在差別，如何在短時(shí)間內(nèi)理解陌生的PLC程序，并正確實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)參數(shù)修改需要技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，很難通過(guò)速成學(xué)習(xí)達(dá)成。

上述影響因素也出現(xiàn)在某智能工廠中。該工廠擁有一條藥瓶傳送系統(tǒng)，該傳送系統(tǒng)由于面對(duì)訂單定制化需求引起的PLC程序的頻繁變更，面臨著提高程序調(diào)整效率的挑戰(zhàn)。

2? 傳送系統(tǒng)痛點(diǎn)簡(jiǎn)述

該傳送系統(tǒng)用于藥品玻璃瓶分揀，整套系統(tǒng)使用Beckhoff CX2020工控機(jī)控制，包含傳動(dòng)電機(jī)（用于控制傳送帶正反方向移動(dòng)以及停止）、功能電機(jī)（用于控制分揀單元左右轉(zhuǎn)動(dòng)以及停止）以及數(shù)個(gè)傳感器等部件單元（如圖1所示）。

該傳送帶系統(tǒng)擁有多條傳送軌道，需要根據(jù)不同產(chǎn)品需求改變傳送系統(tǒng)各部件單元的運(yùn)行邏輯（如功能電機(jī)的運(yùn)行方向）。為應(yīng)對(duì)此生產(chǎn)場(chǎng)景，初期方案中PLC設(shè)計(jì)了HMI的界面，界面中為部件單元編寫(xiě)了虛擬按鍵，用按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)傳送帶運(yùn)行方向改變等邏輯。但由于虛擬按鍵功能單一，無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的邏輯改動(dòng)，因此仍然需要工程師接入現(xiàn)場(chǎng)PLC中進(jìn)行程序修改，未實(shí)際提升效率。

本文通過(guò)Node-RED作為方案，用于解決上述痛點(diǎn)。Node-RED作為一款開(kāi)源高效的編程工具，除了支持低配置設(shè)備通過(guò)瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)編程，同時(shí)以可視化編程的方式實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)成本降低和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行邏輯程序調(diào)整的簡(jiǎn)易性。

3? 方案設(shè)計(jì)

3.1? 工具

Node-RED是由Nick O'Leary和Dave Conway Jones在IBM的一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目中研發(fā)的。首個(gè)版本在2013年初發(fā)布[5]。Node-RED是一款強(qiáng)大的編程工具，以一種全新的方式來(lái)連接硬件設(shè)備、應(yīng)用編程接口（Application Programming Interface， API）和在線服務(wù)。在Node-RED中，用戶(hù)使用可視化編程方法，連接預(yù)定義的代碼塊（也被稱(chēng)為“節(jié)點(diǎn)”）來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序。一個(gè)應(yīng)用程序通常是由一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)、一些處理節(jié)點(diǎn)和一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)組成。用戶(hù)將功能板上的節(jié)點(diǎn)拖入工作區(qū)并將它們連接起來(lái)，就可以創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用程序（如圖2所示）。

3.2? 方案搭建

3.2.1? 方案架構(gòu)

傳送系統(tǒng)Beckhoff工控機(jī)通過(guò)UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議以數(shù)組（Array）形式將部件單元的控制及反饋數(shù)據(jù)同步更新至安裝有Node-RED運(yùn)行環(huán)境的服務(wù)器中，Node-RED使用UDP輸入節(jié)點(diǎn)獲取傳送系統(tǒng)同步的數(shù)據(jù)，得到各部件單元的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。當(dāng)用戶(hù)在Node-RED配置完新的運(yùn)行邏輯之后，Node-RED的輸出節(jié)點(diǎn)將任務(wù)命令更新至數(shù)組對(duì)應(yīng)位后將新數(shù)組發(fā)送回傳送系統(tǒng)PLC中，觸發(fā)對(duì)應(yīng)部件單元的動(dòng)作（如圖3所示）。

3.2.2? 數(shù)組結(jié)構(gòu)與交互邏輯

用于傳遞數(shù)據(jù)的數(shù)組包含元素眾多，取其中十位用于結(jié)構(gòu)說(shuō)明（如圖4所示）。命令位由Node-RED賦值，賦值“1”時(shí)PLC向Node-RED發(fā)送當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)數(shù)組。電機(jī)控制位各位由Node-RED賦值，賦值后觸發(fā)動(dòng)作，如賦值“1”時(shí)對(duì)應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)，賦值“0”時(shí)該電機(jī)停止。傳感器反饋位由PLC賦值，賦值內(nèi)容取決于當(dāng)前傳感器數(shù)值。

當(dāng)需要調(diào)整運(yùn)行邏輯時(shí)，Node-RED首先向數(shù)組命令位賦值“1”，之后發(fā)送該數(shù)組至PLC中。PLC判斷當(dāng)前狀態(tài)可以調(diào)整時(shí)，向數(shù)組中寫(xiě)入電機(jī)和傳感器狀態(tài)值，隨后發(fā)送至Node-RED。Node-RED通過(guò)向數(shù)組對(duì)應(yīng)位賦值用于調(diào)整邏輯，隨后新的數(shù)組將被重新發(fā)送至PLC中用于執(zhí)行對(duì)應(yīng)邏輯，改寫(xiě)流程如圖5所示。

3.2.3? Node-RED程序設(shè)計(jì)

為與PLC工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，Node-RED中編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用程序。Node-RED應(yīng)用程序主體分為兩部分：接收程序和發(fā)送程序。以接收程序?yàn)槔?jiǎn)述程序構(gòu)成（如圖6所示）

圖6中1號(hào)標(biāo)識(shí)為UDP接收節(jié)點(diǎn)，用于接收PLC使用UDP方式回傳的數(shù)組。2號(hào)標(biāo)識(shí)為rbe（report by exception）節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的作用是僅當(dāng)接收的數(shù)組內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)傳遞數(shù)據(jù)，避免重復(fù)解析同一數(shù)組。3號(hào)標(biāo)識(shí)為函數(shù)節(jié)點(diǎn)，功能是將接收到數(shù)組中各個(gè)位所包含的元素拆分解析，如解析出當(dāng)前傳感器讀數(shù)。4號(hào)標(biāo)識(shí)的數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)用于解析拆分后的元素，用于將這些元素?cái)?shù)據(jù)按照程序設(shè)定傳遞到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析節(jié)點(diǎn)中去，用于進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理。接收程序會(huì)在每次發(fā)送程序啟動(dòng)前被觸發(fā)，用于檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前是否處于無(wú)法被編輯的狀態(tài)（如傳送帶正處于急停狀態(tài)，尚未復(fù)位）。

發(fā)送程序也采用同樣地結(jié)構(gòu)方式，唯一區(qū)別是發(fā)送程序中將傳送系統(tǒng)中地各個(gè)部件單元進(jìn)行了封裝（如圖7所示）。圖7（a）為封裝完畢的傳動(dòng)電機(jī)控制命令，分為“電機(jī)開(kāi)“和”電機(jī)關(guān)“兩個(gè)命令，圖7（b）為封裝控制命令中的用于開(kāi)啟和關(guān)閉電機(jī)的應(yīng)用程序。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)（或是節(jié)點(diǎn)內(nèi)的功能說(shuō)明）的描述，操作者可以方便識(shí)別出各節(jié)點(diǎn)所能實(shí)現(xiàn)的功能。如操作者需實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)電機(jī)1開(kāi)啟三秒后關(guān)閉，只需拖出“電機(jī)開(kāi)”節(jié)點(diǎn)、“延時(shí)”節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)中設(shè)置延時(shí)3秒）與“電機(jī)關(guān)”節(jié)點(diǎn)，并將它們按執(zhí)行先后順序連接即可實(shí)現(xiàn)編程（如圖8所示）。

4? 方案成果

4.1? 編程硬件需求降低

相比較于使用高性能的編程計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，本解決方案的硬件需求極低，這得益于本方案的Node-RED編程環(huán)境安裝在遠(yuǎn)程服務(wù)器中且支持通過(guò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)并進(jìn)行在線編程[6]。使用者在該方案中無(wú)須考慮計(jì)算機(jī)應(yīng)該安裝什么版本的操作系統(tǒng)或者安裝哪些必要的系統(tǒng)插件以支持編程軟件的正常運(yùn)行，僅需安裝或直接使用最基本的瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)編程。使用者者甚至可以使用非計(jì)算機(jī)的安裝有瀏覽器的設(shè)備接入并編程（如平板電腦或是智能手機(jī)）。因此該方案極大減少了現(xiàn)場(chǎng)編程設(shè)備硬件投入，減少了的編程對(duì)硬件的依賴(lài)性。

4.2? 保持PLC程序穩(wěn)定

修改PLC程序時(shí)極易會(huì)由于關(guān)鍵變量設(shè)置錯(cuò)誤或其他不可控制的因素導(dǎo)致原始PLC程序無(wú)法正常運(yùn)行，從而花費(fèi)大量時(shí)間用于排查代碼故障。本方案使用Node-RED在PLC程序外部進(jìn)行調(diào)整編程，原有PLC程序架構(gòu)不受影響，保持了核心PLC程序的穩(wěn)定性。

4.3? 可擴(kuò)展性增加

在數(shù)字化時(shí)代，數(shù)據(jù)如何采集分析或是與外部系統(tǒng)互通能力是評(píng)判一條生產(chǎn)線是否具備智能化改造條件的先決因素之一。Node-RED中有豐富的工業(yè)領(lǐng)域適用的通信協(xié)議節(jié)點(diǎn)（如OPC-UA、MQTT等），通過(guò)簡(jiǎn)單的配置即可使用。同時(shí)也能支持郵件、即時(shí)通信軟件等多樣化的數(shù)據(jù)分享方式，增加了數(shù)據(jù)互通的可擴(kuò)展性。

一些版本陳舊的PLC工控機(jī)也可以使用本解決方案實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)。相比較于老舊工控機(jī)的硬件改造技術(shù)難度高，本方案從軟件方向切入，采集PLC相關(guān)點(diǎn)位信號(hào)后通過(guò)Node-RED作為外部平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化。如某老款激光切割機(jī)通過(guò)設(shè)備預(yù)留的IO信號(hào)端子與Node-RED平臺(tái)連接，采集其開(kāi)關(guān)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備使用效率統(tǒng)計(jì)以及可視化看板的功能。

4.4? 學(xué)習(xí)成本降低

降低編程的學(xué)習(xí)成本，使操作者更快上手工具的使用將能解決技術(shù)人員培養(yǎng)周期長(zhǎng)這一痛點(diǎn)。

該傳送系統(tǒng)PLC部分使用Beckhoff的TwinCAT工具進(jìn)行編程。該工具功能繁多具有一定的學(xué)習(xí)門(mén)檻。同時(shí)且需要使用者掌握PLC相關(guān)編程語(yǔ)言的知識(shí)并且系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)技能之后才能掌握該工具的使用[7]（圖9（a））。反觀Node-RED界面簡(jiǎn)潔且使用者僅需簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可通過(guò)使用圖形化的界面（拖拽節(jié)點(diǎn)并連接）完成傳送系統(tǒng)運(yùn)行邏輯的調(diào)整（圖9（b））。

同時(shí)，由于Node-RED的編程不會(huì)接觸到PLC程序，使得使用者無(wú)須花費(fèi)精力和時(shí)間去熟悉原有程序的代碼結(jié)構(gòu)，而是使用已經(jīng)封裝好的Node-RED節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化編程。我們可以從圖10看到，相比較于ST語(yǔ)言的代碼學(xué)習(xí)和理解，Node-RED通過(guò)其圖形化的編程方式更方便操作者的學(xué)習(xí)，操作者不需要學(xué)習(xí)理解ST語(yǔ)言的代碼結(jié)構(gòu)和變量賦值，而是直接使用定義好的命令節(jié)點(diǎn)按照部件單元的運(yùn)行邏輯順序排列和連接即可完成編程。

5? 結(jié)? 論

通過(guò)Node-RED方案的部署，該傳送系統(tǒng)運(yùn)行的邏輯調(diào)整得到簡(jiǎn)化，通過(guò)簡(jiǎn)單的界面講解及功能介紹，無(wú)編程經(jīng)驗(yàn)的操作者可以在一小時(shí)內(nèi)完成傳送系統(tǒng)的簡(jiǎn)單邏輯的獨(dú)立編程。在技術(shù)人員緊缺的當(dāng)下，此方案將能減少工程師在簡(jiǎn)單邏輯調(diào)整時(shí)的耗時(shí)，將精力集中在更有難度的任務(wù)中去。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐曉華，景文治.人工智能賦能下現(xiàn)代柔性生產(chǎn)與制造業(yè)智能化升級(jí)研究 [J].軟科學(xué)，2021，35（8）：30-38.

[2] 鄭巍巍.“人口紅利”效應(yīng)與中國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng) [J].湖北農(nóng)機(jī)化，2013（2）：55-57.

[3] 龐慶華，潘郁.多品種小批量生產(chǎn)環(huán)境下的柔性調(diào)度研究 [J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003（2）：65-70.

[4] 陸會(huì)明.控制裝置與儀表 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5] BLACK M，LEA R. Toward a Distributed Data Flow Platform for the Web of Things （Distributed Node-RED） [C]//WoT '14：Proceedings of the 5th International Workshop on Web of Things.New York：ACM，2014：34-39.

[6] SINAN C A. Experimental IoT study on fault detection and preventive apparatus using Node-RED ship's main engine cooling water pump motor [J].Engineering failure analysis，2022（138）：106310[2023-01-14].https：//www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630722002849.

[7] 康存鋒，林志磊，馬春敏，等.基于TwinCAT主站的EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析與研究 [J].現(xiàn)代制造工程，2010（11）：16-18+81.

作者簡(jiǎn)介：林冬驍（1988—），男，漢族，江蘇江陰人，工程師，本科，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化及智能制造。