Node-RED在智能制造中的应用研究

0引言

智能制造是制造业与信息技术深度融合的产物,它通过集成先进的传感器、机器学习、数据分析等技术,实现生产过程的自动化、智能化和最优化。 Node—RED作为一个流行的物联网编程平台,以其图形化编程界面和强大的社区支持,为智能制造提供了一种创新的工具。

1 智能制造概述

1.1 智能制造的定义

智能制造(Intelligent Manufacturing,IM)是制造技术、自动化技术、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术。智能制造系统的目标就是将人工智能融入制造过程的各个环节,通过模拟专家的智能活动,取代或延伸制造环境中的部分脑力劳动,从而在制造过程中,能够自动监视系统运行状态,在受到外界或内部激励时,能自动调整参数,自组织达到最优状态^[1]。

1.2 智能制造的关键技术

1)感知控制技术:这是智能制造的基础,涉及传感器、射频识别(RFID)、多媒体、工业控制等技术,用于实时监测生产设备、原材料及工作人员的状态。

2)网络通信技术:作为智能制造互联互通的基础,包括以太网、5G工业网络技术等,用于确保设备之间可以高效地传输数据。

3)信息处理技术:涉及数据清洗、数据分析、数据建模和数据存储等,为智能制造应用提供了数据支撑。

4)人工智能技术:人工智能是研究如何使用各种智能机器或自动化机器模仿人工,延伸和拓展人类智能的技术科学^[2]。

5)数字孪生技术:通过创建物理实体的虚拟数字副本,实现对生产过程的映射、分析和优化。

6)边缘计算技术:在数据源附近进行数据处理和分析,减少数据传输延迟,提高实时数据处理能力。

7)工业软件技术:包括研发设计、生产制造、经营管理、控制执行等各类工业软件,实现生产过程的数字化管理。

8)人机协作技术:开发能够与人类工人协同工作的机器人和自动化系统,提高生产效率和安全性。

9)智能决策支持系统:利用大数据和人工智能技术(机器学习、深度学习等),为生产管理提供智能决策支持。

1.3 智能制造的发展现状

智能制造的基本特征:1)生产制造的各个环节广泛应用人工智能技术;2)制造单元的柔性智能化与基于网络的制造系统柔性智能化集成;3)制造过程自动化、精益化、绿色化;4)信息网络技术是制造过程的系统和各个环节智能集成化的支撑。

2021年12月,工信部等八部门联合印发了《“十四五”智能制造发展规划》,提出要建立长效评价机制,对中国制造企业进行智能制造能力成熟度评估,针对不同行业、不同地域发布智能制造成熟度指数,构建智能制造赋能的激励机制,推动中国智能制造水平再上新台阶。根据《智能制造报告》的分析,当前时期中国计算机、电子设备、汽车、电器、食品、医药、专用设备制造、化学原料及制品、有色金属冶炼等行业的智能制造能力成熟度水平领先于其他行业^[3]。

2 Node-RED简介

2.1 Node-RED的起源和发展

Node-RED最初是由IBM的Emerging Technology Services团队于2013年开发的。它起初是一个实验项目,旨在探索物联网设备间消息流和数据流更简单的实现方法,以新颖有趣的方式将硬件设备、应用程序接口、在线服务连接起来,编程时只需要在浏览器中拖拽节点(Node),然后把这些节点用线连接起来,数据即可通过这些连线在节点间传递^[4]。

随着时间的推移,Node-RED已经从一个主要关注物联网的编程工具,发展成为一个适用于多种应用的有用工具,包括智能家居、工业自动化、数据分析、API集成等。它的可视化编程接口使得编程变得直观易懂,大大减少了开发时间和成本。

2.2 Node-RED的架构和特点

2.2.1架构

Node-RED的运行建立在node.js之上,利用其事件驱动和非阻塞I/O的特性,适合在边缘计算设备或云平台上运行。Node-RED提供了一个基于浏览器的流编辑器,允许用户通过拖放节点来创建应用程序。这些节点可以是设备、API调用、定时器、函数等。

2.2.2特点

1)低代码开发:可视化流程编辑器简化了编程过程,减少了开发时间和成本。

2)灵活性:可以轻松地与各种数据库、API和在线服务集成,适应不同的应用场景。

3)跨平台兼容:可以在多种操作系统上运行,包括Windows、macOS和Linux。

4)实时调试和反馈:提供实时的数据流视图和调试工具,使用户能够即时观察和调整物联网应用的行为。

5)模块化和可重用性:用户可以创建模块化的流程并在不同的项 目中重用,提高了开发效率和代码的可维护性。

6)支持多种数据格式:支持多种数据格式,如JSON、XML、CSV等,方便数据的处理和转换。

7)开放性和可扩展性:基于node.js,易于扩展,可以添加新功能。

8)轻量级和高效:轻量级且高效,系统资源要求低,易于在多种设备上部署。

9)集成多种协议和通信方式:支持多种通信协议,方便与不同类型的设备和服务进行交互。

3 Node-RED在智能制造中的应用案例分析

3.1 Node-RED安装及运行

本次应用研究以windows系统为背景进行。

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

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

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

4)安装Snap:sudo snap install Node-RED。

5)运行:通过Powershell输入Node-RED。

6)后台环境:浏览器输入http://127.0.0.1:1880进入后台编辑环境,如图1所示。

3.2数据采集与设备监控

3.2.1 Node-RED温湿度传感器数据的实时采集

1)温湿度采集模块接线方式如图2所示,PC通过 USB转485接口模块与采集模块通信。

2)Node-RED通信参数设定。地址:1;波特率:9600 Baud;数据位:8;停止位:1;奇偶校验:无。

3)查询温湿度输入寄存器地址如图3所示,利用 ModbusRead插件读取数据,在调试窗口显示温湿度寄存值(图4)。

4)读取并展示Node-RED温湿度数据。通过 Function功能将数值分为两个Topic(TEMP/HUMI,如图5所示),再利用Function功能进行数值转换(图6),Node-RED后台编辑流程如图7所示,最后通过Node- REDUI仪表显示(图8)。

5)将温湿度数据自动写入数据库(MySQL)。拉入一个Function插件(图9),通过msg.topic来编写数据的录入insert(图10),查看数据写入成功,如图11所示。

6)数据的历史查询。通过增加数据库插件及表格Tabel形成查询流程(图12),利用Function功能执行查询代码(图13),最后将查询后数据在UI显示(图14),也可通过增加插件Date Picket来设定日期条件进行搜索。

7)邮件通知功能。通过增加Function功能及邮件插件组合邮件通知流程(图15),利用JavaScript设定邮件通知触发条件,比如设定超阈值,或者SPC的分析记录。若条件满足,触发邮件通知功能如图16所示。

8)物联网平台MQTT对接的数据转发。物联网云平台部署EMQX^[5],EMQX是开源可弹性伸缩的分布式物联网MQTT消息服务器,单台服务器支持每秒百万级高性能,能够低延时在设备终端和用户终端之间可靠实时传输,并可提供接入身份认证,能有效阻止非法终端的连接^[6—7]。Node—RED数据转换完成后增加MQTT发布流程如图17所示,发布数据,分别设定“温度”“湿度”主题,再通过MQTT测试软件 MQTTX,分别订阅主题“温度”“湿度”,正常显示数据如图18所示。

3.2.2生产线设备状态的实时监控

生产线设备状态的实时监控,通过实时数据收集与分析,实现对生产流程的优化,确保设备运行的稳定性和效率,预防故障和生产中断,从而提高生产质量、降低维护成本、保障工作安全,并促进基于数据的精准决策。

1)创建OPC服务器(KEPServerEX),读取底层设备PLC数据。在项目中建立新建通道,并在通道里创建需监控变量,可以读取模拟量及PLC所有DB信号(图19)。

2)Node—RED后台创建用OPC UA Client插件配置连入OPC服务器流程,读取相应数据,如图20所示。

3)通过Node—REDDashboard插件Text&Chart来显示生产线设备模块量,利用Led显示生产线设备状态信息(如I/O信号、M寄存器等),如图21所示。

4 Node-RED应用于智能制造的优势与挑战

4.1优势分析

4.1.1 易用性和灵活性

Node-RED提供了一个直观的拖拽式编程界面,使得开发者能快速构建复杂的逻辑流程,无须深厚的编程背景,通过拖放节点来创建应用,降低了编程的复杂性,加快了开发速度。

4.1.2可扩展性和社区支持

Node-RED可以轻松地与各种数据库、API和在线服务集成,提供极大的灵活性以适应不同的应用场景,并且有一个积极主动的社区,为用户提供广泛的自定义节点和共享流,简化了复杂功能的实现。

4.2挑战与对策

4.2.1安全性问题

随着物联网应用的深化,安全问题日益凸显。 Node-RED需要在保证易用性的同时,进一步强化安全机制,包括数据加密、访问控制、安全认证等方面。

4.2.2性能和稳定性

随着物联网设备数量的增加,Node-RED所处理的数据量也在不断增长,系统性能及稳定性成为一个重要考虑因素。虽然Node-RED支持广泛的技术集成,但随着技术的发展,集成新技术和平台可能会带来挑战。

5结论与展望

本文通过分析Node-RED在智能制造中的应用,展示了其在数据采集、设备监控、自动化控制和智能决策等方面的潜力。Node-RED以其低代码、图形化编程的特点,提供了一种快速开发和部署智能制造解决方案的方法。

随着人工智能技术的飞速发展,Node-RED的下一个重大飞跃很可能在于与AI技术的深度融合,通过简单的拖拽操作,即可集成机器学习模型进行数据分析、预测或自动化决策制定,这将极大地提升系统的智能水平和响应效率。未来的Node-RED可能会内置更多开箱即用的AI节点,让开发者能轻松利用 AI的力量,从而在智能制造领域发挥更大的作用。

[参考文献]

[1]赵亚波.智能制造[J].工业控制计算机,2002,15 (3):1-4.

[2]刘惠玲,许可嘉.智能制造关键技术概述[J].质量与认证,2020(11):48-49.

[3]李金华.中国绿色制造、智能制造发展现状与未来路径[J].经济与管理研究,2022,43(6):3-12.

[4]庄进样.基于Node-RED和树莓派的物联网应用系统开发:以中职物联网专业系统开发课程为例[J].广东教育(职教版),2020(7):43-45.

[5] 阎子繁.基于EMQX云平台与ESP-wiFi-MESH的物联网系统设计与实现[J].物联网技术,2023,13(6):133-137.

[6]朱成杰,周亚.物联网技术下电能质量监测系统的设计[J].物联网技术,2022,12(11):30-32.

[7]李长军,李明洋,郝在盛,等.基于物联网技术的智能饮水提醒系统设计及实现[J].物联网技术,2022,12 (12):96-97.

2024年第20期第6篇