Введение. Развитие современных промышленных предприятий тесно связано с процессами цифровой трансформации производства. Повышение требований к качеству выпускаемой продукции, необходимость снижения себестоимости и рост уровня автоматизации приводят к активному внедрению робототехнических комплексов, интеллектуальных систем управления и технологий обмена данными. Значительную роль в этом процессе играет концепция Индустрии 4.0, ориентированная на интеграцию оборудования, программного обеспечения и корпоративных информационных ресурсов в единую цифровую среду [1].

Одним из направлений цифровизации промышленности является организация систем идентификации и прослеживаемости продукции. В настоящее время на многих предприятиях обязательным элементом производственного цикла становится нанесение кодов DataMatrix, позволяющих обеспечить контроль движения товара от момента изготовления до реализации конечному потребителю. Использование цифровой маркировки способствует борьбе с контрафактной продукцией, повышает прозрачность логистических процессов и обеспечивает соответствие требованиям действующего законодательства.

Несмотря на широкое распространение автоматизированного оборудования, операции нанесения этикеток и маркировки на многих предприятиях по-прежнему выполняются с участием персонала либо посредством разрозненных автоматизированных устройств. Такой подход нередко приводит к возникновению ошибок позиционирования, снижению производительности и увеличению затрат на обслуживание производственной линии [2].

Одним из возможных путей решения данной проблемы является использование коллаборативных робототехнических систем. Подобные роботы отличаются возможностью безопасной работы рядом с человеком, простотой внедрения и высокой гибкостью при модернизации существующих производственных участков. Вместе с тем организация совместной работы нескольких роботизированных устройств требует эффективного механизма координации и обмена данными между всеми элементами комплекса.

В этой связи особое значение приобретает формирование единого информационного пространства, обеспечивающего согласованное функционирование оборудования, централизованный контроль производственного процесса и непрерывный обмен технологической информацией.

Целью проведённого исследования является разработка роботизированного комплекса для выполнения операций этикетирования и нанесения DataMatrix-кодов на основе двух коллаборативных роботов, объединённых общей информационно-управляющей средой.

Архитектура роботизированного комплекса. Предлагаемая структура роботизированного комплекса включает два коллаборативных манипулятора, конвейерную систему перемещения изделий, средства контроля технологического процесса, центральный вычислительный узел, базу данных и коммуникационную сеть для передачи информации между компонентами системы.

Организация технологического процесса основана на разделении производственных операций между двумя роботами. Первый исполнительный модуль отвечает за нанесение этикетки на изделие, тогда как второй выполняет нанесение идентификационного кода DataMatrix на подготовленную поверхность. Подобный подход позволяет разграничить функциональные задачи, упростить программное обеспечение каждого робота и создать предпосылки для дальнейшего расширения комплекса.

Координация работы всех компонентов осуществляется посредством центрального управляющего сервера. Именно он принимает данные от датчиков, контролирует состояние оборудования, формирует команды для исполнительных устройств и отслеживает корректность выполнения отдельных этапов технологического цикла [3].

В отличие от распределённых схем управления, в разработанной системе отсутствует прямой обмен информацией между роботами. Все сообщения проходят через центральный сервер, выступающий единым координационным центром. Это решение позволяет снизить сложность программной реализации и повысить удобство масштабирования комплекса при подключении дополнительных устройств.

Передача информации организована по локальной сети Ethernet с использованием стека протоколов TCP/IP. Для представления управляющих и диагностических сообщений применяется формат JSON, который обеспечивает удобство обработки данных и совместимость с различными программными платформами [4].

Формирование единого информационного пространства. Под единым информационным пространством в рамках данного исследования понимается совокупность программных и аппаратных компонентов, обеспечивающих сбор, передачу, хранение и обработку информации, возникающей в процессе функционирования роботизированного комплекса.

Созданная информационная среда предназначена для координации работы оборудования, контроля последовательности выполнения операций, мониторинга технического состояния устройств и накопления данных о производственном процессе. Кроме того, система обеспечивает регистрацию всех значимых событий, формируя цифровую историю обработки каждого изделия.

Функционирование комплекса построено на событийном принципе управления. Вместо постоянного циклического опроса оборудования сервер реагирует на поступающие события, включая обнаружение изделия датчиками, завершение операций роботов, изменение состояния оборудования или возникновение аварийных ситуаций [5]. Такой подход позволяет снизить нагрузку на вычислительные ресурсы и повысить оперативность реакции системы.

Для обеспечения корректной последовательности выполнения операций используется модель конечных состояний изделия. Каждая единица продукции проходит через набор заранее определённых этапов обработки, а информация о текущем состоянии хранится на сервере. Благодаря этому исключается возможность преждевременного запуска следующей операции и предотвращаются нарушения технологического процесса.

Существенным элементом информационного пространства является подсистема мониторинга. Роботы регулярно передают данные о собственном состоянии, текущем положении исполнительных механизмов и наличии диагностических сообщений. Полученная информация анализируется сервером и используется для контроля работоспособности оборудования.

Дополнительно реализованы механизмы обеспечения надёжности функционирования комплекса. При потере связи с одним из устройств либо возникновении критической ошибки система автоматически прекращает запуск новых производственных циклов и переводит оборудование в безопасное состояние до устранения причины сбоя.

Разработанная структура обладает высокой степенью масштабируемости. При необходимости в состав комплекса могут быть включены дополнительные роботизированные модули, камеры технического зрения, сканеры маркировки, системы контроля качества и другие средства промышленной автоматизации без изменения базовой логики функционирования информационной среды [6].

Экспериментальная проверка. Для оценки работоспособности предложенных технических решений был сформирован экспериментальный стенд, основу которого составили два коллаборативных робота Promobot M Edu. В качестве управляющего центра использовался персональный компьютер, выполняющий функции сервера управления, обработки информации и хранения данных о ходе технологического процесса.

Созданный стенд позволил воспроизвести основные этапы производственного цикла и проверить корректность взаимодействия всех элементов комплекса в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации. Особое внимание уделялось исследованию механизмов координации действий роботов и оценке эффективности разработанного информационного пространства.

Программная часть комплекса реализована на языке Python. В основу программного обеспечения положена клиент-серверная модель, в которой управляющий сервер осуществляет распределение задач и контроль состояния оборудования, а роботы выполняют функции исполнительных устройств. Такое построение системы обеспечивает централизованное управление процессом и позволяет гибко изменять состав оборудования без существенной переработки программной логики [7].

В процессе испытаний моделировался полный цикл обработки изделия. После поступления объекта в рабочую зону первый робот выполнял операцию нанесения этикетки и передавал информацию о завершении этапа на сервер. На основании полученного сообщения управляющая система инициировала запуск второго робота, выполнявшего операцию нанесения DataMatrix-кода. После окончания маркировки сведения о выполненных действиях фиксировались в базе данных, а изделие переводилось в состояние завершённой обработки.

Проведённые испытания показали устойчивую работу системы обмена данными и подтвердили корректность разработанных алгоритмов управления. В ходе экспериментов была обеспечена стабильная синхронизация действий роботов, сохранение требуемой последовательности операций и автоматическая регистрация событий технологического процесса.

Дополнительно была проверена работа механизмов диагностики и обработки нештатных ситуаций. Имитация потери связи и возникновения ошибок показала, что система способна своевременно обнаруживать отклонения в работе оборудования, переводить комплекс в безопасное состояние и предотвращать запуск новых производственных циклов до устранения причин неисправности.

Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность использования предложенной архитектуры в качестве основы для построения промышленных роботизированных комплексов. При переходе к использованию роботов Promobot M13 структура взаимодействия компонентов, принципы обмена данными и алгоритмы управления сохраняются практически без изменений, что свидетельствует о высокой степени адаптивности разработанного решения.

Выводы. В ходе проведённого исследования разработан роботизированный комплекс, предназначенный для автоматизации процессов этикетирования продукции и нанесения идентификационных кодов DataMatrix. В основу предложенного решения положено совместное использование двух коллаборативных роботов, выполняющих последовательные этапы единого технологического процесса.

Разработана архитектура комплекса, предусматривающая централизованное управление оборудованием посредством единого сервера. Такой подход позволил организовать согласованное функционирование всех компонентов системы, упростить взаимодействие между исполнительными устройствами и обеспечить возможность дальнейшего расширения комплекса.

Сформирована структура единого информационного пространства, обеспечивающая сбор, передачу, обработку и хранение производственных данных. Реализованная информационная среда выполняет функции синхронизации работы роботов, мониторинга состояния оборудования, регистрации технологических событий и накопления статистической информации о ходе производственного процесса.

Для координации действий оборудования разработаны алгоритмы управления, основанные на событийном принципе функционирования и модели конечных состояний изделия. Использование данного подхода позволило обеспечить соблюдение последовательности операций и повысить устойчивость системы к возникновению нештатных ситуаций.

Практическая реализация выполнена на экспериментальном стенде с использованием роботов Promobot M Edu. Проведённые испытания подтвердили корректность информационного взаимодействия между компонентами комплекса, работоспособность механизмов синхронизации и возможность стабильного выполнения полного цикла обработки продукции.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что разработанное решение обладает необходимой гибкостью для дальнейшего развития и может быть адаптировано к условиям промышленного производства. Предложенные принципы организации единого информационного пространства могут использоваться при создании многороботных технологических комплексов, ориентированных на реализацию концепции цифрового производства и требований Индустрии 4.0.