打造未來(lái)智慧工廠的物流控制系統(tǒng)

昆船物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司 穆建軍，曹月琴

打造未來(lái)智慧工廠的物流控制系統(tǒng)

昆船物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司 穆建軍，曹月琴

在智慧工廠中，物流控制系統(tǒng)是生產(chǎn)機(jī)器和產(chǎn)品間一條溝通的紐帶：它具有智能感知、智慧控制的特點(diǎn)。系統(tǒng)中人的干預(yù)和決策將大大減少。在未來(lái)智慧工廠中，物流控制系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把被處理對(duì)象與互聯(lián)網(wǎng)相連接。在不久的將來(lái)，隨著工廠的智能化，自動(dòng)化物流系統(tǒng)必將轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑锪飨到y(tǒng)。

智慧工廠；物流控制系統(tǒng)；信息物理系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

1 概述

蒸汽機(jī)的發(fā)明和以機(jī)器生產(chǎn)代替手工勞動(dòng)將人類(lèi)社會(huì)帶入了第一次工業(yè)革命；電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，以及電力的廣泛應(yīng)用掀起了第二次工業(yè)革命的高潮；繼此之后，科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)力的速度加快，以原子能、電子計(jì)算機(jī)、空間技術(shù)和生物工程的發(fā)明和應(yīng)用為主要標(biāo)志，第三次工業(yè)革命拉開(kāi)了序幕。數(shù)字化革命使傳統(tǒng)工業(yè)更加機(jī)械化、自動(dòng)化，從而減少了工作成本，使整個(gè)社會(huì)的運(yùn)作模式徹底改變?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展如此之快，有人甚至已經(jīng)開(kāi)始宣稱(chēng)第四次工業(yè)革命即將到來(lái)。

智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，減少人工干預(yù)，及時(shí)正確地采集生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)據(jù)，合理安排生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)進(jìn)度。智慧工廠由機(jī)器構(gòu)成的團(tuán)體將自行組織，設(shè)備和被處理對(duì)象將自動(dòng)相互協(xié)調(diào)，從原料入庫(kù)到最終變?yōu)槌善?，每一道工序中的自?dòng)化設(shè)備都能從被處理對(duì)象處獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，用于確定自身工作流程。它的實(shí)現(xiàn)基于“信息物理系統(tǒng)（CPS）”，通過(guò)使用微型處理器、存儲(chǔ)裝置、傳感器和發(fā)送器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些裝置被嵌入幾乎所有機(jī)器和材料以及用于組織數(shù)據(jù)流的智能工具中。通過(guò)這些技術(shù)使被處理對(duì)象和機(jī)器能夠相互通信并交換命令。

智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)在生產(chǎn)機(jī)器和被處理對(duì)象間建立起了一條溝通的紐帶：按照生產(chǎn)數(shù)據(jù)的要求，將被處理對(duì)象送到它該去的地方。智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)具有智能感知、智慧控制的特點(diǎn)，人對(duì)系統(tǒng)的干預(yù)和決策將大幅減少。

2 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)

未來(lái)智慧工廠的物流控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)了生產(chǎn)設(shè)備和被處理對(duì)象的銜接，在系統(tǒng)中起到了承上啟下的作用。它以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用射頻識(shí)別（RFID）、光電感應(yīng)、紅外感應(yīng)器、超聲波感應(yīng)、激光掃描器、機(jī)械視覺(jué)識(shí)別等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將被處理對(duì)象與互聯(lián)網(wǎng)相連接。

隨著近幾十年來(lái)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軅鞲衅魅谌氲椒涸诰W(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)絡(luò)由原有的專(zhuān)用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)逐漸向以太網(wǎng)靠攏，從生產(chǎn)車(chē)間到辦公室和信息中心實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的一體化，云技術(shù)也在高速發(fā)展并普及，這一切都為工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的智慧控制奠定了基礎(chǔ)。下面就智慧工廠的物流控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)做一下簡(jiǎn)要介紹。

2.1條碼識(shí)別技術(shù)

條碼識(shí)別技術(shù)于20世紀(jì)中葉提出，近年來(lái)發(fā)展和普及很快。條碼識(shí)別技術(shù)集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體，是將數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集并輸入控制系統(tǒng)的重要方法和手段。實(shí)現(xiàn)了信息的快速、準(zhǔn)確獲取與傳輸，是信息管理系統(tǒng)和管理自動(dòng)化的基礎(chǔ)。條碼技術(shù)有機(jī)地聯(lián)系了各行各業(yè)的信息系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)物流和信息流的同步提供了技術(shù)手段，有效地提高了供應(yīng)鏈管理的效率。除用于信息承載和跟蹤外，條碼識(shí)別技術(shù)還應(yīng)用于高速移動(dòng)設(shè)備的定位等。條碼識(shí)別技術(shù)一般涉及到兩個(gè)部分：條碼標(biāo)簽和條碼閱讀器。條碼標(biāo)簽負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的承載，條碼閱讀器負(fù)責(zé)解碼和數(shù)據(jù)交換。條碼標(biāo)簽上的條形碼有一維碼和二維碼之分，如圖1所示。目前，一維碼在物流控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但二維碼在密度、糾錯(cuò)能力、可表示的內(nèi)容等方面都優(yōu)于一維碼，替代一維碼已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢(shì)。

圖1 一維碼與二維碼對(duì)比

2.2射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是實(shí)現(xiàn)物與物間信息交換的主要技術(shù)手段，分為了兩個(gè)主要部分：嵌入到設(shè)備中的讀寫(xiě)單元和嵌入到物料（容器）中的載碼體（TAG）。讀寫(xiě)單元一般包含了天線(xiàn)、讀寫(xiě)模塊和通訊模塊。載碼體中一般包含了耦合元件和存儲(chǔ)單元。載碼體進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收讀寫(xiě)單元發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽），讀寫(xiě)單元讀取信息并解碼后，送至控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將控制系統(tǒng)相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)寫(xiě)到載碼體中，如圖2所示。

圖2 RFID系統(tǒng)示意圖

RFID產(chǎn)品分為無(wú)源RFID、有源RFID、半有源RFID三大類(lèi)?，F(xiàn)階段以無(wú)源RFID應(yīng)用最為廣泛。無(wú)源RFID屬于近距離接觸式識(shí)別類(lèi)。其產(chǎn)品按工作頻率分為低頻125kHz、高頻13.56MHz、超高頻915MHz等類(lèi)型。在物流控制系統(tǒng)中高頻和超高頻RFID應(yīng)用最多。例如在煙絲裝箱系統(tǒng)中使用高頻RFID對(duì)煙絲重量、水分、批次等信息進(jìn)行記錄和跟蹤、在成品件箱聯(lián)運(yùn)中使用超高頻RFID對(duì)托盤(pán)上的件箱品牌、生產(chǎn)日期等信息進(jìn)行記錄和跟蹤等。

與條碼識(shí)別技術(shù)相比，射頻識(shí)別RFID具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）可以隱藏在包裝內(nèi)部。無(wú)論是激光式掃描還是拍照式條碼識(shí)別器都需要讀寫(xiě)器能捕獲條碼影像，當(dāng)條碼標(biāo)簽被遮擋時(shí)無(wú)法進(jìn)行識(shí)別。此外，條碼讀取過(guò)程還受光源、景深、視野等條件的限制。使用RFID就可以突破這些限制。只要載碼體處在感應(yīng)范圍內(nèi)，讀寫(xiě)單元就能與其進(jìn)行信息交換。而感應(yīng)范圍可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，例如高頻RFID閱讀器通?？梢宰x取幾厘米范圍內(nèi)的載碼體，超高頻RFID讀寫(xiě)單元可以讀取幾米內(nèi)的載碼體，自帶電池的主動(dòng)標(biāo)簽，有效識(shí)別距離可達(dá)到幾十米；

（2）可靠的封裝。經(jīng)過(guò)特殊工藝封裝的載碼體可以滿(mǎn)足高溫、油漬、粉塵、潮濕等惡劣環(huán)境應(yīng)用的需求，可以嵌入或附著在不同形狀、類(lèi)型的產(chǎn)品上；

（3）信息數(shù)據(jù)容量大。數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼（PDF417），最多也只能存儲(chǔ)2725個(gè)數(shù)字；若包含字母，存儲(chǔ)量則會(huì)更少；RFID載碼體則可以根據(jù)用戶(hù)的需要擴(kuò)充到數(shù)十K的數(shù)據(jù)容量；

（4）載碼體所承載的數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改。支持讀寫(xiě)操作的載碼體可以通過(guò)讀寫(xiě)單元更新數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)物料（容器）與機(jī)械設(shè)備信息的交互，寫(xiě)入時(shí)間比打印條形碼更少，從根本上使物與物間對(duì)話(huà)成為可能。

目前RFID技術(shù)已經(jīng)在自動(dòng)化物流控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

2.3機(jī)械視覺(jué)識(shí)別技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)是一種具有眼睛系統(tǒng)的機(jī)器。它將計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性, 與人類(lèi)視覺(jué)的高度智能化和抽象能力結(jié)合在一起，通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體圖像的采集和處理得出分析結(jié)果，并上傳到控制系統(tǒng)。機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)（如圖3所示）的應(yīng)用減少了人工對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)決策的參與，使得物流控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度得以進(jìn)一步提升。與射頻識(shí)別的物與物對(duì)話(huà)不同，視覺(jué)識(shí)別直接對(duì)被處理對(duì)象的外形、顏色、明暗等屬性進(jìn)行判斷，機(jī)械設(shè)備根據(jù)判斷結(jié)果決定處理工藝及物流方向，無(wú)需與被處理對(duì)象直接對(duì)話(huà)。機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)一般包括：光源、照相機(jī)系統(tǒng)、圖像處理單元、圖像處理組態(tài)軟件、監(jiān)視設(shè)備、通訊輸入輸出單元等。它為機(jī)器設(shè)備增加了一雙眼睛，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自主判斷的功能。

圖3 機(jī)械視覺(jué)識(shí)別

2.4網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

在智慧工廠的愿景之下，物流控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸依賴(lài)于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，如圖4所示。眾多的工控廠家已經(jīng)逐漸將自己的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)向基于以太網(wǎng)技術(shù)的通訊技術(shù)靠攏。菲尼克斯電氣從全球最早的總線(xiàn)產(chǎn)品INTERBUS轉(zhuǎn)向全面的以太網(wǎng)解決方案，支持市面上的大部分工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)；西門(mén)子（SIEMENS）公司在PROFIBUS DP之后開(kāi)始主推PROFINET相關(guān)產(chǎn)品；羅克韋爾自動(dòng)化（ROCKWELL Automation）公司在Control Net、DeviceNet之后開(kāi)始主推EtherNet/IP產(chǎn)品；2003年起，倍福公司傾力推廣EtherCAT實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)……雖然這些工業(yè)以太網(wǎng)為了保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，與辦公網(wǎng)絡(luò)略有差異，但他們都已經(jīng)融合了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流從生產(chǎn)設(shè)備到信息中心的傳遞。

工業(yè)以太網(wǎng)在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬，相同時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)承載的信息量大大增加，而WIFI、WiMax、4G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、WLAN、NFC、藍(lán)牙、Zigbee等無(wú)線(xiàn)泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及為實(shí)現(xiàn)人和物、物和物之間的對(duì)話(huà)提供了更多的手段，使云處理技術(shù)能夠延伸到更多的地方。

圖4 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)示意

2.5相關(guān)軟件技術(shù)

目前，物流控制系統(tǒng)中底層控制軟件實(shí)現(xiàn)了設(shè)備動(dòng)作邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享，還需向與流程無(wú)關(guān)、智能化的方向發(fā)展；上位軟件平臺(tái)目前也未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，系統(tǒng)的物料管理、人員規(guī)劃和成本計(jì)算很多由企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)（ERP）來(lái)完成，生產(chǎn)作業(yè)控制由制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）完成，而這兩個(gè)系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)間還需要倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）和倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（WCS）來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)，這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)之間不能順暢、完整地傳送。 因此，軟件技術(shù)需要提高的空間還很大。

3 對(duì)未來(lái)的思考

通過(guò)以上對(duì)幾種技術(shù)的分析介紹，可以看出打造智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)已經(jīng)不再遙不可及，智慧工廠所需的很多基礎(chǔ)技術(shù)在目前的物流自動(dòng)化系統(tǒng)中已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。后面需要做的工作是如何把他們有機(jī)地整合到一起。這一整合與現(xiàn)階段的集成相比技術(shù)上要復(fù)雜得多，但集成的過(guò)程應(yīng)該更加簡(jiǎn)單?，F(xiàn)階段集成還處于比較低級(jí)的階段，設(shè)備的加入還需要人工進(jìn)行組態(tài)，并進(jìn)行系統(tǒng)編程。一旦設(shè)備發(fā)生變化或者工藝發(fā)生變化，需要人工對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行從上到下的改造。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，物流控制系統(tǒng)中的各種技術(shù)都將被嵌入到各類(lèi)設(shè)備中，使其成為智能設(shè)備，由云計(jì)算管理中心統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排工作，使設(shè)備的集成更加“智慧”：智能設(shè)備控制將具有統(tǒng)一的接口，能實(shí)現(xiàn)“即插即用”。就如我們電腦中正在使用的USB接口設(shè)備一樣，無(wú)論是鼠標(biāo)、鍵盤(pán)還是U盤(pán)只要符合USB協(xié)議，連接到系統(tǒng)就能使用。智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)也與此相似，設(shè)備控制程序的調(diào)用自動(dòng)進(jìn)行，設(shè)備之間應(yīng)能無(wú)縫集成、自動(dòng)交互。

智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)將具有統(tǒng)一的管理軟件平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)連續(xù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的資源協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的計(jì)劃安排。最終實(shí)現(xiàn)減少人工干預(yù)，智慧控制，提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

目前，很多工控廠商、學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、政府部門(mén)已經(jīng)把目光聚焦于物聯(lián)網(wǎng)、智慧工廠等前沿技術(shù)。相信不久的將來(lái)，自動(dòng)化物流系統(tǒng)必將隨著工廠機(jī)械設(shè)備的智能化而轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑锪飨到y(tǒng)，它將在第四次工業(yè)革命中綻放光芒。

[1] 李虹. 物聯(lián)網(wǎng) 生產(chǎn)力的變革[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

[2] 彭瑜. 智慧工廠: 從電氣化到智慧化[J]. 電氣工業(yè), 2013, 07.

Construction of Future Logistics Control System of Intelligent Factory

In the intelligent factory, logistics control system is a communication link between the production of machines and products. It has the characteristics of intelligent perception, intelligence control. In the system, human intervention and decision will be greatly reduced. In the future of intelligent factory, logistics control system will be based on Internet of things technology. Making use of the information sensing equipment, the processed object is connected with internet by the agreement. In the near future, with the development of intelligent factory logistics system will transform from automation to intelligence.

Intelligent factory; Logistics control system; Cyber physical systems; The internet of things

穆建軍（1977-）, 男，云南鎮(zhèn)雄人，高級(jí)工程師，畢業(yè)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任昆明物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司電氣部副主任，副主任設(shè)計(jì)師，主要負(fù)責(zé)電控開(kāi)發(fā)工作。

曹月琴（1976-），女，四川邛崍人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任昆明物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司電氣部設(shè)計(jì)室主任，副主任設(shè)計(jì)師，主要負(fù)責(zé)電控系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。