基于RFID的離散型制造物聯(lián)實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)

羅國富，劉海東，姜宗品

LUO Guo-fu, LIU Hai-dong, JIANG Zong-pin

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，企業(yè)間的市場競爭也日益激烈，現(xiàn)代企業(yè)之間的競爭很大程度上是信息的競爭，企業(yè)管理者把生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)到各個車間，能夠及時、準(zhǔn)確的了解制造車間的各種情況，對生產(chǎn)計劃做出及時的調(diào)整，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，以適應(yīng)不斷變化的市場需求。企業(yè)需要一套完善、穩(wěn)定的實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能從眾多的競爭中脫穎而出。因此，離散制造業(yè)生產(chǎn)車間實(shí)時數(shù)據(jù)的采集[1]與生產(chǎn)任務(wù)的下發(fā)成為了MES中的重中之重。但是隨著信息化應(yīng)用的不斷深入，企業(yè)上層管理者與制造車間的信息不能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確的更新[2,3]，使得上層管理者無法通過實(shí)時數(shù)據(jù)信息了解車間現(xiàn)場的加工狀況，以便及時的做出相對應(yīng)的調(diào)整。

本文對離散制造業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集方面展開了討論，提出了一種基于RFID[4]的離散型制造物聯(lián)實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)[5]RFID技術(shù)對制造車間生產(chǎn)作業(yè)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能夠及時、準(zhǔn)確的采集到制造生產(chǎn)車間的現(xiàn)場實(shí)時加工數(shù)據(jù)，并能夠及時的上傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[6～8]的數(shù)據(jù)庫中，確保上層管理者可以及時的了解到車間的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，掌握每個車間的生產(chǎn)狀況，及時解決生產(chǎn)車間出現(xiàn)的問題，降低企業(yè)在生產(chǎn)過程中的損失，從而不斷提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，使企業(yè)能夠跟上不斷變化的市場需求。

1 離散制造車間數(shù)據(jù)的采集

在車間實(shí)際的生產(chǎn)過程中，上層管理者要對車間的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度、資源的使用狀況等做到實(shí)時了解，以便管理人員對車間的生產(chǎn)計劃安排能夠做出及時的調(diào)整，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的是制造車間在生產(chǎn)過程當(dāng)中涉及到的所有數(shù)據(jù)，例如車間生產(chǎn)設(shè)備的使用情況、車間任務(wù)進(jìn)度、資源的使用率等，同時每個車間的生產(chǎn)員工也需要了解自己的加工任務(wù)安排。所以該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅僅需要向企業(yè)管理者傳遞車間任務(wù)進(jìn)度、車間資源利用率、車間生產(chǎn)資源以及生產(chǎn)過程中的一些動態(tài)信息，還要向車間生產(chǎn)員工下發(fā)生產(chǎn)指令等信息。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的是車間生產(chǎn)過程中的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括操作員工信息、流轉(zhuǎn)卡信息、生產(chǎn)設(shè)備信息、生產(chǎn)物料信息、生產(chǎn)車間任務(wù)進(jìn)度等，以及生產(chǎn)車間各個部分環(huán)節(jié)。所采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)分為動、靜態(tài)信息兩種。大致分類如下：

1）操作員工信息。將收集到的所有操作員工的信息在數(shù)據(jù)庫中建立所有操作員工的信息表存儲所有員工的信息?？梢酝ㄟ^員工的工號或者姓名查到操作員工的資料。所采集的員工信息包括員工姓名、工號、工種等信息。車間數(shù)據(jù)采集到的是員工的工號，屬于靜態(tài)信息。

2）流轉(zhuǎn)卡信息。流轉(zhuǎn)卡是員工加工的依據(jù)，包括所有的加工工序、加工尺寸、規(guī)格、投料日期等，流轉(zhuǎn)卡是在有新的生產(chǎn)計劃安排時發(fā)出的，在加工完成之后結(jié)束。所要采集的是生產(chǎn)車間開始加工時間、任務(wù)量、生產(chǎn)結(jié)束時間等，是實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，屬于動態(tài)數(shù)據(jù)信息。

3）生產(chǎn)設(shè)備信息。需要采集每個車間的生產(chǎn)設(shè)備信息，在數(shù)據(jù)庫中建立所有車間生產(chǎn)設(shè)備的信息表來存儲所采集到的車間設(shè)備信息。用設(shè)備所相對應(yīng)的編號查到相關(guān)設(shè)備的所有信息。要采集的生產(chǎn)設(shè)備信息包括生產(chǎn)設(shè)備的名稱、設(shè)備的編號、設(shè)備的所在位置等相關(guān)信息。在生產(chǎn)車間所采集到的是設(shè)備的編號信息，是固定不變的信息，屬于靜態(tài)信息數(shù)據(jù)。

4）生產(chǎn)物料信息。需要采集每個車間的生產(chǎn)物料信息，在數(shù)據(jù)庫中建立所有物料的信息表存儲所采集到的生產(chǎn)物料信息。用物料編號可以查到所對應(yīng)的物料信息。生產(chǎn)車間所要采集的物料信息包括物料的編號、加工工藝等。生產(chǎn)車間采集到的是物料的編號，屬于靜態(tài)信息。

5）生產(chǎn)車間任務(wù)進(jìn)度。統(tǒng)計每個生產(chǎn)車間加工任務(wù)完成狀況，是生產(chǎn)車間實(shí)時信息，屬于動態(tài)數(shù)據(jù)信息。

2 車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)

離散制造車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是實(shí)時采集車間生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)和接收生產(chǎn)計劃，并且這些信息通過串行接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與信息的更新。每個數(shù)據(jù)采集終端接收到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)都會存儲到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫里面，上層管理者就可以及時地了解到制造車間現(xiàn)場的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以便上層管理對車間的生產(chǎn)計劃及時做出相對應(yīng)的任務(wù)調(diào)度。通過對系統(tǒng)的需求分析，提出了制造車間數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1）車間層：工況數(shù)據(jù)有動、靜態(tài)信息兩種類型

（1）靜態(tài)信息：基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)屬于生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集中的靜態(tài)數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)中涉及到的一些固定的信息存儲到數(shù)據(jù)庫，比如車間生產(chǎn)設(shè)備信息、車間操作員工信息、產(chǎn)品的加工工序信息等等。

（2）動態(tài)信息：生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息采集的是車間制造過程中所涉及到的所有相關(guān)信息的總和，也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所要統(tǒng)計的所有涉及到生產(chǎn)內(nèi)容信息的數(shù)據(jù)的總和。比如設(shè)備使用狀態(tài)數(shù)據(jù)、任務(wù)進(jìn)度狀況、車間物料使用進(jìn)度等車間生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的信息，為系統(tǒng)提供大量的數(shù)據(jù)支持。支持多種實(shí)時數(shù)據(jù)采集的方式，支持RFID、條形碼等實(shí)時數(shù)據(jù)采集方式，可以采集到生產(chǎn)過程中的各種實(shí)時數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)庫層：數(shù)據(jù)庫層是用來存放和管理系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)信息，在車間生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)庫將會存儲制造過程中采集到的所有的數(shù)據(jù)，是車間數(shù)據(jù)的集聚處，所儲存的數(shù)據(jù)將會被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所調(diào)用，是管理層MES和軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁，從而實(shí)現(xiàn)MES與軟件的集成。

3）MES管理層：MES管理層是車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心，不僅要為企業(yè)管理人員制定相應(yīng)的生產(chǎn)計劃任務(wù)提供保障，而且還要將生產(chǎn)任務(wù)指令下發(fā)到每個生產(chǎn)車間，實(shí)時了解生產(chǎn)車間的車間資源與任務(wù)執(zhí)行情況，做到及時地調(diào)度、排產(chǎn)，并將相對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

2.2 車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)分析，設(shè)計出系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2所示。在離散制造生產(chǎn)車間的每臺生產(chǎn)設(shè)備上安裝上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集終端，然后利用網(wǎng)絡(luò)串口結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與離散車間數(shù)據(jù)采集終端的信息傳遞。把采集到的車間加工實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送到企業(yè)的局域網(wǎng)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

離散制造生產(chǎn)車間通過局域網(wǎng)把車間的每臺生產(chǎn)設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集終端與多臺客戶機(jī)以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連在一起。運(yùn)用廠商提供的協(xié)議與軟件將多個不同型號的閱讀器相互連接。數(shù)據(jù)采集終端從標(biāo)簽中采集到實(shí)時數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過采集系統(tǒng)的初步處理之后，上傳到企業(yè)的數(shù)據(jù)庫中。標(biāo)簽的采用可以根據(jù)實(shí)際需求選取有源標(biāo)簽或者選取無源標(biāo)簽。

3 離散制造車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的建模

在離散制造車間將制造過程中采集到的數(shù)據(jù)作為一個統(tǒng)一的實(shí)體。數(shù)據(jù)本身和數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系都是用戶操作的對象，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程中，我們必須對每個數(shù)據(jù)的特性和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)有所了解，才能對生產(chǎn)車間采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對離散制造車間生產(chǎn)過程的對象進(jìn)行建模是采用的面向?qū)ο蟮姆椒ā?/p>

圖2 車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

面向?qū)ο蟮姆椒ǎ∣bject-Oriented Methodology，OOM）是使用人類在認(rèn)識客觀世界過程中常用的思維方式來了解、認(rèn)識和描述客觀世界中的事物，并且對它們進(jìn)行行為模擬，采用人們通常的思維方式來進(jìn)行系統(tǒng)建模。

面向?qū)ο蠓椒ㄓ蠻ML語言、Booch方法、OMT方法、Coad方法等，統(tǒng)一建模語言（UML）它不僅僅可以對軟件系統(tǒng)進(jìn)行描述，還可以支持模型的圖形化語言，采用了面向?qū)ο蟮母拍?，是目前一種比較全面的面同對象方法，本文使用Rational Rose工具來UML建模方法進(jìn)行系統(tǒng)建模。

3.1 離散制造車間人員類圖

類圖（Class diagram）是有類、接口等模型元素以及它們之間的關(guān)系構(gòu)成的，用來顯示系統(tǒng)中各個類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)中的各種概念進(jìn)行建模，描述系統(tǒng)的構(gòu)成方式。離散制造車間人員類圖如圖3所示。

3.2 離散制造業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用例圖

圖3 離散制造車間人員類圖

用例圖是由參與者、用例以及元素之間的關(guān)系構(gòu)成的用于描述系統(tǒng)功能的動態(tài)視圖。其只要的功能是描述系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關(guān)系及系統(tǒng)所提供的服務(wù)，采用可視化的方式對問題進(jìn)行探討。離散制造業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用例圖如圖4所示。

圖4 離散制造業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用例圖

3.3 離散制造車間數(shù)據(jù)采集人員順序圖

順序圖（Sequence框圖）是用于表現(xiàn)一個交互，該交互是一個協(xié)作中的各種類元角色間的一組信息交換，但是重點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)時間順序。數(shù)據(jù)采集員工輸入賬戶和密碼登陸系統(tǒng)后，進(jìn)去數(shù)據(jù)采集界面，數(shù)據(jù)采集員工進(jìn)行確認(rèn)采集界面所提供的生產(chǎn)信息：在車間進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，采集相關(guān)的加工信息，進(jìn)入生產(chǎn)采集界面，并生成相對應(yīng)的采集日志，數(shù)據(jù)采集員工可以通過采集日志查詢到相關(guān)的采集信息。數(shù)據(jù)采集員工順序如圖5所示。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性、運(yùn)行的速度和其他的一些因素在內(nèi)，該系統(tǒng)軟件采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（C/S模式）。以此同時，考慮到目前大多數(shù)企業(yè)管理系統(tǒng)使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以滿足企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的共享、系統(tǒng)軟件的兼容性等需求，因此數(shù)據(jù)采集軟件選用SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。在Java和SQL Server 2008環(huán)境下完成軟件的開發(fā)。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計要求如下：

1）選用多線程技術(shù)。離散制造車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅可以采集實(shí)時數(shù)據(jù)，還需要統(tǒng)計車間生產(chǎn)計劃狀況、資源利用情況、車間生產(chǎn)任務(wù)加工進(jìn)度等，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用多線程技術(shù)。不僅可以統(tǒng)計車間生產(chǎn)狀況，而且還可以掃描閱讀器狀態(tài)。

2）為閱讀器事件增加約束條件。為了使采集到的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，需要對閱讀器事件添加相對應(yīng)的約束條件。

（1）員工、物料卡卡號。員工卡卡號從00001開始，不得高于10000，即1＜員工卡號＜10000；物料卡卡號＞20000；

（2）開始加工時，以刷物料卡、刷員工卡開始計時，按“F1”鍵視為結(jié)束，按“F2”鍵視為暫停。如果操作員工刷的是與本次加工無關(guān)的其他員工卡、物料卡均視為無效操作。

3）在離散車間實(shí)時數(shù)據(jù)采集過程中，對滿足約束條件的事件將會存儲到數(shù)據(jù)庫中。在數(shù)據(jù)庫存儲的過程當(dāng)中對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除一些無用的數(shù)據(jù)，從而方便數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理。

圖5 數(shù)據(jù)采集員工順序圖

約束事件包含:

（1）事件類型“刷卡事件”、“開機(jī)事伴”、“按鍵事件”。

（2）事件內(nèi)容?？ㄌ枴㈡I值、閱讀器ID等。

（3）事件時間。每次事件發(fā)生的時間等。

數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖

為了使設(shè)計的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)更好的滿足系統(tǒng)的開發(fā)要求通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能分析、采集到的數(shù)據(jù)分析，確立了數(shù)據(jù)庫關(guān)系如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖

5 系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件環(huán)境

硬件環(huán)境包含以下部分：

1）RFID閱讀器、電子標(biāo)簽；

2）PC配置：CPU雙核，主頻1.7GHz以上，內(nèi)存2G，硬盤320GB以上；

3）激光打印機(jī)、條碼掃描器；

4)支持TCP/IP協(xié)議企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)。

軟件環(huán)境包含以下部分：

1）電腦操作系統(tǒng)：Windows XP/Windows 7；

2）客戶端：IE7.0以上或者360瀏覽器 4.0以上；

3）數(shù)據(jù)庫：SQL Server 2008；

4）開發(fā)工具：My Eclipse；

5）開發(fā)語言：Java。

5.2 系統(tǒng)的運(yùn)行

車間生產(chǎn)計劃層根據(jù)生產(chǎn)計劃、加工設(shè)備、工序等完成相關(guān)的分配任務(wù)，將相對應(yīng)的零件、流轉(zhuǎn)卡信息與加工物料等按照車間生產(chǎn)計劃放置在代加工區(qū)域。車間生產(chǎn)計劃如圖8所示。

圖8 車間生產(chǎn)計劃圖

操作員工開始加工之前可以通過掃描條碼，獲得工序、設(shè)備、名稱等加工信息，然后選擇相應(yīng)的規(guī)格、數(shù)量、工號等信息完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息采集界面如圖9所示。

圖9 生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息采集界面

生產(chǎn)開始時，操作員工完成裝夾工件之后，開始加工零件。生產(chǎn)管理軟件將會開始記錄本次加工生產(chǎn)的主要的加工信息，例如員工工號、產(chǎn)品的型號、需要加工數(shù)量、工序序號、開工時間、零件的名稱。車間開始生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。

圖10 車間開始生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果

加工結(jié)束后，系統(tǒng)將自動記錄結(jié)束加工時間。生產(chǎn)管理軟件自動將加工結(jié)束時間更新。車間生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)車間結(jié)束統(tǒng)計結(jié)果

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)充分利用了RFID的特點(diǎn)對離散制造車間現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時采集，不僅可以使采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，避免了手工填寫生產(chǎn)信息產(chǎn)生的錯誤，同時能將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時上傳的MES系統(tǒng)，為企業(yè)管理層提供精確的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度信息，讓上層管理者可以實(shí)時的了解到生產(chǎn)車間任務(wù)進(jìn)度以及出現(xiàn)的問題，以便做出及時地調(diào)整，使車間的生產(chǎn)效率得到了大幅度的提高。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對離散制造車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時統(tǒng)計、生產(chǎn)計劃的合理安排，讓企業(yè)的生產(chǎn)效率得到了大幅度的提高。本系統(tǒng)的初步開發(fā)已經(jīng)完成，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，正在不斷地完善系統(tǒng)的功能，目前可以滿足一些企業(yè)的需求，從而提高了企業(yè)的競爭力。

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