基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化車間制造數(shù)據(jù)采集與管理

聶志，冷晟，葉文華，鄒方林

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字化車間制造數(shù)據(jù)采集與管理

聶志，冷晟，葉文華，鄒方林

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

摘要：針對離散型生產(chǎn)車間生產(chǎn)過程中對零件的實(shí)時(shí)狀態(tài)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)追溯的需要，提出了將超高頻RFID、二維碼等物聯(lián)技術(shù)融入到車間MES系統(tǒng)中的解決方案。根據(jù)離散制造車間的生產(chǎn)過程，開發(fā)了車間生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，對零件制造過程進(jìn)行跟蹤和管理。通過系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)集成及車間制造過程的數(shù)字化和可視化，實(shí)現(xiàn)了MES層對零件生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與反饋，提高了車間的生產(chǎn)效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)化車間；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)采集；二維碼；數(shù)據(jù)追溯

Development of Data Collection and Management in Numerical Workshop

Based on Internet of Things

NIE Zhi，LENG Sheng，YE Wenhua，ZOU Fanglin

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016,China)

Abstract:According to the requirement of tracking the data such as the real-time status of parts, manufacturing data, etc, this paper presents a solution which is used to melt the Radio Frequency Identification(RFID) and two-dimension code into MES to collect the data generated in manufacturing process and manage production activities and develops the data collection and management system on the basis of the manufacturing process, which is used to manage and trace the process data．Data and operation integration between MES and PDM is fulfilled through system integration interface. Thus visualizing and digitalizing management of manufacturing, as well as the feedback of MES to ERP are realized. Both the production efficiency and management level are improved.

Keywords:numerical workshop; internet of things; data collection；two-dimension code；data tracing

0引言

在現(xiàn)代制造企業(yè)中，通常是以ERP為依據(jù)組織生產(chǎn)，盡管ERP為企業(yè)提供了戰(zhàn)略層和決策層支持，但對車間生產(chǎn)過程管理較為薄弱，無法對車間現(xiàn)場的生產(chǎn)活動進(jìn)行有效規(guī)范和指導(dǎo)。管理層與生產(chǎn)現(xiàn)場之間缺乏信息交換的有效手段，管理層得到的信息往往是滯后且不完整的，不能為科學(xué)地編制車間作業(yè)計(jì)劃提供準(zhǔn)確而及時(shí)的數(shù)據(jù)[1]。同時(shí)，傳統(tǒng)ERP難以滿足產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)追溯的要求。

射頻識別(radio frequency identification，RFID)是自動識別技術(shù)的一種。它通過電子標(biāo)簽來標(biāo)識零件，并利用無線射頻信號來獲取存儲在電子標(biāo)簽中的物品信息。RFID技術(shù)無需與物品直接接觸，即可在無人工干擾的情況下完成信息的獲取和寫入，并且可以工作于各種惡劣環(huán)境下，識別高速運(yùn)動的物品及對遠(yuǎn)距離多目標(biāo)進(jìn)行識別等。RFID已成為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)[2]，典型應(yīng)用包括貨物追蹤、行李追蹤、槍支彈藥管理、圖書管理以及身份識別等[3]。RFID的高識別速度與高可靠性正好能滿足車間制造過程信息采集的要求。在整個(gè)生產(chǎn)過程中由RFID技術(shù)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，反饋生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)信息，可以實(shí)現(xiàn)對車間作業(yè)計(jì)劃執(zhí)行的嚴(yán)格控制[4]。

現(xiàn)采用RFID、二維碼等物聯(lián)技術(shù)，結(jié)合MES應(yīng)用系統(tǒng)，在車間展開基于物聯(lián)技術(shù)的制造過程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。對車間生產(chǎn)中的計(jì)劃派工、零件加工、組件裝配以及零件出入庫等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用RFID或二維碼，記錄實(shí)時(shí)制造狀態(tài)與生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，是實(shí)施計(jì)劃與調(diào)度、生產(chǎn)過程監(jiān)控以及制造數(shù)據(jù)追溯的技術(shù)保障。

1制造過程數(shù)據(jù)采集分析與數(shù)據(jù)分類

傳統(tǒng)MES實(shí)施中的難點(diǎn)在于生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)與在制品的實(shí)時(shí)綁定、實(shí)物流和信息流嚴(yán)重脫節(jié)、管理人員無法對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理[5]。因此，可采用RFID對在制品進(jìn)行標(biāo)識，在零件生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過讀寫器識別零件身份，并將零件的制造過程信息記錄下來。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的制造信息是管理者掌握生產(chǎn)節(jié)拍，進(jìn)行調(diào)整與決策的基礎(chǔ)。系統(tǒng)需要記錄生產(chǎn)中的詳細(xì)信息，用來提供數(shù)據(jù)追溯支持。由此將車間制造過程數(shù)據(jù)劃分為3類：靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和中間數(shù)據(jù)。

a) 靜態(tài)數(shù)據(jù)是指一般來說不會發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，例如物料的編碼、加工者的內(nèi)部編號、加工設(shè)備編號、庫房編號等等。

b) 動態(tài)數(shù)據(jù)是指在制造過程中，隨著零件狀態(tài)的變化，也會發(fā)生變化的一類數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)包括零件的加工工序、尺寸、物流信息、開工完工時(shí)間、零件狀態(tài)等等。

c) 中間數(shù)據(jù)是指從管理的需求角度出發(fā)，需要把采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、處理，由此而得到的數(shù)據(jù)就是中間數(shù)據(jù)。如管理系統(tǒng)有時(shí)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，以滿足處理或模塊之間的通信需要。

2物聯(lián)技術(shù)在車間中的應(yīng)用

a) 車間制造現(xiàn)場的應(yīng)用

根據(jù)車間的制造過程，設(shè)計(jì)了如圖1所示RFID和二維碼在車間制造管理中的應(yīng)用模型。

圖1　RFID和二維碼在車間制造管理中的系統(tǒng)模型

在RFID 系統(tǒng)中，標(biāo)簽的應(yīng)用方式有開環(huán)應(yīng)用和閉環(huán)應(yīng)用兩種方式[6]。開環(huán)應(yīng)用是將RFID貫穿于零件整個(gè)生命周期管理，不僅方便企業(yè)管理，還有利于企業(yè)掌握市場的變化，但這種方式成本較高。閉環(huán)應(yīng)用是將RFID在企業(yè)內(nèi)部使用，可以定義適應(yīng)本企業(yè)需要的EPC編碼，靈活性比較強(qiáng)，且標(biāo)簽在產(chǎn)品出廠后被回收，以便新的在制品使用，節(jié)約成本。后一種方式能被大多數(shù)企業(yè)所接受，因此，本系統(tǒng)采取閉環(huán)應(yīng)用方式。

當(dāng)在制品的毛料入庫時(shí)，根據(jù)該毛料的任務(wù)號、計(jì)劃號、零件號等基本信息由計(jì)算機(jī)自動為其生成唯一的ID，并與RFID電子標(biāo)簽綁定，作為在制品在整個(gè)制造過程中的標(biāo)識。產(chǎn)品上線時(shí)，RFID電子標(biāo)簽依附于產(chǎn)品托盤上或黏貼于零件的非加工面，產(chǎn)品下線時(shí)，由庫房將標(biāo)簽回收以便循環(huán)使用。

在每個(gè)工位分別配置一部讀寫器，將其與工位的上位機(jī)綁定。一方面，上位機(jī)通過讀寫器獲取的標(biāo)識信息，根據(jù)這些信息和相應(yīng)的生產(chǎn)指令，自動從服務(wù)器下載該物料的加工工藝文檔，給予工人準(zhǔn)確的生產(chǎn)操作指導(dǎo)，并記錄產(chǎn)品狀態(tài)、位置等關(guān)鍵信息；另一方面，在對零件進(jìn)行檢驗(yàn)后，上位機(jī)能夠根據(jù)零件的標(biāo)識信息，從CAPP/PDM服務(wù)器獲取工藝尺寸，與檢驗(yàn)的實(shí)際尺寸對比，自動判斷零件的合格性，提高檢驗(yàn)效率。并將實(shí)際尺寸上傳到服務(wù)器，為后續(xù)數(shù)據(jù)追溯提供支持。

庫房使用RFID和二維碼結(jié)合的方式對物料進(jìn)行管理。當(dāng)零件入庫時(shí)，系統(tǒng)自動獲取空閑倉位信息，待零件存放后，記錄的存放位置，以方便出庫時(shí)快速找到物料。當(dāng)零件出庫時(shí)，由二維碼取代RFID電子標(biāo)簽，將包含零件信息的二維碼貼在物料的包裝箱上，對物料進(jìn)行標(biāo)識。

b) 移動手機(jī)平臺的應(yīng)用

隨著智能手機(jī)的硬件設(shè)備不斷豐富，手機(jī)被賦予了更多的功能，從而使其更容易處理多樣的應(yīng)用要求，并最終為用戶提供終端服務(wù)[7]。

現(xiàn)采用搭載Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)作為軟件的運(yùn)行環(huán)境。利用配備的攝像頭，掃描物料的二維碼，展現(xiàn)零件的詳細(xì)制造過程數(shù)據(jù)。在零件生產(chǎn)過程中，零件在與標(biāo)簽綁定的同時(shí)，生成對應(yīng)的二維碼圖像，然后通過手動輸入零件關(guān)鍵字或通過攝像頭掃描零件對應(yīng)的二維碼?？蛻舳藢ΧS碼進(jìn)行解碼(在掃描二維碼的情況下)，將這些信息作為關(guān)鍵字，通過手機(jī)的3G或WIFI網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上的處理程序，服務(wù)器處理后將結(jié)果返回給用戶手機(jī)?？蛻舳藢⒄埱蠼Y(jié)果格式化后，顯示給用戶。從而實(shí)現(xiàn)對零件信息進(jìn)行查詢，隨時(shí)隨地地掌握零件的狀態(tài)。

3制造過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a) 系統(tǒng)物理框架設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)整體框架如圖 2所示。每個(gè)車間包括制造工作站，庫房等，各單元的硬件設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)連接成車間局域網(wǎng)，車間局域網(wǎng)又通過交換機(jī)連接到公司主干網(wǎng)絡(luò)，從而為車間層訪問上層MES服務(wù)器、CAPP/PDM數(shù)據(jù)服務(wù)器及數(shù)據(jù)采集與管理服務(wù)器建立通信鏈路。其中，ONS(object name service)服務(wù)器負(fù)責(zé)解析中間件提交的EPC碼，它類似于互聯(lián)網(wǎng)的域名解析服務(wù)(DNS)，給RFID中間件指明了存儲產(chǎn)品相關(guān)信息的服務(wù)器。對于閉環(huán)應(yīng)用的RFID系統(tǒng)，ONS服務(wù)器指示中間件訪問企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器；而對于實(shí)現(xiàn)了EPCglobal RFID應(yīng)用體系的開環(huán)應(yīng)用系統(tǒng)，可以通過ONS服務(wù)器查詢到外協(xié)件的相關(guān)信息。每一個(gè)工作站的計(jì)算機(jī)是車間管理系統(tǒng)信息傳遞的橋梁，一方面，它為不同用戶提供相應(yīng)的工作頁面，提交用戶的應(yīng)用請求，并顯示請求結(jié)果；另一方面，它作為軟件中間件的載體，負(fù)責(zé)根據(jù)用戶要求，發(fā)出控制底層硬件設(shè)備的命令，并通過與底層設(shè)備的通信，將設(shè)備的處理結(jié)果提交到上層服務(wù)器處理。車間的無線網(wǎng)絡(luò)能方便授權(quán)用戶通過智能移動設(shè)備直接接入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，提供多途徑的應(yīng)用模式。同時(shí)，通過智能手機(jī)上的客戶端軟件，通過3G網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)采集與管理服務(wù)器。

圖2　基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)框架

b) 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1) 底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)層是RFID手持讀寫設(shè)備的系統(tǒng)層，它提供手持設(shè)備中間件的運(yùn)行環(huán)境，直接驅(qū)動讀寫器的底層硬件。

2) 手持RFID設(shè)備中間件是基于WinCE平臺的MFC應(yīng)用程序，一方面，它本身能直接控制讀寫器，對電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作；另一方面，它在后臺監(jiān)測指定端口的通信數(shù)據(jù)，將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)采集請求轉(zhuǎn)化為控制命令，控制讀寫器對標(biāo)簽進(jìn)行操作，然后將執(zhí)行結(jié)果返回給代理中間層，由它將結(jié)果進(jìn)行處理后傳遞給數(shù)據(jù)處理層。

3) 代理中間件層功能類似于代理服務(wù)器，它為應(yīng)用層提供一系列標(biāo)準(zhǔn)接口，以基于COM+標(biāo)準(zhǔn)的ActiveX控件形式嵌于Web頁面中運(yùn)行。它自身處理部分應(yīng)用層的業(yè)務(wù)或?qū)?yīng)用層的業(yè)務(wù)請求交給手持RFID設(shè)備中間件處理，并將處理結(jié)果交給應(yīng)用層。

4) 業(yè)務(wù)處理層是服務(wù)器上一系列Servlet模型以及內(nèi)嵌于Web頁面的JSP、Javascript腳本組成，共同完成應(yīng)用層的業(yè)務(wù)處理。

5) 應(yīng)用層是服務(wù)于用戶的功能集合，它是整個(gè)系統(tǒng)對用戶的呈現(xiàn)。其中Android應(yīng)用基于Android 2.3開發(fā)，C/S結(jié)構(gòu)；Web應(yīng)用采用MVC(model view controller)開發(fā)模式，運(yùn)行于Internet Explorer10瀏覽器，B/S結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了MES系統(tǒng)中面向工作人員的生產(chǎn)管理、生產(chǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)追溯、質(zhì)量跟蹤等功能。

c) 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

制造過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)在MES系統(tǒng)構(gòu)架下，提供零件整個(gè)生產(chǎn)過程監(jiān)控，包括工段長派工、工人加工、零件裝配以及庫房管理等服務(wù)，并能處理智能手機(jī)設(shè)備端對制造過程數(shù)據(jù)查詢、回溯的服務(wù)請求。系統(tǒng)功能模塊如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)功能模塊

各模塊的具體功能如下：

1) 車間權(quán)限管理：定義對車間人員的角色、權(quán)限，Web應(yīng)用根據(jù)這些權(quán)限加載對應(yīng)的功能菜單和工作頁面。

2) 標(biāo)簽管理：負(fù)責(zé)處理標(biāo)簽中記錄的信息?？梢詫π聵?biāo)簽內(nèi)容進(jìn)行初始化，并對回收的標(biāo)簽進(jìn)行重新格式化處理。

3) 制造單元數(shù)據(jù)采集與管理：處理制造單元的業(yè)務(wù)，包括零件的派工、加工數(shù)據(jù)合格性判定、零件的凍結(jié)、查看歷史加工數(shù)據(jù)以及提供當(dāng)前加工工序的電子工藝文檔。

4) 裝配單元數(shù)據(jù)采集與管理：裝配單元也屬于制造單元，除了有一般制造單元的業(yè)務(wù)處理之外，該單元還對需要裝配的子件進(jìn)行檢查核對，以判定子件是否存在缺失，錯(cuò)拿等問題。利用RFID的多標(biāo)簽識別技術(shù)，根據(jù)裝配的工藝信息，即可快速判定是否存在以上問題，縮短了裝配前的準(zhǔn)備工作時(shí)間。

5) 庫房管理：該模塊對零件的出入庫進(jìn)行登記、快速定位零件存儲位置、打印出入庫報(bào)表以及生成包含包裝箱信息的二維碼。

6) 移動設(shè)備應(yīng)用管理：提供移動設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)追溯的服務(wù)支持。

4系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件包含3大部分，分別是Web應(yīng)用、RFID中間件和Android客戶端。利用該軟件系統(tǒng)，借助RFID讀寫器和搭載Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)，模擬將射頻技術(shù)及二維碼應(yīng)用于車間制造過程。模擬環(huán)境為QLM 27100龍門加工中心加工現(xiàn)場。硬件的RFID讀寫器采用成為公司的C5000U型號讀寫器，智能手機(jī)采用HTC G11。如圖 5、圖 6所示。

圖5　生產(chǎn)車間

圖6　手持射頻讀寫器

利用該讀寫器對附著RFID標(biāo)簽的零件進(jìn)行識別，即可快速獲取零件相關(guān)信息，包括物料號、計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間、當(dāng)前工序號、加工工藝電子文檔等等，很大程度上提高生產(chǎn)效率。如圖7所示。

圖7　零件加工Web頁面

零件加工完成并經(jīng)過檢驗(yàn)后，系統(tǒng)自動將制造過程信息上傳，包括加工者、加工設(shè)備、加工數(shù)據(jù)等詳細(xì)信息。用戶能用Android智能手機(jī)掃描零件的二維碼，對加工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。如圖 8所示。

圖8　Android手機(jī)對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯

5結(jié)語

利用物聯(lián)技術(shù)的車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅使數(shù)據(jù)采集更實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，而且為生產(chǎn)計(jì)劃層提供生產(chǎn)能力的準(zhǔn)確值。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對車間的業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)追溯，既能提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，也能促進(jìn)朝著智能化、無紙化生產(chǎn)方式發(fā)展，有較好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。系統(tǒng)的Web應(yīng)用基于J2EE平臺，可在不同平臺的服務(wù)器上運(yùn)行，具有良好的兼容性。Android手機(jī)應(yīng)用還能與其他MES相關(guān)的軟件互補(bǔ)不足，組成功能更為強(qiáng)大的MES系統(tǒng)，有效解決ERP系統(tǒng)的不足，提高企業(yè)信息化水平和市場競爭力。

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收稿日期：2014-01-27

中圖分類號：TP274+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0098-04

作者簡介：聶志(1986-)，男，湖北武漢人，碩士，研究方向：制造執(zhí)行系統(tǒng)。