基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)間制造系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息提取與控制*

劉旭東 ，孫文磊，崔權(quán)維

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊　830047)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)間制造系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息提取與控制*

劉旭東 ，孫文磊，崔權(quán)維

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830047)

摘要：激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境以及信息技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了企業(yè)車(chē)間數(shù)字化制造系統(tǒng)的不斷升級(jí)，文章提出了一種基于車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息提取與控制方法。主要包括網(wǎng)絡(luò)DNC模塊，管理模塊，監(jiān)控模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊的功能，詳細(xì)地闡述了各個(gè)模塊的工作原理，并將它與現(xiàn)有的其他系統(tǒng)做了比較說(shuō)明。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)綜合了“數(shù)字化工廠”與MES系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的透明性和可控性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)時(shí)信息 ；制造執(zhí)行系統(tǒng)；信息提取

0引言

智慧工廠的迅速發(fā)展和工業(yè)4.0的蓬勃興起使得現(xiàn)代制造業(yè)正經(jīng)歷著一場(chǎng)巨大的產(chǎn)業(yè)革命。Internet在改變信息傳遞方式的同時(shí)也改變著企業(yè)組織管理方式，使以滿(mǎn)足全球化市場(chǎng)用戶(hù)需求為核心的快速、智能化制造活動(dòng)成為可能。從制造業(yè)信息化進(jìn)程可看出，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，未來(lái)的制造業(yè)在某種意義上將成為一種信息產(chǎn)業(yè)，信息將成為制造業(yè)的決定因素，用信息技術(shù)促進(jìn)未來(lái)制造業(yè)已成為時(shí)代潮流[1]。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)字化工廠和MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))就是信息技術(shù)與車(chē)間生產(chǎn)管理相結(jié)合的典型代表。但現(xiàn)有文獻(xiàn)中所提到的“數(shù)字化工廠”其實(shí)質(zhì)往往更傾向于“虛擬制造”，是產(chǎn)品計(jì)劃、設(shè)計(jì)、模擬生產(chǎn)以及管理全過(guò)程的協(xié)同工作[2-4]，而“車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)”更側(cè)重與對(duì)車(chē)間真實(shí)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的管理[5-6]?；趯?shí)時(shí)信息的車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)(Based on the Real-time information MES, BRTI-MES)綜合了“數(shù)字化工廠”和“制造執(zhí)行系統(tǒng)”的各方面優(yōu)點(diǎn)，使得產(chǎn)品在整個(gè)生產(chǎn)制造過(guò)程中透明度更高，可控性更好。

1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外的制造企業(yè)都積極地將資金投入到物聯(lián)網(wǎng)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)中，利用數(shù)字化制造提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)成為全球制造企業(yè)的共識(shí)?；谖锫?lián)網(wǎng)的數(shù)字化制造技術(shù)的研究也已成為國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES系統(tǒng))是美國(guó)AMR公司在20世紀(jì)90年代初提出的，目的在于加強(qiáng)物料需求計(jì)劃M(mǎn)RP的執(zhí)行功能，把MRP計(jì)劃同車(chē)間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)[7]。Tecnomatix 公司 CAPE 軟件 eMPower 是對(duì)一個(gè)完整的工廠從生產(chǎn)線、加工單元到工序操作的所有層次進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化的集成計(jì)算機(jī)環(huán)境[8]。它的目標(biāo)主要是生產(chǎn)計(jì)劃、工藝管理、生產(chǎn)過(guò)程組織等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和優(yōu)化問(wèn)題。我國(guó)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)尤其是MES的研究起步較晚，在理論方面目前主要停留在對(duì)其內(nèi)涵及有關(guān)單一技術(shù)(如工序調(diào)度)研究方面。在制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用方面，大多側(cè)重于軟件開(kāi)發(fā)及其建模，而且應(yīng)用水平基本只達(dá)到MES技術(shù)的早期階段(專(zhuān)用MES和集成化MES)，也缺乏具體實(shí)際工程應(yīng)用研究。與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，無(wú)論是在技術(shù)深度與應(yīng)用廣度上都存在較大差距[9]。

2BRTI-MES體系結(jié)構(gòu)

基于實(shí)時(shí)信息的車(chē)間制造系統(tǒng)位于企業(yè)的執(zhí)行層，是上層計(jì)劃層 MRPII/ERP 和底層設(shè)備控制系統(tǒng) (Device Control System, DCS)之間的橋梁[10]。上層計(jì)劃層綜合PDM數(shù)據(jù)向制造執(zhí)行系統(tǒng)傳遞指令任務(wù)和物料信息，包括工藝BOM，工藝規(guī)程，設(shè)計(jì)圖紙，生產(chǎn)計(jì)劃，工時(shí)定額等。制造執(zhí)行系統(tǒng)通過(guò)有效地利用、控制和管理信息流、工作流和資源流，實(shí)現(xiàn)組織內(nèi)所有成員之間的資源共享和高度協(xié)同工作，實(shí)時(shí)向計(jì)劃層反饋任務(wù)執(zhí)行結(jié)果和物料使用信息等。底層控制系統(tǒng)通過(guò)DNC(Distributed Numerical Control)解決數(shù)控機(jī)床在企業(yè)中“信息孤島”的地位,實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床內(nèi)資源信息的共享。BRTI-MES通過(guò)與DNC接口向DNC下達(dá)任務(wù)指令，再由DNC分發(fā)到各單位機(jī)床執(zhí)行操作。DNC向BRTI-MES實(shí)時(shí)反饋指令下達(dá)成功與否、產(chǎn)品的加工狀態(tài)以及設(shè)備信息。BRTI-MES的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　BRTI-MES體系結(jié)構(gòu)

3BRTI-MES與現(xiàn)有MES系統(tǒng)之間的比較

現(xiàn)有的MES系統(tǒng)其關(guān)注的信息主要是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)底層的感知與標(biāo)識(shí)技術(shù)對(duì)半成品或成品的信息以掃描或感知等方式得來(lái)的數(shù)據(jù)，中間人為干預(yù)的環(huán)節(jié)較多，使得生產(chǎn)過(guò)程中的不可控因素增多。在一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)中，MES的主要功能是對(duì)所有成品或半成品包括原材料在內(nèi)的信息通過(guò)統(tǒng)一掃碼進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)，并匯集成最終信息將其制成最終條碼以達(dá)到對(duì)成品的生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控作用。在整個(gè)過(guò)程中，MES發(fā)揮的指導(dǎo)，監(jiān)控作用較為微弱。基于實(shí)時(shí)信息的制造執(zhí)行系統(tǒng)則相對(duì)地對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)，監(jiān)控，分析過(guò)程有較全面的作用。計(jì)劃層和執(zhí)行層可以實(shí)時(shí)通話，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙和工藝以及生產(chǎn)計(jì)劃等可以隨時(shí)更改，以求最優(yōu)化生產(chǎn)。底層控制層則實(shí)時(shí)向上反饋產(chǎn)品加工狀態(tài)和各種設(shè)備信息，務(wù)求使計(jì)劃層實(shí)時(shí)的掌控全局。

4BRTI-MES的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)

基于實(shí)時(shí)信息的車(chē)間制造系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)DNC模塊，管理模塊以及監(jiān)控模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊組成的。網(wǎng)絡(luò)DNC模塊處于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)層，主要負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)的采集和上層指令的傳送。管理模塊處于物聯(lián)網(wǎng)的控制層，是對(duì)所有的PDM數(shù)據(jù)和信息流、工作流和資源流進(jìn)行綜合控制和協(xié)調(diào)管理，以達(dá)到資源的最優(yōu)化利用和企業(yè)利益最大化。監(jiān)控模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊屬于物聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)層，是將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合其他PDM數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、分析、對(duì)比、反饋，是計(jì)劃層了解生產(chǎn)和管理狀況的依據(jù)，也是計(jì)劃層進(jìn)一步優(yōu)化管理的數(shù)據(jù)和理論支撐。下面將對(duì)上述模塊進(jìn)行逐一詳細(xì)地介紹。

4.1網(wǎng)絡(luò)DNC模塊與實(shí)現(xiàn)

DNC又分為DNC采集模塊、DNC通信模塊和DNC管理模塊。DNC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集模塊為大規(guī)模多級(jí)分布式采集架構(gòu),采用這樣的系統(tǒng)接口組成結(jié)構(gòu)后,無(wú)論是網(wǎng)卡采集的機(jī)床,還是利用傳感器進(jìn)行采集的機(jī)床,或者是直接使用串口代碼反饋的機(jī)床,都可以將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)中,并在計(jì)算處理后提供給BRTI-MES使用[11]。BRTI-MES將指令計(jì)劃通過(guò)BRTI-MES與DNC接口傳送給DNC系統(tǒng)，再由DNC管理模塊將NC程序傳遞給DNC通訊模塊。當(dāng)DNC通訊模塊向機(jī)床傳遞失敗時(shí)會(huì)及時(shí)通知DNC管理模塊。其通訊模型如圖2所示。

圖2　DNC模塊通訊模型

網(wǎng)絡(luò)DNC模塊主要負(fù)責(zé)任務(wù)的傳輸與在線監(jiān)控，上層指令可以通過(guò)選擇發(fā)送、選擇自動(dòng)、選擇停止、選擇重啟、發(fā)送文件、斷點(diǎn)續(xù)傳、接收文件、自動(dòng)傳輸、終止傳輸、繼續(xù)傳輸、暫停傳輸?shù)裙δ馨踩皶r(shí)抵達(dá)接受終端。在生產(chǎn)任務(wù)重、數(shù)控加工量大的情況下可以降低企業(yè)主干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，并保證數(shù)控機(jī)床能夠及時(shí)獲得加工所需數(shù)據(jù)；消除了網(wǎng)絡(luò)擁堵造成的機(jī)床下載遲滯問(wèn)題以及企業(yè)主干網(wǎng)突發(fā)中斷造成的加工中斷問(wèn)題；獲得了生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)的多級(jí)冗余，保證了企業(yè)數(shù)據(jù)安全。在線檢測(cè)能將機(jī)床的生產(chǎn)狀態(tài)及時(shí)地反饋給BRTI-MES，為BRTI-MES的工序加工計(jì)劃提供可靠依據(jù)。模塊界面截圖如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)DNC模塊界面截圖

4.2管理模塊與實(shí)現(xiàn)

管理模塊主要是對(duì)與產(chǎn)品相關(guān)的各種PDM數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，主要管理對(duì)象為人員，任務(wù)流，產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙(2D或3D)，工藝文檔以及零件與裝配件等。人員管理對(duì)企業(yè)中的每個(gè)人都設(shè)定了扮演的角色、所屬部門(mén)以及所有權(quán)限。通過(guò)人員管理，每一個(gè)特定的零部件、裝配件或一項(xiàng)特定的任務(wù)只有指定的人或部門(mén)可以參與、查看或修改，從而可以大大提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和資料安全性。零件和裝配件管理向人員管理傳輸相應(yīng)信息，包括圖紙、工藝和裝配情況等信息。任務(wù)管理向人員管理反饋任務(wù)執(zhí)行情況，使得計(jì)劃層可以實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)情況，也可以實(shí)時(shí)修改生產(chǎn)計(jì)劃以達(dá)到市場(chǎng)或客戶(hù)要求，最大限度地優(yōu)化資源配置、節(jié)約成本。零件和裝配管理與任務(wù)管理相互反饋圖紙、工藝、文檔和生產(chǎn)裝配等信息，二者將實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)及時(shí)相互反饋以避免因市場(chǎng)需求變化帶來(lái)的生產(chǎn)過(guò)?；蛏a(chǎn)錯(cuò)誤等不利因素的產(chǎn)生。DNC模塊數(shù)據(jù)采集是基礎(chǔ)，采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)地反饋給BRTI-MES管理模塊使其內(nèi)部成員之間資源共享和高度協(xié)同工作。其邏輯模型如圖4所示。

圖4　管理模塊邏輯模型

每一個(gè)零件或裝配件都有圖紙列表、工藝文檔、3D文檔和零件DNC文檔等對(duì)象信息，當(dāng)新的計(jì)劃生產(chǎn)的零件或裝配件已經(jīng)存在時(shí)可以直接將相關(guān)信息調(diào)出并下傳DNC開(kāi)始作業(yè)，有效的節(jié)約了人力成本和時(shí)間成本。通過(guò)一定的權(quán)限對(duì)每個(gè)對(duì)象都可以執(zhí)行導(dǎo)入、導(dǎo)出、借用、刪除、編輯修改、打印、發(fā)布、增加下級(jí)、復(fù)制、剪切等操作。例如以序號(hào)、名稱(chēng)、文件狀態(tài)、文件類(lèi)型和文件大小的格式顯示的圖紙， 2D或3D的圖紙都可以直接在線瀏覽查看。如果市場(chǎng)需求或設(shè)計(jì)要求有所變化，管理人員可以實(shí)時(shí)地對(duì)圖紙進(jìn)行修改、完善，并對(duì)其對(duì)應(yīng)的工藝文檔和NC程序等做出相應(yīng)的調(diào)整，從而在很大程度上提高了底層制造一線對(duì)市場(chǎng)變化的應(yīng)變能力。人員管理與零件和裝配件管理之間的互動(dòng)讓任務(wù)的可控性更好，在按程序有條不紊執(zhí)行的基礎(chǔ)上使得人力資源的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步得到發(fā)揮。模塊界面如圖5所示。

圖5　管理模塊界面

4.3監(jiān)控模塊和統(tǒng)計(jì)分析模塊與實(shí)現(xiàn)

統(tǒng)計(jì)分析的對(duì)象包括設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備日志、統(tǒng)計(jì)圖標(biāo)、對(duì)比分析、效率報(bào)表、設(shè)備故障等。BRTI-MES通過(guò)設(shè)備監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集功能收集了大量的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程信息，并將這些信息存儲(chǔ)于后臺(tái)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)一方面反映了企業(yè)當(dāng)時(shí)的實(shí)際運(yùn)行狀況，另一方面又形成了一種寶貴的信息資源，通過(guò)這些信息資源可以有效地對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析研究，并在研究的基礎(chǔ)上加以改善。

通過(guò)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與信息采集將當(dāng)天參與和未參與生產(chǎn)的的設(shè)備按編號(hào)、名稱(chēng)、狀態(tài)、類(lèi)型、日期、操作者等信息制成統(tǒng)計(jì)圖表并形成設(shè)備日志，將設(shè)備日志存檔，有故障的設(shè)備及時(shí)報(bào)修。統(tǒng)計(jì)圖表實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各種數(shù)據(jù)的分類(lèi)匯總和統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合先進(jìn)的設(shè)備管理理論模型計(jì)算用戶(hù)關(guān)心的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，完善計(jì)劃管理和設(shè)備管理方法，輔助決策。統(tǒng)計(jì)之后的數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中形成效率報(bào)表并存檔，將分析結(jié)果和效率報(bào)表一起上傳給BRTI-MES管理模塊供其做出有利的判斷去執(zhí)行下一步操作。維修管理向BRTI-MES管理模塊反饋設(shè)備維護(hù)情況，BRTI-MES管理模塊根據(jù)設(shè)備故障和維修情況給維修模塊下發(fā)進(jìn)一步的維修計(jì)劃，通過(guò)二者的協(xié)調(diào)管理實(shí)現(xiàn)“設(shè)備的綜合效率最高”的技術(shù)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)分析模塊流程圖如圖6所示。

圖6　統(tǒng)計(jì)分析模塊流程圖

設(shè)備監(jiān)控是將設(shè)備統(tǒng)一編號(hào)、命名、分類(lèi)，監(jiān)控其當(dāng)前狀態(tài)和操作者等信息。采集到的數(shù)據(jù)以設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、班次、開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、開(kāi)機(jī)率、利用率的格式制成統(tǒng)計(jì)圖表，同時(shí)形成生產(chǎn)、運(yùn)行、報(bào)警、通訊等設(shè)備日志和工作曲線。設(shè)備日志存檔，并和統(tǒng)計(jì)圖表一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)為對(duì)比分析和效率報(bào)表提供數(shù)據(jù)支持。把數(shù)據(jù)按設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、組別、設(shè)備類(lèi)型、班次、開(kāi)機(jī)率、利用率、開(kāi)機(jī)時(shí)間、加工時(shí)間、待機(jī)時(shí)間等重新整合后做對(duì)比分析，將分析結(jié)果形成效率報(bào)表上傳BRTI-MES管理層輔助其決策。模塊界面如圖7所示。

圖7　統(tǒng)計(jì)分析模塊界面

5總結(jié)

BRTI-MES系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新航標(biāo)。它是上層計(jì)劃層與底層控制層聯(lián)系的關(guān)鍵，其作用在于收集生產(chǎn)中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，與計(jì)劃層和控制層保持雙向信息通訊，實(shí)時(shí)處理生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的突發(fā)狀況，消除企業(yè)信息流的斷層現(xiàn)象，是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化。BRTI-MES系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化制造，提高產(chǎn)品制造能力，縮短產(chǎn)品制造周期，降低制造成

本方面效果顯著，從本質(zhì)上提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。

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(編輯李秀敏)

The Real-time Information Extraction and Control of Workshop Manufacturing System Based on IOT

LIU Xu-dong ,SUN Wen-lei，CUI Quan-wei

(School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047,China)

Abstract：The increasingly fierce competitive environment and rapid development of information technology have promoted the development of digital manufacturing system of enterprises, this paper proposed a kind of real-time information extraction and control method which based on the manufacturing execution system. In this paper we introduces the function of Netwok DNC Module, Management Module, Monitoring Module and Statistical Analysis Module which make up the whole system, expounds the working principle of each module in detail, and compares it with other existing systems systematically. This system which based on the internet of things takes advantages of the "digital factory" and MES, and improves the transparency and control in the production process greatly.

Key words：internet of things (IOT);real-time information; MES; information extraction

中圖分類(lèi)號(hào)：TH165;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉旭東(1987—)，男，甘肅定西人，新疆大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榛趯?shí)時(shí)信息的車(chē)間制造系統(tǒng)，(E-mail)linhushouqiu@126.com；通訊作者：孫文磊(1962—)，男，烏魯木齊人，新疆大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)，(E-mail) sunwenxj@163.com。

*基金項(xiàng)目：新疆科技重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(201130110)；新疆科技支疆項(xiàng)目(2013911032);新疆維吾爾自治區(qū)高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目(201513102)

收稿日期：2015-04-17

文章編號(hào)：1001-2265(2016)03-0154-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.043