基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的智能生產(chǎn)線系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

（上海市嘉定區(qū)安亭鎮(zhèn)人民政府，上海 201805）

0 引言

1913 年，福特發(fā)明了人類歷史上第一條流水線，自此以后人們對(duì)生產(chǎn)線的研究就沒(méi)有停止過(guò)。發(fā)展至今，自動(dòng)化生產(chǎn)線在工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，這種生產(chǎn)方式大大提高了工業(yè)制造的效率，但是由于自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制方式大部分是預(yù)先設(shè)置的，所以存在生產(chǎn)靈活性不足的缺點(diǎn)。如果把整個(gè)生產(chǎn)線做成一個(gè)閉環(huán)，使生產(chǎn)線可以感知、分析、決策并執(zhí)行，就可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化。

2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在信息社會(huì)世界峰會(huì)上以報(bào)告的形式給出了物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的概念，“通過(guò)二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別（RFID）裝置，紅外感應(yīng)器，全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品和互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]”。近幾年隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究和應(yīng)用非常廣泛，如共享汽車、智能物流、無(wú)人駕駛等。

由此可見(jiàn)，自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究已經(jīng)比較成熟，而且物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用也取得了較大進(jìn)展。本文通過(guò)把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)線上，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的智能化，不但極大地提高了生產(chǎn)效率，而且為生產(chǎn)線的管理提供了便利[2]。

1 智能生產(chǎn)線工作流程簡(jiǎn)介

圖1 主生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

將一個(gè)產(chǎn)品的完整加工流程分為若干個(gè)基本的工序，每一個(gè)加工模塊完成一道工序，加工模塊在加工過(guò)程中重復(fù)地完成某一個(gè)操作；通過(guò)一條主生產(chǎn)線串連所有的加工模塊，并且傳遞待加工的物料[3]。同時(shí)，主生產(chǎn)線在各加工模塊處分支出一條支生產(chǎn)線，供物料或產(chǎn)品進(jìn)出加工模塊，而且支生產(chǎn)線可以起到為各加工模塊進(jìn)行緩沖任務(wù)的作用。

如圖1所示，待加工物料庫(kù)里有四種型號(hào)的物料A、B、C、D，這四種物料需要經(jīng)過(guò)各自不同的加工流程，也就是需要經(jīng)過(guò)不同的加工模塊組合才能完成加工。待加工物料放置于托盤上，如圖2所示，托盤上裝有電子標(biāo)簽，在物料上線時(shí)將物料型號(hào)信息寫入電子標(biāo)簽，主生產(chǎn)線將托盤自動(dòng)傳遞至各個(gè)加工模塊，主生產(chǎn)線上的各個(gè)加工模塊位置處安裝有RFID讀寫器，通過(guò)讀取托盤上的電子標(biāo)簽里的信息確定該物料是否需要在本加工模塊上加工。如果需要，則托盤從主生產(chǎn)線上傳遞到對(duì)應(yīng)的支生產(chǎn)線上，再進(jìn)入加工模塊進(jìn)行加工；否則，托盤被傳遞至下一個(gè)加工模塊，如圖3所示。

圖2 支生產(chǎn)線

2 射頻識(shí)別（RFID）數(shù)據(jù)采集

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)具有體積小、容量大、可重復(fù)使用、讀寫快速等特點(diǎn)，且不怕油污、灰塵、高溫等惡劣環(huán)境，所以在工業(yè)可以達(dá)到很好的識(shí)別效果。目前射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用很廣泛，2009年我國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)110億元，相比2008年增長(zhǎng)36.8%，已用于物流、城市交通、工業(yè)生產(chǎn)等方面[4]。本文將射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)應(yīng)用在智能化生產(chǎn)線中，用以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)人化采集與處理[5]。

如圖4所示，在上線模塊，待加工物料被放置在托盤上，RFID讀寫器將待加工物料型號(hào)信息寫入電子標(biāo)簽，每個(gè)物料型號(hào)都對(duì)應(yīng)一種預(yù)設(shè)的加工流程[6]。在每個(gè)加工模塊位置處，PLC通過(guò)RFID讀寫器自動(dòng)獲取到達(dá)該加工模塊的物料型號(hào)信息，同時(shí)將新的信息寫入到電子標(biāo)簽里。這些物料型號(hào)信息用于確定該物料是否需要在本加工模塊上加工。RFID讀寫器固定在主生產(chǎn)線上加工模塊處，通過(guò)以太網(wǎng)與PC相連，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[7]。PC機(jī)根據(jù)得到的待加工物料的型號(hào)信息，通過(guò)PLC控制主生產(chǎn)線上的待加工物料進(jìn)入某一個(gè)加工模塊或者繼續(xù)傳送至下一個(gè)加工模塊。物料包裝下線后，電子標(biāo)簽里的信息將清除，在下一個(gè)物料上線時(shí)重新寫入新的信息，以實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的重復(fù)利用。

圖3 生產(chǎn)線工作流程

圖4 數(shù)據(jù)采集

圖5 數(shù)據(jù)處理

如圖5所示，系統(tǒng)首先對(duì)實(shí)時(shí)采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)存入到生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫(kù)里。數(shù)據(jù)庫(kù)里的信息一方面用于PC機(jī)通過(guò)PLC控制主生產(chǎn)線上的物料的加工流程；另一方面用于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

如圖6所示，遠(yuǎn)程監(jiān)控主要由三層完成：底層為感知層，中層為接入層，上層為服務(wù)管理層。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控

感知層：主要包括RFID等各類型感應(yīng)設(shè)備，其功能是采集對(duì)生產(chǎn)線的工作狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。

接入層：主要通過(guò)現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)（GSM/GPRS）將來(lái)自感知層的信息傳遞到互聯(lián)網(wǎng)中。

服務(wù)管理層：遠(yuǎn)程服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)從各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收信息，完成數(shù)據(jù)解析、處理、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、圖表繪制等功能，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令至生產(chǎn)線完成遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，使得客戶端在任何時(shí)間地點(diǎn)，通過(guò)登陸遠(yuǎn)程服務(wù)器，就可在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了客戶端對(duì)生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制功能[8～10]。

4 結(jié)論

隨著德國(guó) “工業(yè)4.0”以及“中國(guó)制造2025”的提出，制造業(yè)已經(jīng)邁入了“智能”的新時(shí)代，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是智能制造的核心技術(shù)，將會(huì)有廣泛的應(yīng)用 。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線上，可以使生產(chǎn)線具備自判斷、自決策功能，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，達(dá)到真正的“智能化”。如圖7所示，采用了本文所研究技術(shù)的智能生產(chǎn)線樣機(jī)取得了良好的實(shí)際效果，不但極大地提高了生產(chǎn)效率，而且為生產(chǎn)線的管理提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力。

圖7 智能生產(chǎn)線樣機(jī)

[1]International Telecommunication Union UIT.ITU Internet Reports2005:The Internet of Things[R].2005．

[2]薛鵬.縫制設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)中生產(chǎn)線管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013:4-6.

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[4]盧濤.美、歐、日、韓等國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略及其對(duì)我國(guó)的啟示[J].科技進(jìn)步與對(duì)策,2012(4):47-51.

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[10]魏星.工業(yè)遠(yuǎn)程控制與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)—基于RFID-GSM技術(shù)的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)[D].內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古科技大學(xué),2011:7-14.