基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧工廠實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)研究

黃聰

[摘 要]在5G、人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”高速發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)作為物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，在工業(yè)企業(yè)中被廣泛應(yīng)用。本文運用物聯(lián)網(wǎng)對智慧工廠實驗系統(tǒng)設(shè)計進行研究，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計原則，結(jié)合工廠生產(chǎn)、能源等管理工作，總結(jié)設(shè)計優(yōu)勢，旨在通過設(shè)計與開發(fā)智慧物聯(lián)實驗系統(tǒng)進一步加快智慧工廠建設(shè)。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)；智慧工廠；實驗系統(tǒng)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.10.033

[中圖分類號]TP311.52 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2019）10-00-02

0 引 言

中國制造2025的智能制造工程提到，我國要開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用，分類實施流程制造、智能化管理、智能化服務(wù)等試點示范及應(yīng)用推廣。但在現(xiàn)階段部分企業(yè)的智慧工廠建設(shè)中，存在一定的限制性問題，因此，企業(yè)在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智慧工程實驗系統(tǒng)時，應(yīng)結(jié)合自身企業(yè)的特點進行管理，創(chuàng)新技術(shù)及標準化項目，實現(xiàn)智慧工程實驗系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，滿足項目對信息化發(fā)展的需求，促進工業(yè)行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。

1 智慧工廠工程實驗室系統(tǒng)的設(shè)計原則及優(yōu)勢

1.1 物聯(lián)網(wǎng)智慧系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，主要在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延伸及擴展，通過利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使物聯(lián)網(wǎng)得到延伸以及擴展，可以有效縮短物品與人之間的信息交流，實現(xiàn)智能化識別及管理。

1.2 智慧工廠實驗系統(tǒng)的建設(shè)原則

在智慧工廠實驗系統(tǒng)建設(shè)中，通過與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，將智慧工程實驗室的系統(tǒng)設(shè)計作為重點，保證工廠實驗室系統(tǒng)設(shè)計的有效性，因此，在智慧工廠實驗系統(tǒng)設(shè)計中，企業(yè)應(yīng)該遵守以下幾個原則。第一，在智慧工廠實驗系統(tǒng)設(shè)計中，企業(yè)應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，使廠區(qū)按照功能、層次進行模塊化的項目處理。第二，將實驗系統(tǒng)生產(chǎn)及物流自動化運行作為重點，通過適時調(diào)整數(shù)據(jù)資源，提高智慧工廠的操作功能。第三，積極采用先進、成熟以及實用性的智慧化系統(tǒng)，將其作為主流生產(chǎn)系統(tǒng)，達到智慧工廠實驗室節(jié)能減排的最終目的。第四，在智慧工廠系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)開放性、數(shù)據(jù)化的設(shè)計內(nèi)容，創(chuàng)新工廠生產(chǎn)工藝，全面提升工程項目設(shè)計的價值，為系統(tǒng)的安全性、快速性故障處理提供參考。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)智慧工廠實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢

在工廠運行及發(fā)展中，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智慧工廠實驗系統(tǒng)，可以滿足現(xiàn)代工廠的發(fā)展需求。首先，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)智慧工廠實驗系統(tǒng)可以大幅度降低企業(yè)的費用支出，提高工廠信息獲取效率，促進工廠的穩(wěn)定運行。其次，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使用過程中，通過優(yōu)化庫存管理信息，可以減少企業(yè)庫存量，并通過先進先出的原則，降低企業(yè)管理成本，為工廠的經(jīng)濟發(fā)展提供支持。最后，在工廠物聯(lián)網(wǎng)實驗系統(tǒng)設(shè)計中，可以將市場以及消費者的需求作為重點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，縮短企業(yè)與消費者之間的關(guān)系，實現(xiàn)按訂單組織貨源，加強企業(yè)對市場以及消費能力的精準把控。

2 物聯(lián)網(wǎng)智慧工廠的系統(tǒng)組成

2.1 生產(chǎn)控制層

在建設(shè)智慧工廠的工程中，企業(yè)應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智慧技術(shù)構(gòu)建生產(chǎn)控制層，通過RFID、一二維碼掃碼器等各種傳感器以及控制器，實現(xiàn)對工廠入庫物資的實時信息采集、轉(zhuǎn)換，然后整合收集信息，實現(xiàn)實時傳輸。同時，在生產(chǎn)控制層中，企業(yè)通過應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，在結(jié)合信息采集技術(shù)、傳感技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等基礎(chǔ)上，保持物聯(lián)網(wǎng)智慧工廠系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)據(jù)融合層

在設(shè)計數(shù)據(jù)融合層時，企業(yè)通過運用ESB（主數(shù)據(jù)）及數(shù)據(jù)融合主機，實現(xiàn)信息優(yōu)化處理以及有效傳輸，實現(xiàn)對工業(yè)實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編碼等多個系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的唯一性管理，并計算出綜合性的安全指數(shù)。同時，在使用數(shù)據(jù)融合層關(guān)鍵技術(shù)的過程中，企業(yè)通過應(yīng)用信息優(yōu)化處理技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，滿足互聯(lián)網(wǎng)智慧工程的運行需求。

2.3 生產(chǎn)制造管理層

在構(gòu)建智慧工廠實驗系統(tǒng)的過程中，企業(yè)應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)制造管理層，組成高性能電腦終端。生產(chǎn)制造管理層包括生產(chǎn)調(diào)度計劃管理、成本管理、質(zhì)量管理和設(shè)備管理等功能，通過相關(guān)人員操作，為工廠數(shù)據(jù)的儲存、分類及分析提供支持。決策相應(yīng)層通常使用軟件技術(shù)、計算機技術(shù)以及各種數(shù)據(jù)采集技術(shù)，提高工廠實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.4 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

在智慧工廠實驗系統(tǒng)設(shè)計中，企業(yè)逐漸向信息化、的方向發(fā)展。智慧工程在構(gòu)建實驗系統(tǒng)的過程中，通過儲存單元、搬運單元以及加工單元等進行整合數(shù)據(jù)，形成完整的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，提高工廠數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)化控制。工廠實驗平臺中的運行模式通常會采用“BS+客戶端服務(wù)器”的模式，結(jié)合控制信息、管理信息以及監(jiān)控信息，充分展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)工作系統(tǒng)運行的安全性。

3 工廠物聯(lián)網(wǎng)背景下智慧實驗系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容

3.1 智慧生產(chǎn)

在智慧生產(chǎn)中，中國制造2025關(guān)于智能制造工程提到，企業(yè)的生產(chǎn)過程要想實現(xiàn)智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，應(yīng)重點建設(shè)領(lǐng)域智能工廠、數(shù)字化車間。在生產(chǎn)過程中，智慧實驗系統(tǒng)以生產(chǎn)供應(yīng)鏈為主線，以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)RFID、一二維碼等技術(shù)為抓手，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度、物料掃碼、成品出庫的供應(yīng)鏈全過程跟蹤，避免生產(chǎn)過程發(fā)生質(zhì)量事故，最終實現(xiàn)精益管理的應(yīng)用目標。同時，在智慧實驗系統(tǒng)設(shè)計中，企業(yè)要結(jié)合實驗室建設(shè)的智能化需求，滿足智能防差錯、智能預(yù)警、智能追溯、智能分析和數(shù)據(jù)智能交互的要求，使系統(tǒng)具有判斷、及時跟蹤和變更記錄等技術(shù)。

3.2 智慧管理

在智慧實驗系統(tǒng)設(shè)計中，企業(yè)要結(jié)合實驗室建設(shè)的現(xiàn)代化、智能化需求，降低工程生產(chǎn)能耗問題，滿足工廠生產(chǎn)中的節(jié)能環(huán)保需求。在構(gòu)建工廠動力監(jiān)控系統(tǒng)時，企業(yè)應(yīng)該采用分散控制、綜合監(jiān)控以及集中管理模式，提高系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性，并通過控制子系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠實驗系統(tǒng)高效、節(jié)能運營，滿足工廠的可靠運行需求。同時，在工廠實驗系統(tǒng)能源管理中，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以全面掌握煙廠系統(tǒng)的運行狀況，實現(xiàn)實驗系統(tǒng)的優(yōu)化運行，從而達到工廠實驗系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的最終目的。

3.3 智慧樓宇

在工廠實驗系統(tǒng)設(shè)計中，智能化系統(tǒng)作為辦公大樓自控系統(tǒng)的重要組成部分，通常包括一卡通系統(tǒng)、多媒體查詢系統(tǒng)以及智能化集成管理系統(tǒng)等。企業(yè)應(yīng)將智能化系統(tǒng)作為核心，通過數(shù)據(jù)資源的技能管理、文檔管理以及統(tǒng)計報表功能分析，實現(xiàn)工廠智慧實驗系統(tǒng)開發(fā)中物聯(lián)網(wǎng)資源的有效運用，提高工廠運行的穩(wěn)定性。

4 工廠物聯(lián)網(wǎng)背景下智慧實驗系統(tǒng)的技術(shù)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

智慧實驗系統(tǒng)的設(shè)計將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運作為重點，通過完善控制系統(tǒng)方案，進行項目設(shè)計整合及分析，通常情況下，在控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)運用中，應(yīng)該做到以下幾點。第一，確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代碼，完善ESB企業(yè)總線或建設(shè)數(shù)據(jù)中心。企業(yè)往往在多家廠家購買生產(chǎn)設(shè)備，因此，廠家提供的設(shè)備系統(tǒng)，必須按企業(yè)要求，完善統(tǒng)一基礎(chǔ)代碼，與工廠ESB實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，減少各系統(tǒng)之間的接口，避免工廠出現(xiàn)新的信息孤島。第二，統(tǒng)一控制器或編碼規(guī)則。在設(shè)計工廠生產(chǎn)控制層的過程中，通過采集模塊、使用現(xiàn)場儀表，利用RFID、一二維碼等技術(shù)，實現(xiàn)物資來料入庫、生產(chǎn)投料、成品出庫的現(xiàn)場感應(yīng)，實現(xiàn)智能防差錯、智能預(yù)警、智能追溯、智能分析和數(shù)據(jù)智能交互，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的及時性和有效性。第三，在總線系統(tǒng)設(shè)計中，通過調(diào)整系統(tǒng)，可以保證實驗室縱向傳輸速度，保證信息數(shù)據(jù)有效傳輸，提高工廠實驗系統(tǒng)使用的效率，節(jié)約資源。第四，控制系統(tǒng)可以將多層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌咏Y(jié)構(gòu)，將控制器直接接入網(wǎng)絡(luò)中，及時解決數(shù)據(jù)傳輸中的限制問題，滿足工廠實驗系統(tǒng)設(shè)計的基本需求，同時提高工廠信息系統(tǒng)的傳輸效率。第五，增加現(xiàn)場總線，總線設(shè)計采用分散采集的方式，通過整合多數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)對控控制器背板設(shè)計，保證工廠實驗系統(tǒng)運用的有效性。第六，結(jié)合工廠實驗系統(tǒng)的運形狀況，增加控制器的數(shù)量，保證工廠總線接入數(shù)量的有效性。第七，在工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要結(jié)合生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)照明系統(tǒng)的設(shè)計狀況等，優(yōu)化實驗全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高工廠系統(tǒng)的運行效果。第七，在工廠控制系統(tǒng)設(shè)計中，通過設(shè)計編配電子系統(tǒng)，可以根據(jù)車間特點，及時分析實驗室配電箱、ATX的分布狀況，并通過控制系統(tǒng)的高速運行狀況，實現(xiàn)實驗系統(tǒng)的可靠性運行，為工廠系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供支持。

4.2 工廠動力能源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)

在智慧工廠工程設(shè)計中，企業(yè)應(yīng)該結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計工廠動力能源監(jiān)控系統(tǒng)，通常情況下，在動力能源監(jiān)控系統(tǒng)中，其技術(shù)包括以下內(nèi)容。第一，企業(yè)在應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時，為了實現(xiàn)動力能源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性，應(yīng)該逐步提高網(wǎng)絡(luò)通信的傳播速度，提高通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力，減少工廠實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失以及碰撞現(xiàn)象。第二，在智慧工程實驗系統(tǒng)中，為了配合千兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要采用千兆網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備作為主干節(jié)點，提高智慧工程實現(xiàn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。第三，在智慧工程中，需要在系統(tǒng)中增加網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的數(shù)量，提高數(shù)據(jù)信息的傳輸效率。第四，通過GB交換機合理劃分VLAN，提高不同系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)控制的有效性。第五，在QoS系統(tǒng)運行中，通過控制數(shù)據(jù)流向，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分流處理，為工廠動力能源監(jiān)控提供參考。

5 結(jié) 語

在設(shè)計智慧工廠工程實驗系統(tǒng)中，企業(yè)應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用特點，完善系統(tǒng)工程項目，提高工廠生產(chǎn)以及數(shù)據(jù)管理的有效性。對于工廠的管理者來說，在收集數(shù)據(jù)資源以及管理數(shù)據(jù)的過程中，應(yīng)結(jié)合工廠的運行狀況，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的穩(wěn)定創(chuàng)新，并設(shè)計出智慧實驗系統(tǒng)、工廠動力能源監(jiān)控系統(tǒng)以及工廠生產(chǎn)控制技術(shù)等。通過應(yīng)用物聯(lián)技術(shù)，對生產(chǎn)過程、能源管理等實現(xiàn)智能防差錯、智能預(yù)警、智能追溯、智能分析和數(shù)據(jù)智能交互的要求，使系統(tǒng)具備自我判斷、及時跟蹤和變更記錄等能力，推動工廠的智慧發(fā)展，加快推進工廠的智能

制造。

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