基于物聯(lián)網(wǎng)的日用陶瓷MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

魏歡歌，潘海鵬，曹利鋼

基于物聯(lián)網(wǎng)的日用陶瓷MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

魏歡歌，潘海鵬，曹利鋼

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

分析了日用陶瓷生產(chǎn)組織的特點，針對傳統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)數(shù)據(jù)采集能力不足和日用陶瓷企業(yè)生產(chǎn)信息化水平低的問題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日用陶瓷MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先在需求分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了系統(tǒng)框架；然后對日用陶瓷生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分類，并使用統(tǒng)一建模語言(UML)類圖建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)靜態(tài)模型；最后運用數(shù)據(jù)流圖技術(shù)(DFD)繪出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流動方向，明確了系統(tǒng)、車間作業(yè)人員和管理人員的交互邏輯。

日用陶瓷；物聯(lián)網(wǎng)；制造執(zhí)行系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；生產(chǎn)組織

0 引 言

日用陶瓷生產(chǎn)工序多、流程長，且工藝控制環(huán)節(jié)隨產(chǎn)品類型而變化。隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，客戶需求呈現(xiàn)出多樣化、動態(tài)化的趨勢，日用陶瓷產(chǎn)品小批量、多品種的訂單式生產(chǎn)日益流行[1]。定制化產(chǎn)品導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)急劇膨脹，日用陶瓷生產(chǎn)組織難度加劇。通過信息化手段增強日用陶瓷生產(chǎn)制造能力成為行業(yè)關(guān)切的重要課題。

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)[2-3]屬于制造業(yè)信息化、管控一體化的范疇，由數(shù)據(jù)采集模塊、生產(chǎn)管理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、庫存管理模塊、質(zhì)量管理模塊等多個子系統(tǒng)構(gòu)成，其功能定位如表1所示。以流程性工業(yè)為主的石化、鋼鐵、礦物加工等行業(yè)和以離散性工業(yè)為主的汽車制造、機床制造、電子組裝等行業(yè)，在生產(chǎn)組織方面的信息化發(fā)展較快，普遍使用了制造執(zhí)行系統(tǒng)，如冶金自動化研究院開發(fā)的AriMES系統(tǒng)、西門子開發(fā)的SIMATIC IT MES等。目前，科研界和工業(yè)界開始探索將MES應(yīng)用在陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域。廣東省自動化研究所鄒兵針對中小型陶瓷企業(yè)計劃層和控制層之間出現(xiàn)“信息斷層”和“信息孤島”的問題[4]，提出了適應(yīng)于中小陶瓷企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)，設(shè)計了原料入庫子系統(tǒng)、球磨原料子系統(tǒng)、服務(wù)器等系統(tǒng)，通過監(jiān)控實時準確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)、管理陶瓷生產(chǎn)車間內(nèi)的各項作業(yè)活動；佛山恒力泰有限公司夏建華分析了陶瓷行業(yè)智能制造的現(xiàn)狀，提出了為陶瓷企業(yè)量身打造的生產(chǎn)線管家智能平臺。該平臺整合了生產(chǎn)線SCADA系統(tǒng)，并且繼承了部分MES功能，又能與第三方MES無縫對接，為陶瓷企業(yè)決策者提供了智能制造解決方案[5]。

表1 MES功能定位

在物聯(lián)網(wǎng)[6]等技術(shù)的支持下，MES系統(tǒng)仍在迭代升級中。尤其是MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，為MES其他子系統(tǒng)和功能模塊的有效運行提供數(shù)據(jù)支撐，以確保企業(yè)信息化、管理集成化的順利實施。由于企業(yè)設(shè)備數(shù)字化程度低、數(shù)據(jù)采集手段單一、數(shù)據(jù)分類感知技術(shù)有限等因素，導(dǎo)致傳統(tǒng)的MES響應(yīng)慢、效果差，難以達到預(yù)期效果。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為解決這一問題帶來了可能性，通過二維碼、電子標簽對制造資源進行定位，利用射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、無線傳感器、手持PDA等技術(shù)手段進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集[7]，結(jié)合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線等通訊方式將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行傳遞，從而提高傳統(tǒng)MES數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的效率和實時性。本文針對日用陶瓷生產(chǎn)信息化、管控一體化的發(fā)展趨勢，結(jié)合日用陶瓷生產(chǎn)組織的特點，提出面向日用陶瓷基于物聯(lián)網(wǎng)的MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，為日用陶瓷生產(chǎn)的“兩化”融合提供了新的思路。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 日用陶瓷生產(chǎn)組織特點

日用陶瓷的生產(chǎn)組織具有產(chǎn)品類型多、工藝流程復(fù)雜、前后道工序相互關(guān)聯(lián)的三個特點。

(1)品種類型多：按照用途可將日用陶瓷分為茶具、餐具、酒具、烹飪具、杯具等[8]。且器具一般都是成套訂制，外形、花式、材料各式各樣，如套裝餐具包含勺子、湯碗、碟盤等。各類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中占據(jù)的制造資源(員工、機器設(shè)備、物料)各不相同，生產(chǎn)數(shù)據(jù)及其龐大，管理難度劇增。

(2)工藝流程較為復(fù)雜：主要包括坯釉料制備、成型、燒成、彩烤、包裝等工序。不同類型產(chǎn)品工藝不同，如杯具還需接手柄工序。目前，各工藝文檔數(shù)據(jù)通過員工手動記錄、傳遞，極易出錯且效率較低。

(3)前后道工序相互關(guān)聯(lián)：日用陶瓷生產(chǎn)過程中，前道產(chǎn)品的實際生產(chǎn)進度和作業(yè)計劃，會直接影響后道的生產(chǎn)進程。如湯鍋由鍋蓋和鍋體組成，茶壺由壺體和壺蓋組成。前道首先安排鍋體、壺體生產(chǎn)后，再安排鍋蓋、壺蓋生產(chǎn)，會導(dǎo)致后道的產(chǎn)品鍋蓋和壺蓋等裝窯不合理，窯位無法充分利用，浪費生產(chǎn)資源的同時還會造成包裝車間大量堆積鍋體、壺體而欠缺鍋蓋、壺蓋，導(dǎo)致產(chǎn)品無法及時包裝。除此之外，陶瓷坯料制備工序和坯體成型工序、坯體成型工序和燒制工序之間都會相互影響，這就需要前后工序之間保持一定的生產(chǎn)比例關(guān)系，能夠滿足實際的配套要求。

通過以上日用陶瓷企業(yè)的生產(chǎn)組織特點，分析出目前日用陶瓷企業(yè)生產(chǎn)中存在的兩個問題：第一，車間缺乏有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集手段和實時準確的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，直接影響企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的及時性和管理決策的高效性；第二，企業(yè)的信息化程度低。采用人工紙質(zhì)記錄的方式進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和管理，容易導(dǎo)致出錯和效率低的情況，滿足不了生產(chǎn)車間日益增長的數(shù)據(jù)管理需求。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析

生產(chǎn)信息及時收集和反饋是提高日用陶瓷生產(chǎn)競爭力的重要環(huán)節(jié)。整個陶瓷生產(chǎn)過程都應(yīng)在受控狀態(tài)下進行，各工序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息(生產(chǎn)進度、機器設(shè)備狀態(tài)、物料等)應(yīng)得到及時的采集和統(tǒng)計。一方面，對采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如產(chǎn)量、時間、作業(yè)員工等進行建模分析，用來優(yōu)化各工序之間人、機、物的比例關(guān)系，減少機器空耗、待機時間，使各環(huán)節(jié)配合更緊密；另一方面，通過生產(chǎn)工藝無紙化、電子看板等手段提高生產(chǎn)信息化水平。最終，使生產(chǎn)管理部門能夠及時、有效地掌握車間現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，為生產(chǎn)再決策、再調(diào)控提供支持。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合上述系統(tǒng)功能需求分析，基于物聯(lián)網(wǎng)框架，設(shè)計了應(yīng)用于日用陶瓷生產(chǎn)的MES數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)主要分為七個層級：

(1)數(shù)據(jù)承載層：給車間制造資源配置(以固定機器為主)電子標簽，利用RFID讀寫器將信息讀取或?qū)懭?，使車間制造資源實現(xiàn)信息化。

(2)數(shù)據(jù)采集層：通過RFID讀寫器、手持PDA、無線傳感器等多種方式采集機器設(shè)備、生產(chǎn)進度、物料流轉(zhuǎn)等數(shù)據(jù)信息。

(3)數(shù)據(jù)傳輸層：通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總成、串口中間件等方式，將采集的數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定、高效傳輸。

(4)數(shù)據(jù)處理層：該層的核心由數(shù)據(jù)分析框架 和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL計算引擎構(gòu)成。負責將采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)按照類型進行分類建模、挖掘處理，同時為MES系統(tǒng)其他功能子系統(tǒng)和模塊之間的數(shù)據(jù)交互提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)源。

(5)系統(tǒng)應(yīng)用層：該層部署了MES系統(tǒng)的各個功能模塊，如生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能、能源管理功能、生產(chǎn)計劃調(diào)控功能等。

(6)系統(tǒng)支撐層：為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的正常運行提供硬件、軟件兩方面支持。包括了操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及計算機硬件等。

(7)用戶交互層：通過Web瀏覽器、手持PDA、PC、電子看板等方式進行數(shù)據(jù)交互。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于日用陶瓷生產(chǎn)車間內(nèi)新、老產(chǎn)線并存，自動化、半自動化設(shè)備并存，對于支持Modbus-RTU協(xié)議的設(shè)備，直接可借助串口轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)采集；對于以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備，可直接利用設(shè)備的總線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集；對于布局較為分散的設(shè)備，可采用無線網(wǎng)絡(luò)方式采集數(shù)據(jù)。根據(jù)上述情況，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了日用陶瓷MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)采集流程

陶瓷車間作業(yè)人員通過手持PDA、電子看板等方式查看上級下發(fā)的任務(wù)信息，根據(jù)作業(yè)要求、工藝文件等執(zhí)行具體的作業(yè)任務(wù)。在陶瓷生產(chǎn)過程中，MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一方面通過RFID讀寫器、傳感器、中間件等自動采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)；另一方面通過作業(yè)人員操作PDA讀取電子標簽，以手工錄入的方式進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的核對、更新。實時收集制造資源的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，掌握車間生產(chǎn)現(xiàn)場的進度情況和任務(wù)負荷情況，為生產(chǎn)過程的管理和生產(chǎn)計劃的制定提供精準的參考信息。以便及時更新車間作業(yè)計劃，從而實現(xiàn)對日用陶瓷生產(chǎn)進程的頂層設(shè)計和有效管控，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

3 日用陶瓷生產(chǎn)數(shù)據(jù)研究

3.1 UML建模

3.1.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分類

在信息模型中，按照數(shù)據(jù)狀態(tài)可將生產(chǎn)數(shù)據(jù)劃分為靜態(tài)和動態(tài)兩大類。靜態(tài)數(shù)據(jù)指在定義之后不發(fā)生改變或在一段時間內(nèi)變化頻率小、較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，在陶瓷車間具體表現(xiàn)為機器設(shè)備標識(球磨機、壓機、干燥機等固定設(shè)備)、物料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等；動態(tài)數(shù)據(jù)指隨著生產(chǎn)進程而實時變化、更新的數(shù)據(jù)，在車間具體表現(xiàn)為機器設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進度數(shù)據(jù)、開工完工數(shù)據(jù)等。

3.1.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)建模

統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language，UML)是一種用來描述面向?qū)ο蠼鉀Q方案的、可視化建模語言[9]。類圖是UML圖的基礎(chǔ)，包含類名、類屬性和類的行為三個部分，用以描述類之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，根據(jù)日用陶瓷工廠的生產(chǎn)組織方式及設(shè)備物理布局等信息，使用UML類圖，建立日用陶瓷生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一對象模型。將生產(chǎn)過程中的員工、機器設(shè)備、任務(wù)等定義為對象；對象的靜態(tài)信息定義為屬性；對象的動態(tài)信息定義為操作；具有同一屬性和操作的對象集合定義為類。

圖4中，主要包含制造資源類、生產(chǎn)數(shù)據(jù)類、設(shè)備數(shù)據(jù)類、員工數(shù)據(jù)類、物料數(shù)據(jù)類和任務(wù)數(shù)據(jù)類等。其中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)類是所有數(shù)據(jù)對象的抽象表示，制造資源類是日用陶瓷車間所有制造資源的抽象表示。類與類之間存在三種關(guān)系。

圖4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)UML建模

(1) 繼承關(guān)系：即包含關(guān)系，表示父子類關(guān)系，由子類指向父類。如人員數(shù)據(jù)類、物料數(shù)據(jù)類和設(shè)備數(shù)據(jù)類都是生產(chǎn)數(shù)據(jù)類的子類；生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)進度數(shù)據(jù)都是任務(wù)數(shù)據(jù)的子類。

(2) 聚合關(guān)系：即整體與部分的關(guān)系，如物理位置類、技術(shù)參數(shù)類和生產(chǎn)數(shù)據(jù)類互為聚合關(guān)系，共同對制造資源進行完整的描述。

(3) 關(guān)聯(lián)關(guān)系：描述對象之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，有一對多、多對多等關(guān)系。如工作人員可以操控機器設(shè)備，工作人員可以直接操作物料，作業(yè)工人、機器設(shè)備、物料之間都存在普遍的聯(lián)系。

3.2 DFD數(shù)據(jù)交互分析

數(shù)據(jù)流程圖(Data Flow Diagram，DFD)從數(shù)據(jù)傳遞的角度，以圖形的方式表達出數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的邏輯流向和系統(tǒng)的基本邏輯功能[10]。通過DFD頂層數(shù)據(jù)流程圖分析，可以描繪出基于物聯(lián)網(wǎng)的MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互情況。明確了車間管理人員和作業(yè)人員是日用陶瓷MES系統(tǒng)的主要使用對象，數(shù)據(jù)的輸入和輸出如圖5所示。

圖5 DFD交互分析

4 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)對制造領(lǐng)域地不斷滲透，給日用陶瓷制造業(yè)帶來了巨大變革。日用陶瓷企業(yè)提高生產(chǎn)信息化水平，實現(xiàn)制造資源動態(tài)調(diào)配和集成管理是未來趨勢。本文分析了日用陶瓷生產(chǎn)組織的形式和面臨的問題，針對傳統(tǒng)的MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集能力落后的問題，提出了以生產(chǎn)數(shù)據(jù)為驅(qū)動、以優(yōu)化生產(chǎn)管理為核心的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和采集網(wǎng)絡(luò)進行了構(gòu)架，并對日用陶瓷生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分類和UML類圖建模，最后使用DFD分析明確了數(shù)據(jù)的交互狀況。

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Research on MES Production Data Acquisition System of Domestic Ceramics Based on Internet of Things

WEI Huange , PAN Haipeng, CAO Ligang

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute , Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

With the purpose of addressing the problems of insufficiency in data collection under the traditional MES (manufacturing execution system) and low production informatization level of domestic ceramic enterprises, this paper analyzes the characteristics of the production organization of domestic ceramics, and puts forward the production data collection system of domestic ceramics based on the Internet of Things technology. Firstly, the system framework is built on the basis of requirement analysis. Secondly, the production data of domestic ceramics is classified uniformly, and the static model of production data is established by using UML class diagram. Finally, the data flow direction of the system is drawn in the form of diagram by using DFD technology and the interaction logic between the system, workshop workers and the managers is clarified.

domestic ceramics; internet of things; MES; data collection; production organization

TQ174.73

A

1006-2874(2020)04-0038-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2020.04.009

2020?03?17。

2020?03?19。

景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(21305004-142)。

魏歡歌，男，碩士。

2020?03?17.

2020?03?19.

WEI Huange, male, Master.

528913998@qq.com