崔定國 周磊 王國保 左剛

摘 要： 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為國家“兩化深度融合、機(jī)器換人”重大發(fā)展戰(zhàn)略的主要切入點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要的意義。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種針對(duì)無縫針織行業(yè)的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。通過采用SOA和Web Service軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、智能工序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)開發(fā)、機(jī)聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)深度融合，實(shí)現(xiàn)了一種覆蓋無縫針織企業(yè)生產(chǎn)制造全流程的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。企業(yè)實(shí)地應(yīng)用表明，該系統(tǒng)對(duì)提升企業(yè)信息化管理水平、提高生產(chǎn)效率及降低人工成本具有明顯的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 制造執(zhí)行系統(tǒng)； RFID電子標(biāo)簽； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）10-01-04

MES based on IOT for seamless knitting enterprise

Cui Dingguo1， Zhou Lei1， Wang Guobao2， Zuo Gang2

（1. Institute of Microelectronics CAD Research， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China；

2. Zhejiang FenXueLin Knitting Clothing co.， LTD）

Abstract： It is significant for the transformation and upgrading of traditional manufacturing that industrial internet of things is regarded as the main breakthrough point of the major development strategy called "two deep integration， machine substitutions". A seamless knitting enterprise system （MES） based on the internet of things is designed. SOA and Web Service software architecture design， intelligent process real-time data acquisition system development and the deep integration of the machine network and enterprise management system data are adapted by this system to achieve an industrial networking system covering the seamless knitting enterprise manufacturing process. The field application shows that this system plays a significant role to promote， improve production efficiency and reduce labor costs.

Key words： Internet of things； manufacturing execution system； RFID electronic label； data acquisition

0 引言

工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。“十二五”時(shí)期，我國工業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，整體思路是推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合，培育壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在生產(chǎn)制造行業(yè)的深入應(yīng)用和兩者深度融合，可以有效提高生產(chǎn)制造性企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，提升企業(yè)的市場競爭力，帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)向更廣更深的領(lǐng)域延伸，實(shí)現(xiàn)“兩化融合”所產(chǎn)生“疊加效應(yīng)”。

隨著國際市場競爭的日益激烈，傳統(tǒng)制造企業(yè)生存壓力巨大，迫切需要通過信息化改造升級(jí)，提高生產(chǎn)管理水平。但在具體實(shí)施過程中卻面臨諸多困難。以目前無縫針織行業(yè)為例，一方面，面臨市場競爭壓力，需要更快的生產(chǎn)反應(yīng)速度和高品質(zhì)管理水平；另一方面，生產(chǎn)流程工序復(fù)雜多變，產(chǎn)品多樣性導(dǎo)致品質(zhì)管理難度大等[1]。部分企業(yè)雖然已經(jīng)采用了ERP系統(tǒng)、電子工票系統(tǒng)等諸多信息化管理系統(tǒng)，但是在織機(jī)設(shè)備管理、前道生產(chǎn)管理、后道生產(chǎn)管理、倉儲(chǔ)管理等方面，形成了多個(gè)“信息孤島”，且仍采用傳統(tǒng)的紙質(zhì)登記方式進(jìn)行工序數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全流程信息互聯(lián)互通以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)融合分析等，導(dǎo)致管理成本和人工成本高、工作效率低等問題。特別是在無縫針織企業(yè)生產(chǎn)流程中，前道工序采用高度自動(dòng)化加工裝備（如全自動(dòng)高速無縫針織機(jī)、全自動(dòng)印染系統(tǒng)等），而其后道工序采用較傳統(tǒng)的半手工加工方式，MES需融合自動(dòng)化裝備與人工加工工序數(shù)據(jù)信息，以實(shí)現(xiàn)從原材料到成品全流程的實(shí)時(shí)跟蹤，系統(tǒng)復(fù)雜度高，開發(fā)難度大。目前針對(duì)無縫針織行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)MES系統(tǒng)，國內(nèi)尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

本文根據(jù)無縫針織企業(yè)在信息化改造和轉(zhuǎn)型升級(jí)中的實(shí)際困難，采用典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)針對(duì)性地開發(fā)設(shè)計(jì)，包括：利用物聯(lián)網(wǎng)的智能感知層技術(shù)解決企業(yè)工序和織機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集問題，采用基于SOA、Web Service軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)解決企業(yè)各信息孤島的互聯(lián)互通問題，采用MES系統(tǒng)開發(fā)和ERP對(duì)接解決企業(yè)生產(chǎn)精細(xì)管理問題。通過全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流融合與企業(yè)ERP系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于物聯(lián)網(wǎng)的無縫針織企業(yè)MES系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)地考察，目前該無縫針織企業(yè)的生產(chǎn)全流程，如圖1所示。

圖1 企業(yè)生產(chǎn)流程圖

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)全流程和企業(yè)對(duì)生產(chǎn)管理需求的分析，本文基于物聯(lián)網(wǎng)在不同層次上構(gòu)建三個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開發(fā)方案，其中包括：織機(jī)集群管理系統(tǒng)、基于SOA的MES系統(tǒng)軟件和智能工序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)框架如圖2所示。

[企業(yè)ERP系統(tǒng)][基于B/S架構(gòu)的企業(yè)MES系統(tǒng)（含手機(jī)APP）] [應(yīng)用層][智能工序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)

采集系統(tǒng)＼&][基于B/S的織機(jī)集群管理系統(tǒng)][織機(jī)傳感網(wǎng)] [后道工序：

半檢

縫紉

成檢

包裝＼&][網(wǎng)絡(luò)層] [前道工序：

紡織

印染＼&][RFID工序數(shù)據(jù)采集終端＼&][紡織運(yùn)行狀態(tài)傳感器

（MDSeth/DCNeth模塊）＼&] [感知層]

圖2 系統(tǒng)整體框架圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 織機(jī)集群管理系統(tǒng)

本文通過開發(fā)基于傳感網(wǎng)的織機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)織機(jī)工作實(shí)時(shí)信息的采集和自動(dòng)控制，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，車間管理人員能夠?qū)崟r(shí)查看每臺(tái)織機(jī)的運(yùn)行情況及全車間織機(jī)集群的產(chǎn)能效率分析，實(shí)施科學(xué)合理的生產(chǎn)調(diào)度和管理。基于企業(yè)所使用的SANTONI無縫針織機(jī)上裝有的DCNeth和MDSeth智能模塊開發(fā)基于傳感網(wǎng)的織機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中DCNeth模塊是一種直接安裝在針織機(jī)器上的電路板，通過和機(jī)器上的硬件連接收集機(jī)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)；MDSeth模塊是一種通過連接到機(jī)器上的電子輸入輸出信號(hào)來收集針織機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)為每臺(tái)織機(jī)分配固定IP地址，自動(dòng)實(shí)時(shí)采集織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)采用Browser/Server架構(gòu)開發(fā)，服務(wù)器端采用Java語言環(huán)境，Web頁面使用Bootstrap框架用來提供圖形豐富的用戶界面，輔助以Ajax和JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的異步交互功能。系統(tǒng)通過自動(dòng)收集機(jī)器生產(chǎn)的信息及發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)織機(jī)遠(yuǎn)程啟?？刂啤⒖钍轿募吧a(chǎn)訂單上傳、車間、工作組及單機(jī)生產(chǎn)效率估算、產(chǎn)能分析、班次管理、訂單管理等功能。

根據(jù)企業(yè)具體生產(chǎn)模式，在前道及后道工序中所采用的生產(chǎn)效率估算公式為：

⑴

式⑴中，Te為時(shí)間效率；Rt為織機(jī)運(yùn)行時(shí)間，St為當(dāng)前班次執(zhí)行時(shí)間。

⑵

式⑵中，We為工作效率；Pd為已完成產(chǎn)品量，Tp 為理論計(jì)劃產(chǎn)品量。

2.2 基于SOA的MES系統(tǒng)

MES（Manufacturing Execution System）制造執(zhí)行系統(tǒng)，是由美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)（Advanced Manufacturing Research，AMR）提出，定義為“位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，它是為了解決上層計(jì)劃系統(tǒng)與下層控制系統(tǒng)之間的信息通信而產(chǎn)生的，是現(xiàn)代生產(chǎn)管理中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，是企業(yè)CIMS信息集成的紐帶[2]。生產(chǎn)車間各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析是MES中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，企業(yè)逐漸認(rèn)識(shí)到將ERP與底層控制系統(tǒng)統(tǒng)一起來的重要性，并認(rèn)識(shí)到MES是解決這一問題的有效途徑，即通過MES來實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息的集成，形成實(shí)時(shí)化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。制造執(zhí)行系統(tǒng)在計(jì)劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁，填補(bǔ)了兩者之間的空隙，可為企業(yè)及時(shí)提供生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息，以優(yōu)化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源配置。

MES作為整個(gè)系統(tǒng)的控制和調(diào)度核心，它由中間件和應(yīng)用層兩部分組成，如圖3所示。其中本文定義為一個(gè)Web Service中間件，用來把來自電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)發(fā)送到RFID中間件，然后經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的緩存、過濾后將有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

[數(shù)據(jù)服務(wù)中間件][HF RFID中間件

（RFID數(shù)據(jù)采集終端）][UHF RFID中間件

（倉儲(chǔ)管理輔助系統(tǒng)）][織機(jī)數(shù)據(jù)采集中間件＼&] [生產(chǎn)安排][實(shí)時(shí)監(jiān)控][物料發(fā)卡][件資管理][產(chǎn)能分析][……][應(yīng)用表示層]

圖3 MES系統(tǒng)框架圖

針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)流程，特別是后道流程進(jìn)行系統(tǒng)建模，如圖4所示。系統(tǒng)通過RFID采集流程中各工序環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。在物料流轉(zhuǎn)過程中，對(duì)每一單物料加載一個(gè)RFID物料卡，每個(gè)工序上的員工都有一張員工卡。員工在完成工序上的每單物料加工后，通過在終端上刷物料卡和員工卡，實(shí)現(xiàn)工序信息的實(shí)時(shí)采集和物料加工計(jì)件與員工數(shù)據(jù)鏈接。

圖4 后道工序生產(chǎn)建模圖

按照功能需求分析將MES劃分為四個(gè)功能模塊，分別是基本功能模塊、功能區(qū)模塊、審核區(qū)模塊和報(bào)表區(qū)模塊。其中功能區(qū)模塊主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的錄入，包括日產(chǎn)量信息、后道RFID產(chǎn)量、工序工價(jià)表等；對(duì)于未滿足生產(chǎn)需求的信息列表，可以進(jìn)行修改和刪除，其他客戶端實(shí)時(shí)同步，減少長時(shí)間信息滯后帶來的一系列問題。審核區(qū)模塊對(duì)功能區(qū)模塊生成的生產(chǎn)信息表單進(jìn)行審核操作，審核通過后，下達(dá)工作車間進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。報(bào)表區(qū)模塊對(duì)已經(jīng)完成的生產(chǎn)作業(yè)信息以及員工工資按一定條件查找統(tǒng)計(jì)，使得以最為直觀的數(shù)據(jù)方式顯示在操作員面前，并集成Excel報(bào)表的導(dǎo)出功能，可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)具有實(shí)際價(jià)值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)的價(jià)值比將數(shù)據(jù)按照最為合理的方式統(tǒng)計(jì)在Excel報(bào)表中。

[請(qǐng)求指令集

映射][SOA接口

配置＼&][SOA代理＼&] [HTTP請(qǐng)求＼&][客戶端＼&][實(shí)際處理端＼&] [SOA處理端]

圖5 SOA請(qǐng)求處理過程

本文采用基于Web 的三層體系結(jié)構(gòu)（即表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)接口層的三層分布式結(jié)構(gòu)），由封裝在Web 服務(wù)器中的各功能組件通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口統(tǒng)一訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的相應(yīng)資源。在系統(tǒng)構(gòu)建中，作為SOA 的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)，采用Web Service提供的XML標(biāo)準(zhǔn)接口，具有完好的封裝性、松散的耦合性及高度的可集成性等特點(diǎn)，能夠良好地實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中間件與企業(yè)系統(tǒng)的集成，完成兩者的松耦合[3]。在本系統(tǒng)中，采用SOA技術(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端之間的解耦合，如圖5所示?？蛻舳耸紫劝l(fā)出HTTP請(qǐng)求，通過SOA接口配置文件進(jìn)入SOA處理端；然后根據(jù)請(qǐng)求指令集映射文件找到相應(yīng)的SOA代理對(duì)象；最后HTTP請(qǐng)求被轉(zhuǎn)發(fā)到實(shí)際處理端進(jìn)行操作，并給予客戶端響應(yīng)。

2.3 智能工序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)

本文根據(jù)企業(yè)應(yīng)用環(huán)境及實(shí)際需求設(shè)計(jì)開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了一種完整的工序信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集終端、數(shù)據(jù)基站和服務(wù)器三部分組成。數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)讀取員工卡和物料卡中的生產(chǎn)信息（如員工編號(hào)、工位編號(hào)、生產(chǎn)貨號(hào)等），將員工信息與其加工過的物料信息進(jìn)行綁定，加蓋時(shí)間戳后發(fā)送至數(shù)據(jù)基站。數(shù)據(jù)基站通過無線模塊接收采集終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，按照一定規(guī)則過濾生產(chǎn)數(shù)據(jù)，篩除冗余生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，將真正有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過內(nèi)部局域網(wǎng)傳送至服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集終端硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)由MCU主控模塊、RFID數(shù)據(jù)讀寫模塊、無線通信模塊、RS232模塊、液晶顯示模塊、JTAG系統(tǒng)調(diào)試模塊、電源/復(fù)位模塊等構(gòu)成[4]。其工作流程及硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。

[開始][STM32VET6初始化][硬件模塊初始化][中斷初始化][按鍵掃描][有鍵按下] [鍵值識(shí)別][參數(shù)設(shè)定] [生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集][數(shù)據(jù)接收][數(shù)據(jù)處理][數(shù)據(jù)發(fā)送] [界面顯示] [Y][N]

圖6 RFID生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集終端工作流程

[電源/復(fù)位模塊][RS232模塊][LCD顯示模塊][MCU主控模塊][RFID數(shù)據(jù)讀寫模塊][JTAG系統(tǒng)調(diào)試模塊][無線通信模塊]

圖7 數(shù)據(jù)采集終端硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7中MCU主控模塊采用基于Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式處理器STM32F103VET6，負(fù)責(zé)處理RFID射頻模塊采集到的生產(chǎn)現(xiàn)場電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。RFID數(shù)據(jù)讀寫模塊采用非接觸式讀寫卡芯片MFRC522，讀取數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并通過無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)基站。數(shù)據(jù)基站采用的主控芯片為STM32F107，采用獨(dú)立于介質(zhì)的接口RMII方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。無線通信采用基于Silicon Labs公司Si4432芯片設(shè)計(jì)開發(fā)的具有高集成度、低功耗的擴(kuò)頻無線收發(fā)模塊，傳輸距離可達(dá)2000m，工作頻率為433MHz。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)主體部分已在浙江芬雪琳針織服飾有限公司部署安裝，經(jīng)調(diào)試后上線運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖8、圖9所示。

為方便各級(jí)別員工實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)活動(dòng)狀況及進(jìn)度，本系統(tǒng)提供基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件，如圖10所示。智能工序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)如圖11所示。

圖10 手機(jī)APP織機(jī)監(jiān)控頁面

圖11 后道工序數(shù)據(jù)采集終端

本文開發(fā)的系統(tǒng)在該企業(yè)上線運(yùn)行以來，應(yīng)用效果明顯。在前道工序方面，通過在線監(jiān)控織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示織機(jī)生產(chǎn)信息，如開機(jī)時(shí)間、生產(chǎn)訂單號(hào)、已完成件數(shù)以及待加工件數(shù)等，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)織機(jī)工作組的工作效率和時(shí)間效率，并以此作為依據(jù)推斷前道車間總生產(chǎn)效率。在后道工序方面，實(shí)時(shí)采集每道工序每個(gè)員工的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。通過與ERP系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全流程的數(shù)字化監(jiān)控，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，有效提高了生產(chǎn)線工作效率和成品率[5]。根據(jù)多個(gè)生產(chǎn)周期的連續(xù)監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)分析，前道織機(jī)空載運(yùn)行時(shí)間明顯減少，單位產(chǎn)量織機(jī)電能消耗及前后道生產(chǎn)原料消耗也下降明顯，企業(yè)月生產(chǎn)效率提升10%以上；而得益于生產(chǎn)效率的提升，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也在不斷增長。

4 結(jié)束語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)典型架構(gòu)，利用RFID、傳感網(wǎng)、433MHz無線數(shù)據(jù)收發(fā)和Web Service等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過設(shè)計(jì)開發(fā)織機(jī)集群管理系統(tǒng)、基于SOA的MES系統(tǒng)和智能工序數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，在無縫針織企業(yè)實(shí)現(xiàn)了一種基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的MES系統(tǒng)，并在實(shí)際企業(yè)部署實(shí)施。企業(yè)實(shí)際應(yīng)用情況表明，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)于提升傳統(tǒng)制造型企業(yè)的生產(chǎn)效率，優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)資源配置，提高企業(yè)管理水平都具有明顯的促進(jìn)作用。

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