The technical implementation of internet of things on the executive system of workshop manufacturing

房亞東，曾少華，陳　樺，毛曉博

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

FANG Ya-dong,　ZENG Shao-hua,　CHEN Hua,　MAO Xiao-bo

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物聯(lián)網(wǎng)在車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

The technical implementation of internet of things on the executive system of workshop manufacturing

房亞東，曾少華，陳樺，毛曉博

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032）

FANG Ya-dong,ZENG Shao-hua,CHEN Hua,MAO Xiao-bo

摘要：為了解決傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式出現(xiàn)的車間控制層和計(jì)劃層之間出現(xiàn)的信息“斷層”現(xiàn)象，提出了MES管理信息系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的思路。針對(duì)機(jī)加工車間等典型的離散類制造車間進(jìn)行分析，給出具體的MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路與框架，并利用RFID技術(shù)和ZigBee技術(shù)具體設(shè)計(jì)出了制造車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺(tái)，最后利用Justep X5開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了MES系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的互聯(lián)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；MES系統(tǒng)；Justep X5

0　引言

隨著當(dāng)今市場(chǎng)的快速變化和現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展與轉(zhuǎn)型，制造業(yè)正逐步向多品種小批量生產(chǎn)、能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)變化及生產(chǎn)流程多變等方向轉(zhuǎn)變。特別是經(jīng)常變更的機(jī)械加工車間等典型的離散類制造車間[1,2]，其工序的生產(chǎn)計(jì)劃編制困難，對(duì)車間制造管理的實(shí)時(shí)性要求高，從而導(dǎo)致企業(yè)運(yùn)行效率低下和發(fā)展速度過快之間的矛盾日益加劇，因此市場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)車間信息管理的效率帶來了挑戰(zhàn)[3,4]。雖然新的管理模式ERP系統(tǒng)具備了流程型生產(chǎn)和離散型生產(chǎn)的特點(diǎn)，但是ERP系統(tǒng)不能直接支持車間底層的管理流程，仍然存在生產(chǎn)管理信息的“斷層”現(xiàn)象。針對(duì)這問題，本文主要是應(yīng)用制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的聯(lián)合不但解決了企業(yè)上下層間“斷層”問題，而且也滿足了機(jī)械加工車間等典型離散類制造車間信息化管理需求，提高車間的制造執(zhí)行效率。

1　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、MES系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)的相關(guān)理論

1.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備和系統(tǒng)（傳感網(wǎng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、射頻識(shí)別系統(tǒng)等）、全球定位系統(tǒng)、條碼與二維碼，將物品與物品、物品與人、人與人按照規(guī)定的通信協(xié)議連接起來，再通過各種接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理的種信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5,6]。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括RFID技術(shù)、ZigBee技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1.2MES的相關(guān)概念及理論

MES是面向生產(chǎn)車間的管理信息系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)及時(shí)判斷生產(chǎn)過程中的變化，同時(shí)可以兼容車間底層的各種信息管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間與管理層之間的信息傳遞，解決整個(gè)企業(yè)運(yùn)行的信息斷層問題。目前MES系統(tǒng)典型模型有層模型、集成系統(tǒng)模型、定位模型、功能模型以及REPAC模型等。

1.3信息管理系統(tǒng)理論

2　基于生產(chǎn)車間物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境平臺(tái)的搭建

2.1物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的總體框架設(shè)計(jì)

通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有的各種體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比，再結(jié)合制造車間特點(diǎn)，采用實(shí)用性層次體系的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建制造車間的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。底端是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集層，通過多個(gè)RFID讀寫器組成的網(wǎng)絡(luò)實(shí)施采集當(dāng)前生產(chǎn)情況；中間層是ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建與傳輸模塊，該層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)傳；頂端是企業(yè)的管理模塊，該層主要是車間管理人員查看當(dāng)前生產(chǎn)狀況以及員工通過智能客戶端查看任務(wù)等。物聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)車間平臺(tái)總體框架如圖1所示。針對(duì)此平臺(tái)的搭建主要突破兩方面難題即RFID的讀寫網(wǎng)格設(shè)計(jì)和ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)[9～11]。

圖1　生產(chǎn)車間物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)總體框架圖

2.2基于物聯(lián)網(wǎng)在裝配車間的實(shí)例分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的裝配車間主要是在裝配車間內(nèi)部署大量RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽，并建立物料跟蹤的ZigBee節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)這些生產(chǎn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)的工藝參數(shù)進(jìn)行定義并按批次、模塊對(duì)參數(shù)進(jìn)行采集，分析工藝參數(shù)的相關(guān)性，全車間的物料跟蹤流程都由此來支撐。在該裝配車間，生產(chǎn)車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、庫存信息、質(zhì)檢數(shù)據(jù)以及零件移動(dòng)情況等都可以由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的RFID讀寫器獲取，然后通過參數(shù)計(jì)量信息的收集、整理及分析，可以對(duì)車間生產(chǎn)過程所涉及的生產(chǎn)單元、倉庫儀表數(shù)據(jù)采集和錄入以及設(shè)備使用情況等各種信息進(jìn)行補(bǔ)充完善。從而能夠?yàn)楦鞣N生產(chǎn)的運(yùn)行提供物料移動(dòng)、加工、庫存和設(shè)備、管理層輔助決策和車間成本核算可靠保障[12]。本文以矮泵的生產(chǎn)裝配為例。基于物聯(lián)的矮泵生產(chǎn)流程如圖2所示以及RFID標(biāo)簽信息說明如表1所示。

圖2　基于物聯(lián)的矮泵生產(chǎn)流程圖

表1　RFID標(biāo)簽信息說明

3　MES系統(tǒng)的分析與實(shí)現(xiàn)

3.1制造車間MES系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為系統(tǒng)管理員、車間員工、班組長(zhǎng)、車間主任等均可以各自不同的身份登錄該系統(tǒng)，按照各自不同的權(quán)限查對(duì)車間的年度生產(chǎn)計(jì)劃、月生產(chǎn)計(jì)劃、當(dāng)前生產(chǎn)進(jìn)度、員工狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、分析以及處理。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間信息的實(shí)時(shí)跟蹤、監(jiān)控以及信息的搜集共享等。該制造車間MES系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3　MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

圖4　MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖

3.2MES系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述分析，MES系統(tǒng)開發(fā)包括兩大部分，包括硬件環(huán)境搭配與軟件環(huán)境開發(fā)。本文軟件的開發(fā)工具終端的管理系統(tǒng)是利用X5開發(fā)設(shè)計(jì)的，它為開發(fā)人員提供了完全可視化、組件化的開發(fā)環(huán)境。此外，它還具備超強(qiáng)的工作流、組織權(quán)限、組織機(jī)構(gòu)、豐富的業(yè)務(wù)規(guī)則定制能力、復(fù)雜報(bào)表和圖表，并且能夠?qū)⒏鞣N復(fù)雜業(yè)務(wù)在任何瀏覽器終端進(jìn)行展現(xiàn)和交互。

圖5　MES系統(tǒng)登錄界面

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4　結(jié)論

本文對(duì)單件小批量、多品種的離散制造車間生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行分析，在此類生產(chǎn)車間搭建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境平臺(tái)，采用RFID讀寫器和手工錄入的方式采集車間生產(chǎn)活動(dòng)、設(shè)備利用狀況、人員安排狀況等各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，再利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端MES系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是種新興的技術(shù)，它的發(fā)展在不斷的更新與完善，對(duì)制造車間搭建的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境平臺(tái)和研究開發(fā)的MES系統(tǒng)中還有更進(jìn)步研究和探索的地方。

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制造軟件

作者簡(jiǎn)介：房亞東（1976 -），男，江蘇東海人，副教授，博士，研究方向?yàn)橹悄苤圃旆?wù)、跨界資源整合和激光再制造。

基金項(xiàng)目：陜西省特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)基金（ST-12010）

收稿日期：2015-11-23

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0015-04