左延红 张克仁

(①安徽建筑大学，安徽 合肥230601;②合肥工业大学机械与汽车学院，安徽 合肥230001)

21 世纪的制造业，随着经济全球化和国家化程度的日益提高，市场呈现产品种类多、交货时间短和性价比高的特点，促使着传统的制造业向着多品种、小批量生产的离散型制造方式转变。企业管理模式的变革，在一定程度上提升了产品的研发能力和企业管理水平，但依然面临无法实现制造过程内外部资源实时综合协调控制和制造过程可视化、实时化、精细化管理等诸多问题［1］。物联网技术的应用为解决上述问题提供了使能工具和平台。

1 离散型制造技术及其特点

1.1 离散型制造技术

根据产品采用生产类型的不同，制造业从整体上可分为连续型和离散型两种。离散型制造企业是一个国家制造业的重要组成部分，也是一个国家的经济支柱。相对于连续制造，离散型制造业主要从事多品种、小批量生产，适合于面向订单的生产组织模式，代表行业有机械加工、电子设备制造业、汽车和服装等。在离散型制造企业中，一个产品的制造过程由以下几个部分组成:生产计划的制定、生产用料的采购、物资的存储、零部件的制造、产品的装配与包装及产品的销售。在产品的制造过程中设计到计划制定、生产管理和生产加工3 个层次，其中生产管理又包含有:物资管理、人员管理、设备管理和质量管理等，因此离散制造过程是一个复杂的过程。

离散型制造又是一项系统性工程，产品的生产过程需要企业的每个部门相互配合和支持，如在生产过程中生产计划的变更、技术资料的完善、生产顺序调整等等，需要各部门间数据的交流、信息的及时反馈和沟通。

1.2 离散型制造系统的组成

企业无论大小，均有自身的业务流程、管理系统和企业组织3 部分。对于离散制造型企业，业务流程即为产品的制造过程，主要有:生产用料采购、物料储存、零部件加工、装配、产品销售等。对主要制造过程的管理由以下几个管理系统完成:采购管理、仓库管理、生产过程管理和销售管理等。为有效完成企业业务过程产生了其他辅助职能管理系统，如:财务管理、质量管理、人事管理等。所有的管理执行都由人来完成，知识合理、职责分明的人被配置在不同部门中，就形成了企业的组织结构。

如图1 所示为安徽省典型的离散型制造企业江淮汽车股份公司制造系统的组织结构，该公司为国有大型汽车制造企业，下属发动机分公司、底盘分公司商务车分公司和乘用车分公司等近10 个子公司，拥有职工2 万余人。该公司根据市场需求生产客车、商务车、乘用车和卡车等各种类型汽车，以及为本公司和其它汽车行业提供发动机、车桥和汽车底盘等主要汽车零部件。在同一时间里，公司从事不同品种的产品制造，因此属于典型的离散制造企业。

从图1 可以看出，江淮汽车股份公司有多个生产不同产品的分公司组成，各分公司从事不同产品的制造。每个分公司具有技术部、制造部、市场部、供应部等多个职能部门，每个部门均有不同的科室或不同的制造车间(如制造部)，制造车间具有多个加工班组和制造单元，制造单元是企业最小的构成单位，由加工设备和操作员工组成。在该公司的制造系统中，以物流、能量流和信息流为纽带，实现2 万余名员工和1 万多台不同设备的有序、高效生产是提升企业市场竞争力的前提。

1.3 离散型制造系统的特点

离散型制造的突出特征是多品种、小批量的生产，很难采用连续制造中流水线生产方式。在某一时间里:离散型生产企业的管理部门在按计划生产的同时，根据市场订单制作新的生产计划;生产线同时生产不同品种的产品和对新的生产计划安排生产调度;各生产辅助部门在修改完善在制产品技术资料的同时，制定、准备新产品的技术资料。从以上可以看出，离散型制造企业的制造系统属于复杂的系统性工程。不同的部门、设备和不同的员工同时在进行着不同产品或工序的生产加工，不同的设备和员工在生产时将产生大量的生产数据和制造信息，这些数据和信息都要经过加工整理传送给管理部门，并接受管理部门反馈的数据和信息。因此，离散制造系统在生产过程中呈现以下特点:

(1)订单式制造方式，多种产品混合生产。

离散型制造企业，接受市场给予的订单后安排生产计划，生产线中常出现多品种或同一品种但不同型号的产品混合生产的现象，根据产品类型和生产批量的不同，生产中存在着不同的生产方式并存的现象。

(2)生产工艺和制造装备配置多样化。

不同种类和不同生产批量的产品在生产过程中采用的生产工艺不同，不同的生产工艺采用的制造装备也不相同，为了满足不同类型产品的生产需求，离散制造需要制定不同的生产工艺和配备多样化的制造装备。

(3)生产数据多，数据管理工作量大。

一个产品的制造过程，将产生相对应的技术数据、制造数据、质量数据和管理数据等。离散制造企业的产品多样化，每一种产品均有多个零部件组成，每个零部件都有相应的生产数据，这就致使离散制造企业的生产数据庞大，对庞大数据的收集、分类和管理的工作量较大。

(4)不确定因素多，生产管理复杂多变。

离散型制造企业的生产过程是由不同零部件加工子过程并联或串联组成的复杂过程，产品的结构复杂、生产周期较长，生产过程中包含很多的变化和不确定因素，因此对于生产的管理较连续性制造复杂。

(5)信息人工传递，信息传输缺乏准确性和实时性。

产品的制造过程是信息的传输过程。在传统的制造系统中，制造的信息采用人工传递的方式，技术部门将产品的技术信息传送给制造和质检等部门，制造部门参照技术图纸制造，并将制造信息反馈给技术、质检和管理部门。人工管理信息分散、缺乏完善的基础数据，信息分散、不及时、不准确、不共享、大大影响管理决策的科学性［2］。现代制造技术，要求生产过程具有准确和高效的特点，数据的准确性和信息传输的实时性是实现制造系统高效性和准确性的根本保证，也是目前离散型制造技术研究的重点内容。

2 物联网技术

2.1 物联网及其应用

物联网的英文名称叫“The Internet of things”，美国麻省理工学院于1999 年首次提出物联网的概念是:可将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。2005 年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU 互联网报告2005:物联网》，在该年度报告中对物联网概念的涵义进行了扩展，正式将物联网的概念定义为:信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而物体的链接就构成了物联网。将原来的局限于无线射频技术扩展到无线射频技术、传感器技术、纳米技术和智能嵌入等技术［3］。狭义上讲，物联网是:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络［4］。

2009 年1 月，IBM 公司向美国总统奥巴马提出“智慧地球”的概念，将传感器安装到世界各地的电网等物体中，普遍链接形成物联网，然后通过超级

计算机和云计算将物联网整合，即“互联网+物联网=智慧地球”。奥巴马已将物联网上升为国家战略［5］。日本在2004 年提出U - Japan 构想，计划在2004～2007 年投入29 亿美元用于发展泛在网络社会。欧洲联盟在2009 年发布了《未来物联网战略》，将物联网及其核心技术纳入预算高达500 亿欧元的欧盟第七个科技框架计划［6-7］。我国政府于2009 年提出物联网产业为新兴战略性产业，温家宝总理在江苏无锡调研时提出了“感知中国”的宏伟设想。目前，物联网在我国智能电网、精准农业、环境保护、机场周界、智能家居、城市交通等领域受到高度的重视，且发展迅猛［8］。

2.2 制造系统中的物联网架构

从技术架构上来看，物联网可分为3 层:感知层、网络层和应用层。如图2 所示，感知层用于实现物品的信息采集、对象识别，作为物联网的核心技术，感知层的关键技术包括传感器、无线射频、短距离无线通信等。感知层的传感器与芯片有声学、振动、压力、温度、湿度、生物、化学、CCD、红外、微波、静电、RFID、信息处理与传输等诸多芯片。网络层用于物质信息的传输，主要依赖于互联网和局域网。有多种设备需要接入物联网，因此物联网是异构的，信息网络与传输技术则包括TD-LTE -U、WSN、INON 等。信息处理与存储方面有曙光、深腾、跨尺度、数据密集型超算系统、过程模拟、社会计算等。应用层实现信息的存储、加工、数据挖掘、提供反馈信息服务于物体和物联网的智能化中心，该层涉及海量信息的智能处理、分布式计算等技术。

3 离散型制造系统中的物联网技术

离散型制造系统的主要特点是人员、设备、产品、物资种类多、结构复杂，这种特点致使制造系统在运行过程中存在生产数据庞大、管理困难的现象，这种现象给离散制造系统带来各种信息传递滞后、数据的准确性不足的缺陷。物联网技术可以使生产系统中的人材物通过网络技术成为相互联系的整体，计算机信息技术具有数据存储量大、处理速度快、管理效率高的特点，通过网络信息传输系统，可以实现生产信息的实时、准确的传输。因此，在离散制造系统引入物联网技术是提高生产效率，实现制造技术集成化的有效方法。

3.1 物联网的构造

离散型制造系统物联网以数据中心为核心，Internet 网络或局域网为媒介，对生产系统的人员、设备、在制品和物资的运行特性的网络化检测，实现制造系统运行特性数据的存储、分析、展示和管理等功能。离散型制造系统物联网的架构体系如图3 所示，采用分层结构的形式。包含感知控制层、网络传输层、信息传输层、数据管理层、管理决策层和信息输出层共6 层结构。构架体系中各层之间相互独立，层之间通过接口提供信息互通。由于每一层只实现自己独立的功能，因此可以将离散制造系统中复杂问题化解为若干子问题，大大降低了问题的复杂程度。

3.2 物联网的硬件技术

离散制造系统物联网主要有硬件系统和软件系统组成，其中硬件有射频识别设备、信息传感设备和网络传输等设备组成，主要用于感知层对象识别体系、网络架构体系和数据管理体系3 方面［9］。

(1)感知对象识别系统:感知对象识别系统也称之为射频识别系统，主要有电子标签、阅读器和天线组成。每个电子标签具有唯一的电子编码，在物联网覆盖的整个生产系统中，天线是电子标签和阅读器之间传递射频信号的工具，通过识别器对电子标签读写，标签的信息就会通过互联网传输到数据的终端，从而实现物联网对生产系统中人员和物品数据的采集和信息的跟踪。

(2)网络通信系统:在标准的网络协议下，网络中每个设备具有唯一的地址编码。每个设备都会接收到上级设备发出的命令，只有符合相应地址编码的下级设备才会遵从通信命令。离散型制造系统由于同一车间的设备比较集中，车间与车间之间的设备间隔较大，因此可以充分应用有限链接与无线连接方式的优点，车间内设备采用有线连接的方式，车间之间的设备采用无线连接的方式。这样就可以形成设备A、虚拟串口连接设备和设备B 串行网络链接。各设备的数据采集仪表通过RS485 现场总线通信模式进行链接，最终连接到数据采集设备上，实现设备之间的网络通信。

(3)数据采集系统:数据采集设备在离散型制造系统的物联网中也称为智能网关，是数据采集传输系统中最关键的设备，承担着数据中心和传感器与执行器之间数据交换的重要功能。智能网关由主芯片、一些外部接口电路和电源电路组成，通过上面的RS485接口，可以方便地链接不同种类的数据采集仪器和生产现场执行器。智能网关主动定时的向数据采集仪器轮流采集数据，并将数据存在高速SD 卡中。智能网关具有TCP/IP 接口，可以与Internet 网方便地连接，实现将高速SD 卡中数据的上传功能。

3.3 物联网的软件技术

离散型制造系统的物联网网络覆盖整个制造系统的所有人和物，检测制造系统中数以万计的人员、设备、在制品和物资，统计制造过程中产生的能源流、物流和信息流，并使用可靠的数据库管理系统来存储和管理生产过程中产生的数据和信息。这一功能的实现需要在生产系统中建立一个以硬件设备为躯干，数据库和软件为灵魂的物联网。

(1)数据库管理系统:数据库是离散型制造系统物联网的数据会聚中心，负责存储所有制造系统的基本信息和运行特性信息，并为制造系统物联网提供数据查询服务。如图4 所示，离散型制造系统的物联网软件系统包含5 类专用数据库，分别为员工管理数据库、设备管理数据库，生产管理数据库、物资管理数据库和质量管理数据库。用于存储生产系统的基本信息、生产过程中产生的数据和对各种信息分析处理的结果。

由于离散型制造系统物联网要求存储容量大、功能复杂、自动化程度高，因此需要采用大型数据库管理系统。大型数据库管理系统具备标准结构化查询语言的处理能力，较好的通用性和兼容性，网络连接和分布式处理功能，而且有跨平台的开发结构及开发软件的支持，因此适合作为离散型制造系统的数据库管理系统。

(2)软件系统结构:为了实现对整个制造系统基本信息的管理和所有生产数据的处理分析，离散型制造系统的物联网需要8 套软件，如图4 所示，分别为制造系统基本信息管理软件，检测仪器信息管理软件，检测仪器编码测试软件，系统运行特性检测服务器软件，中间层服务器管理软件，生产数据统计分析处理软件，制造系统数据传输软件，离散型制造系统运行管理展示网站。

在8 套软件中，制造系统运行特性检测服务器软件是离散制造系统的数据自动采集关键软件，所有上传的运行特性信息均通过该软件输入数据库。数据管理软件通过中间层服务器软件操作管理对应的数据库，检测仪器编码测试软件负责制造系统的现场检测仪器数据校核和排错功能，保证所有进入物联网的运行特性数据的准确性，运行特性数据经生产数据统计分析处理软件处理后，所有与生产相关的数据均能及时地计算并存入数据库中，最后将所有生产信息经过系统数据传输软件汇总到一起，并通过系统运行管理展示网站进行信息展示与查询。

4 结语

研究开发离散型制造系统物联网技术的理论基础、网络架构、关键软硬件技术，对于提高离散制造系统的生产效率，提高企业资源的利用率、提高产品的质量和市场竞争力具有重要意义。通过物联网技术，可以将原本错综复杂的离散制造系统按照类别分解成多个子系统，从而实现对生产系统中的人员、设备、在制品、物资和质量的有序、高效管理。

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