基于物联网技术的数字化车间制造数据采集与管理

2016-01-29聂志冷晟叶文华邹方林

机械制造与自动化 2015年4期

关键词：数据采集物联网二维码

聂志，冷晟，叶文华，邹方林

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

基于物联网技术的数字化车间制造数据采集与管理

聂志，冷晟，叶文华，邹方林

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

摘要：针对离散型生产车间生产过程中对零件的实时状态、生产过程数据追溯的需要，提出了将超高频RFID、二维码等物联技术融入到车间MES系统中的解决方案。根据离散制造车间的生产过程，开发了车间生产过程数据采集与管理系统，对零件制造过程进行跟踪和管理。通过系统接口实现制造执行系统与PDM系统的数据、业务集成及车间制造过程的数字化和可视化，实现了MES层对零件生产数据的采集与反馈，提高了车间的生产效率和管理水平。

关键词：数据化车间；物联网；数据采集；二维码；数据追溯

Development of Data Collection and Management in Numerical Workshop

Based on Internet of Things

NIE Zhi，LENG Sheng，YE Wenhua，ZOU Fanglin

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of

Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016,China)

Abstract:According to the requirement of tracking the data such as the real-time status of parts, manufacturing data, etc, this paper presents a solution which is used to melt the Radio Frequency Identification(RFID) and two-dimension code into MES to collect the data generated in manufacturing process and manage production activities and develops the data collection and management system on the basis of the manufacturing process, which is used to manage and trace the process data．Data and operation integration between MES and PDM is fulfilled through system integration interface. Thus visualizing and digitalizing management of manufacturing, as well as the feedback of MES to ERP are realized. Both the production efficiency and management level are improved.

Keywords:numerical workshop; internet of things; data collection；two-dimension code；data tracing

0引言

在现代制造企业中，通常是以ERP为依据组织生产，尽管ERP为企业提供了战略层和决策层支持，但对车间生产过程管理较为薄弱，无法对车间现场的生产活动进行有效规范和指导。管理层与生产现场之间缺乏信息交换的有效手段，管理层得到的信息往往是滞后且不完整的，不能为科学地编制车间作业计划提供准确而及时的数据[1]。同时，传统ERP难以满足产品制造数据追溯的要求。

射频识别(radio frequency identification，RFID)是自动识别技术的一种。它通过电子标签来标识零件，并利用无线射频信号来获取存储在电子标签中的物品信息。RFID技术无需与物品直接接触，即可在无人工干扰的情况下完成信息的获取和写入，并且可以工作于各种恶劣环境下，识别高速运动的物品及对远距离多目标进行识别等。RFID已成为物联网的关键技术[2]，典型应用包括货物追踪、行李追踪、枪支弹药管理、图书管理以及身份识别等[3]。RFID的高识别速度与高可靠性正好能满足车间制造过程信息采集的要求。在整个生产过程中由RFID技术提供准确、实时的生产数据，反馈生产过程实时信息，可以实现对车间作业计划执行的严格控制[4]。

现采用RFID、二维码等物联技术，结合MES应用系统，在车间展开基于物联技术的制造过程数据采集应用。对车间生产中的计划派工、零件加工、组件装配以及零件出入库等关键环节，采用RFID或二维码，记录实时制造状态与生产过程数据，是实施计划与调度、生产过程监控以及制造数据追溯的技术保障。

1制造过程数据采集分析与数据分类

传统MES实施中的难点在于生产过程各环节数据与在制品的实时绑定、实物流和信息流严重脱节、管理人员无法对生产过程进行实时监控和管理[5]。因此，可采用RFID对在制品进行标识，在零件生产制造的各个环节，通过读写器识别零件身份，并将零件的制造过程信息记录下来。实时准确的制造信息是管理者掌握生产节拍，进行调整与决策的基础。系统需要记录生产中的详细信息，用来提供数据追溯支持。由此将车间制造过程数据划分为3类：静态数据、动态数据和中间数据。

a) 静态数据是指一般来说不会发生变化的数据，例如物料的编码、加工者的内部编号、加工设备编号、库房编号等等。

b) 动态数据是指在制造过程中，随着零件状态的变化，也会发生变化的一类数据。这类数据包括零件的加工工序、尺寸、物流信息、开工完工时间、零件状态等等。

c) 中间数据是指从管理的需求角度出发，需要把采集的静态数据和动态数据进行整理、处理，由此而得到的数据就是中间数据。如管理系统有时需要对数据进行批量处理，对数据进行格式化，以满足处理或模块之间的通信需要。

2物联技术在车间中的应用

a) 车间制造现场的应用

根据车间的制造过程，设计了如图1所示RFID和二维码在车间制造管理中的应用模型。

图1　RFID和二维码在车间制造管理中的系统模型

在RFID 系统中，标签的应用方式有开环应用和闭环应用两种方式[6]。开环应用是将RFID贯穿于零件整个生命周期管理，不仅方便企业管理，还有利于企业掌握市场的变化，但这种方式成本较高。闭环应用是将RFID在企业内部使用，可以定义适应本企业需要的EPC编码，灵活性比较强，且标签在产品出厂后被回收，以便新的在制品使用，节约成本。后一种方式能被大多数企业所接受，因此，本系统采取闭环应用方式。

当在制品的毛料入库时，根据该毛料的任务号、计划号、零件号等基本信息由计算机自动为其生成唯一的ID，并与RFID电子标签绑定，作为在制品在整个制造过程中的标识。产品上线时，RFID电子标签依附于产品托盘上或黏贴于零件的非加工面，产品下线时，由库房将标签回收以便循环使用。

在每个工位分别配置一部读写器，将其与工位的上位机绑定。一方面，上位机通过读写器获取的标识信息，根据这些信息和相应的生产指令，自动从服务器下载该物料的加工工艺文档，给予工人准确的生产操作指导，并记录产品状态、位置等关键信息；另一方面，在对零件进行检验后，上位机能够根据零件的标识信息，从CAPP/PDM服务器获取工艺尺寸，与检验的实际尺寸对比，自动判断零件的合格性，提高检验效率。并将实际尺寸上传到服务器，为后续数据追溯提供支持。

库房使用RFID和二维码结合的方式对物料进行管理。当零件入库时，系统自动获取空闲仓位信息，待零件存放后，记录的存放位置，以方便出库时快速找到物料。当零件出库时，由二维码取代RFID电子标签，将包含零件信息的二维码贴在物料的包装箱上，对物料进行标识。

b) 移动手机平台的应用

随着智能手机的硬件设备不断丰富，手机被赋予了更多的功能，从而使其更容易处理多样的应用要求，并最终为用户提供终端服务[7]。

现采用搭载Android操作系统的智能手机作为软件的运行环境。利用配备的摄像头，扫描物料的二维码，展现零件的详细制造过程数据。在零件生产过程中，零件在与标签绑定的同时，生成对应的二维码图像，然后通过手动输入零件关键字或通过摄像头扫描零件对应的二维码。客户端对二维码进行解码(在扫描二维码的情况下)，将这些信息作为关键字，通过手机的3G或WIFI网络，将数据发送到服务器上的处理程序，服务器处理后将结果返回给用户手机。客户端将请求结果格式化后，显示给用户。从而实现对零件信息进行查询，随时随地地掌握零件的状态。

3制造过程数据采集与管理系统设计

a) 系统物理框架设计

基于物联网的数据采集与管理系统整体框架如图 2所示。每个车间包括制造工作站，库房等，各单元的硬件设备通过工业以太网连接成车间局域网，车间局域网又通过交换机连接到公司主干网络，从而为车间层访问上层MES服务器、CAPP/PDM数据服务器及数据采集与管理服务器建立通信链路。其中，ONS(object name service)服务器负责解析中间件提交的EPC码，它类似于互联网的域名解析服务(DNS)，给RFID中间件指明了存储产品相关信息的服务器。对于闭环应用的RFID系统，ONS服务器指示中间件访问企业内部服务器；而对于实现了EPCglobal RFID应用体系的开环应用系统，可以通过ONS服务器查询到外协件的相关信息。每一个工作站的计算机是车间管理系统信息传递的桥梁，一方面，它为不同用户提供相应的工作页面，提交用户的应用请求，并显示请求结果；另一方面，它作为软件中间件的载体，负责根据用户要求，发出控制底层硬件设备的命令，并通过与底层设备的通信，将设备的处理结果提交到上层服务器处理。车间的无线网络能方便授权用户通过智能移动设备直接接入企业内部网络，提供多途径的应用模式。同时，通过智能手机上的客户端软件，通过3G网络连接到数据采集与管理服务器。

图2　基于物联网的数据采集与管理系统框架

b) 系统体系结构

系统体系结构采用分层结构，如图3所示。

图3　基于物联网的数据采集与管理系统的体系结构

1) 底层数据采集系统层是RFID手持读写设备的系统层，它提供手持设备中间件的运行环境，直接驱动读写器的底层硬件。

2) 手持RFID设备中间件是基于WinCE平台的MFC应用程序，一方面，它本身能直接控制读写器，对电子标签进行读写操作；另一方面，它在后台监测指定端口的通信数据，将应用层的数据采集请求转化为控制命令，控制读写器对标签进行操作，然后将执行结果返回给代理中间层，由它将结果进行处理后传递给数据处理层。

3) 代理中间件层功能类似于代理服务器，它为应用层提供一系列标准接口，以基于COM+标准的ActiveX控件形式嵌于Web页面中运行。它自身处理部分应用层的业务或将应用层的业务请求交给手持RFID设备中间件处理，并将处理结果交给应用层。

4) 业务处理层是服务器上一系列Servlet模型以及内嵌于Web页面的JSP、Javascript脚本组成，共同完成应用层的业务处理。

5) 应用层是服务于用户的功能集合，它是整个系统对用户的呈现。其中Android应用基于Android 2.3开发，C/S结构；Web应用采用MVC(model view controller)开发模式，运行于Internet Explorer10浏览器，B/S结构。应用层实现了MES系统中面向工作人员的生产管理、生产监控、数据追溯、质量跟踪等功能。

c) 系统功能设计

制造过程数据采集与管理系统在MES系统构架下，提供零件整个生产过程监控，包括工段长派工、工人加工、零件装配以及库房管理等服务，并能处理智能手机设备端对制造过程数据查询、回溯的服务请求。系统功能模块如图4所示。

图4　系统功能模块

各模块的具体功能如下：

1) 车间权限管理：定义对车间人员的角色、权限，Web应用根据这些权限加载对应的功能菜单和工作页面。

2) 标签管理：负责处理标签中记录的信息。可以对新标签内容进行初始化，并对回收的标签进行重新格式化处理。

3) 制造单元数据采集与管理：处理制造单元的业务，包括零件的派工、加工数据合格性判定、零件的冻结、查看历史加工数据以及提供当前加工工序的电子工艺文档。

4) 装配单元数据采集与管理：装配单元也属于制造单元，除了有一般制造单元的业务处理之外，该单元还对需要装配的子件进行检查核对，以判定子件是否存在缺失，错拿等问题。利用RFID的多标签识别技术，根据装配的工艺信息，即可快速判定是否存在以上问题，缩短了装配前的准备工作时间。

5) 库房管理：该模块对零件的出入库进行登记、快速定位零件存储位置、打印出入库报表以及生成包含包装箱信息的二维码。

6) 移动设备应用管理：提供移动设备远程数据追溯的服务支持。

4系统应用与实现

系统软件包含3大部分，分别是Web应用、RFID中间件和Android客户端。利用该软件系统，借助RFID读写器和搭载Android操作系统的智能手机，模拟将射频技术及二维码应用于车间制造过程。模拟环境为QLM 27100龙门加工中心加工现场。硬件的RFID读写器采用成为公司的C5000U型号读写器，智能手机采用HTC G11。如图 5、图 6所示。

图5　生产车间

图6　手持射频读写器

利用该读写器对附着RFID标签的零件进行识别，即可快速获取零件相关信息，包括物料号、计划生产时间、当前工序号、加工工艺电子文档等等，很大程度上提高生产效率。如图7所示。

图7　零件加工Web页面

零件加工完成并经过检验后，系统自动将制造过程信息上传，包括加工者、加工设备、加工数据等详细信息。用户能用Android智能手机扫描零件的二维码，对加工过程数据进行追溯。如图 8所示。

图8　Android手机对加工数据进行追溯

5结语

利用物联技术的车间数据采集系统，不仅使数据采集更实时准确，而且为生产计划层提供生产能力的准确值。系统实现了对车间的业务管理、数据采集和数据追溯，既能提高企业的生产效率，也能促进朝着智能化、无纸化生产方式发展，有较好的应用价值和发展前景。系统的Web应用基于J2EE平台，可在不同平台的服务器上运行，具有良好的兼容性。Android手机应用还能与其他MES相关的软件互补不足，组成功能更为强大的MES系统，有效解决ERP系统的不足，提高企业信息化水平和市场竞争力。

参考文献:

[1] Ahmad， Salmiah.Manufacturing Execution Systems[J]. American Oil Chemists'Society，2006，17(3):13-16.

[2] 黄玉兰. 物联网射频识别(RFID)核心技术详解[M]. 北京：人民邮电出版社.

[3] 黄广文. 基于RFID和EPC物联网的水产品供应链追溯研究[D]. 广州：华南理工大学，2011.

[4] 谢杏，林敏锐. RFID技术在离散制造业生产线的应用探索[J]. 中国自动识别术，2007，(3):45.

[5] 刘卫宁，黄文雷，等. 基于射频识别的离散制造业制造执行系统设计与实现[J]. 计算机集成制造系统，2007，13(10):1886-1890.

[6] 陶新桥. RFID 在汽车整车生产物流监控中的应用研究[D]. 重庆:重庆大学，2011.

[7] Falas Tasos, Kashani Hossein. Two-Dimensional Bar-Code Decoding with Camera-Equipped Mobile Phones[J]. IEEE International Conference, 2007, 9(15):597-600.