一種基于物聯網技術的無縫針織企業MES系統

崔定國 周磊 王國保 左剛

摘 要： 工業物聯網作為國家“兩化深度融合、機器換人”重大發展戰略的主要切入點，對傳統制造業轉型升級具有重要的意義。基于物聯網技術設計開發了一種針對無縫針織行業的生產制造執行系統（MES）。通過采用SOA和Web Service軟件架構設計、智能工序數據實時采集系統開發、機聯網與企業生產管理系統數據深度融合，實現了一種覆蓋無縫針織企業生產制造全流程的工業物聯網系統。企業實地應用表明，該系統對提升企業信息化管理水平、提高生產效率及降低人工成本具有明顯的促進作用。

關鍵詞： 物聯網； 制造執行系統； RFID電子標簽； 數據采集

中圖分類號：TP319 文獻標志碼：A 文章編號：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

工業是物聯網應用的重要領域。“十二五”時期，我國工業迫切需要轉型升級，整體思路是推進信息化和工業化深度融合，培育壯大戰略性新興產業，改造提升傳統產業。通過物聯網技術在生產制造行業的深入應用和兩者深度融合，可以有效提高生產制造性企業生產效率和產品品質，提升企業的市場競爭力，帶動物聯網產業向更廣更深的領域延伸，實現“兩化融合”所產生“疊加效應”。

隨著國際市場競爭的日益激烈，傳統制造企業生存壓力巨大，迫切需要通過信息化改造升級，提高生產管理水平。但在具體實施過程中卻面臨諸多困難。以目前無縫針織行業為例，一方面，面臨市場競爭壓力，需要更快的生產反應速度和高品質管理水平；另一方面，生產流程工序復雜多變，產品多樣性導致品質管理難度大等[1]。部分企業雖然已經采用了ERP系統、電子工票系統等諸多信息化管理系統，但是在織機設備管理、前道生產管理、后道生產管理、倉儲管理等方面，形成了多個“信息孤島”，且仍采用傳統的紙質登記方式進行工序數據采集統計，無法實現生產全流程信息互聯互通以及數據實時采集、數據融合分析等，導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生產流程中，前道工序采用高度自動化加工裝備（如全自動高速無縫針織機、全自動印染系統等），而其后道工序采用較傳統的半手工加工方式，MES需融合自動化裝備與人工加工工序數據信息，以實現從原材料到成品全流程的實時跟蹤，系統復雜度高，開發難度大。目前針對無縫針織行業的物聯網MES系統，國內尚未見文獻報道。

本文根據無縫針織企業在信息化改造和轉型升級中的實際困難，采用典型物聯網系統架構針對性地開發設計，包括：利用物聯網的智能感知層技術解決企業工序和織機數據實時采集問題，采用基于SOA、Web Service軟件架構設計解決企業各信息孤島的互聯互通問題，采用MES系統開發和ERP對接解決企業生產精細管理問題。通過全系統的數據流融合與企業ERP系統對接，實現了一種新型的基于物聯網的無縫針織企業MES系統。

1 系統總體設計

通過對企業生產現場的實地考察，目前該無縫針織企業的生產全流程，如圖1所示。

圖1 企業生產流程圖

根據企業生產全流程和企業對生產管理需求的分析，本文基于物聯網在不同層次上構建三個子系統實現開發方案，其中包括：織機集群管理系統、基于SOA的MES系統軟件和智能工序數據實時采集系統。系統框架如圖2所示。

[企業ERP系統][基于B/S架構的企業MES系統（含手機APP）] [應用層][智能工序數據實時

采集系統＼&][基于B/S的織機集群管理系統][織機傳感網] [后道工序：

半檢

縫紉

成檢

包裝＼&][網絡層] [前道工序：

紡織

印染＼&][RFID工序數據采集終端＼&][紡織運行狀態傳感器

（MDSeth/DCNeth模塊）＼&] [感知層]

圖2 系統整體框架圖

2 系統設計及實現

2.1 織機集群管理系統

本文通過開發基于傳感網的織機自動控制系統，實現織機工作實時信息的采集和自動控制，對生產作業進行遠程監控，車間管理人員能夠實時查看每臺織機的運行情況及全車間織機集群的產能效率分析，實施科學合理的生產調度和管理。基于企業所使用的SANTONI無縫針織機上裝有的DCNeth和MDSeth智能模塊開發基于傳感網的織機自動控制系統。其中DCNeth模塊是一種直接安裝在針織機器上的電路板，通過和機器上的硬件連接收集機器的狀態數據；MDSeth模塊是一種通過連接到機器上的電子輸入輸出信號來收集針織機器運行狀態的自動數據采集系統，系統為每臺織機分配固定IP地址，自動實時采集織機運行狀態數據并寫入數據庫。系統采用Browser/Server架構開發，服務器端采用Java語言環境，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腳本實現與服務器之間的異步交互功能。系統通過自動收集機器生產的信息及發送控制指令實現織機遠程啟停控制、款式文件及生產訂單上傳、車間、工作組及單機生產效率估算、產能分析、班次管理、訂單管理等功能。

根據企業具體生產模式，在前道及后道工序中所采用的生產效率估算公式為：

⑴

式⑴中，Te為時間效率；Rt為織機運行時間，St為當前班次執行時間。

⑵

式⑵中，We為工作效率；Pd為已完成產品量，Tp 為理論計劃產品量。

2.2 基于SOA的MES系統

MES（Manufacturing Execution System）制造執行系統，是由美國先進制造研究機構（Advanced Manufacturing Research，AMR）提出，定義為“位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間的、面向車間層的管理信息系統”，它是為了解決上層計劃系統與下層控制系統之間的信息通信而產生的，是現代生產管理中最關鍵的一個環節，是企業CIMS信息集成的紐帶[2]。生產車間各種基礎數據的實時采集與生產計劃數據的實時分析是MES中的一個關鍵環節。近年來，企業逐漸認識到將ERP與底層控制系統統一起來的重要性，并認識到MES是解決這一問題的有效途徑，即通過MES來實現企業信息的集成，形成實時化的生產管理系統。制造執行系統在計劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁，填補了兩者之間的空隙，可為企業及時提供生產實時信息，以優化生產、提高生產效率、優化資源配置。

MES作為整個系統的控制和調度核心，它由中間件和應用層兩部分組成，如圖3所示。其中本文定義為一個Web Service中間件，用來把來自電子標簽的數據發送到RFID中間件，然后經過對數據的緩存、過濾后將有效的生產數據存儲到數據庫中。

[數據服務中間件][HF RFID中間件

（RFID數據采集終端）][UHF RFID中間件

（倉儲管理輔助系統）][織機數據采集中間件＼&] [生產安排][實時監控][物料發卡][件資管理][產能分析][……][應用表示層]

圖3 MES系統框架圖

針對企業生產流程，特別是后道流程進行系統建模，如圖4所示。系統通過RFID采集流程中各工序環節的實時數據信息。在物料流轉過程中，對每一單物料加載一個RFID物料卡，每個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，實現工序信息的實時采集和物料加工計件與員工數據鏈接。

圖4 后道工序生產建模圖

按照功能需求分析將MES劃分為四個功能模塊，分別是基本功能模塊、功能區模塊、審核區模塊和報表區模塊。其中功能區模塊主要實現生產信息的錄入，包括日產量信息、后道RFID產量、工序工價表等；對于未滿足生產需求的信息列表，可以進行修改和刪除，其他客戶端實時同步，減少長時間信息滯后帶來的一系列問題。審核區模塊對功能區模塊生成的生產信息表單進行審核操作，審核通過后，下達工作車間進行生產作業。報表區模塊對已經完成的生產作業信息以及員工工資按一定條件查找統計，使得以最為直觀的數據方式顯示在操作員面前，并集成Excel報表的導出功能，可以自動統計具有實際價值的統計數據，以數據的價值比將數據按照最為合理的方式統計在Excel報表中。

[請求指令集

映射][SOA接口

配置＼&][SOA代理＼&] [HTTP請求＼&][客戶端＼&][實際處理端＼&] [SOA處理端]

圖5 SOA請求處理過程

本文采用基于Web 的三層體系結構（即表示層、業務邏輯層、數據接口層的三層分布式結構），由封裝在Web 服務器中的各功能組件通過相應的數據接口統一訪問后臺數據庫服務器上的相應資源。在系統構建中，作為SOA 的一種實現技術，采用Web Service提供的XML標準接口，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，能夠良好地實現物聯網中間件與企業系統的集成，完成兩者的松耦合[3]。在本系統中，采用SOA技術實現服務器與客戶端之間的解耦合，如圖5所示。客戶端首先發出HTTP請求，通過SOA接口配置文件進入SOA處理端；然后根據請求指令集映射文件找到相應的SOA代理對象；最后HTTP請求被轉發到實際處理端進行操作，并給予客戶端響應。

2.3 智能工序數據實時采集系統

本文根據企業應用環境及實際需求設計開發并實現了一種完整的工序信息數據實時采集系統，該系統由智能數據實時采集終端、數據基站和服務器三部分組成。數據采集終端負責讀取員工卡和物料卡中的生產信息（如員工編號、工位編號、生產貨號等），將員工信息與其加工過的物料信息進行綁定，加蓋時間戳后發送至數據基站。數據基站通過無線模塊接收采集終端發送過來的數據，按照一定規則過濾生產數據，篩除冗余生產數據后，將真正有效的生產數據通過內部局域網傳送至服務器的數據庫中。數據采集終端硬件采用模塊化設計，整體結構由MCU主控模塊、RFID數據讀寫模塊、無線通信模塊、RS232模塊、液晶顯示模塊、JTAG系統調試模塊、電源/復位模塊等構成[4]。其工作流程及硬件系統結構如圖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] [鍵值識別][參數設定] [生產數據采集][數據接收][數據處理][數據發送] [界面顯示] [Y][N]

圖6 RFID生產數據采集終端工作流程

[電源/復位模塊][RS232模塊][LCD顯示模塊][MCU主控模塊][RFID數據讀寫模塊][JTAG系統調試模塊][無線通信模塊]

圖7 數據采集終端硬件系統結構

圖7中MCU主控模塊采用基于Cortex-M3內核的嵌入式處理器STM32F103VET6，負責處理RFID射頻模塊采集到的生產現場電子標簽的數據。RFID數據讀寫模塊采用非接觸式讀寫卡芯片MFRC522，讀取數據后，將數據顯示在液晶屏上，并通過無線模塊發送數據給數據基站。數據基站采用的主控芯片為STM32F107，采用獨立于介質的接口RMII方式進行數據傳輸。無線通信采用基于Silicon Labs公司Si4432芯片設計開發的具有高集成度、低功耗的擴頻無線收發模塊，傳輸距離可達2000m，工作頻率為433MHz。

3 系統應用

本系統主體部分已在浙江芬雪琳針織服飾有限公司部署安裝，經調試后上線運行。系統運行界面如圖8、圖9所示。

為方便各級別員工實時掌握生產活動狀況及進度，本系統提供基于安卓系統的手機APP軟件，如圖10所示。智能工序數據實時采集系統如圖11所示。

圖10 手機APP織機監控頁面

圖11 后道工序數據采集終端

本文開發的系統在該企業上線運行以來，應用效果明顯。在前道工序方面，通過在線監控織機運行狀態，實時顯示織機生產信息，如開機時間、生產訂單號、已完成件數以及待加工件數等，統計每一個織機工作組的工作效率和時間效率，并以此作為依據推斷前道車間總生產效率。在后道工序方面，實時采集每道工序每個員工的生產數據。通過與ERP系統進行數據對接，實現了生產全流程的數字化監控，優化生產調度，有效提高了生產線工作效率和成品率[5]。根據多個生產周期的連續監測和統計分析，前道織機空載運行時間明顯減少，單位產量織機電能消耗及前后道生產原料消耗也下降明顯，企業月生產效率提升10%以上；而得益于生產效率的提升，企業的經濟效益也在不斷增長。

4 結束語

本文基于物聯網系統典型架構，利用RFID、傳感網、433MHz無線數據收發和Web Service等物聯網技術，通過設計開發織機集群管理系統、基于SOA的MES系統和智能工序數據實時采集系統，在無縫針織企業實現了一種基于工業物聯網的MES系統，并在實際企業部署實施。企業實際應用情況表明，工業物聯網技術對于提升傳統制造型企業的生產效率，優化企業生產資源配置，提高企業管理水平都具有明顯的促進作用。

參考文獻：

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碩士學位論文，2012.

[2] 魯洋.基于RFID技術的生產管理系統研究[D].武漢科技大學碩士學

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[3] 李鳳云，黃迎春，馮永新.基于Web Service的SOA實現技術研究[J].

科技視界，2012.8（23）：17-19

[4] 劉昊.面向紡織MES系統的RFID嵌入式數據采集終端設計[J].北京

服裝學院學報，2012.32（1）：44-45

[5] 邵景峰，王進富，馬曉紅，劉勇.面向制造層面的紡織制造執行系統研

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