基于物聯網技術的數字化車間制造數據采集與管理

聶志，冷晟，葉文華，鄒方林

(南京航空航天大學 機電學院， 江蘇 南京 210016)

基于物聯網技術的數字化車間制造數據采集與管理

聶志，冷晟，葉文華，鄒方林

(南京航空航天大學 機電學院， 江蘇 南京 210016)

摘要：針對離散型生產車間生產過程中對零件的實時狀態、生產過程數據追溯的需要，提出了將超高頻RFID、二維碼等物聯技術融入到車間MES系統中的解決方案。根據離散制造車間的生產過程，開發了車間生產過程數據采集與管理系統，對零件制造過程進行跟蹤和管理。通過系統接口實現制造執行系統與PDM系統的數據、業務集成及車間制造過程的數字化和可視化，實現了MES層對零件生產數據的采集與反饋，提高了車間的生產效率和管理水平。

關鍵詞：數據化車間；物聯網；數據采集；二維碼；數據追溯

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

在現代制造企業中，通常是以ERP為依據組織生產，盡管ERP為企業提供了戰略層和決策層支持，但對車間生產過程管理較為薄弱，無法對車間現場的生產活動進行有效規范和指導。管理層與生產現場之間缺乏信息交換的有效手段，管理層得到的信息往往是滯后且不完整的，不能為科學地編制車間作業計劃提供準確而及時的數據[1]。同時，傳統ERP難以滿足產品制造數據追溯的要求。

射頻識別(radio frequency identification，RFID)是自動識別技術的一種。它通過電子標簽來標識零件，并利用無線射頻信號來獲取存儲在電子標簽中的物品信息。RFID技術無需與物品直接接觸，即可在無人工干擾的情況下完成信息的獲取和寫入，并且可以工作于各種惡劣環境下，識別高速運動的物品及對遠距離多目標進行識別等。RFID已成為物聯網的關鍵技術[2]，典型應用包括貨物追蹤、行李追蹤、槍支彈藥管理、圖書管理以及身份識別等[3]。RFID的高識別速度與高可靠性正好能滿足車間制造過程信息采集的要求。在整個生產過程中由RFID技術提供準確、實時的生產數據，反饋生產過程實時信息，可以實現對車間作業計劃執行的嚴格控制[4]。

現采用RFID、二維碼等物聯技術，結合MES應用系統，在車間展開基于物聯技術的制造過程數據采集應用。對車間生產中的計劃派工、零件加工、組件裝配以及零件出入庫等關鍵環節，采用RFID或二維碼，記錄實時制造狀態與生產過程數據，是實施計劃與調度、生產過程監控以及制造數據追溯的技術保障。

1制造過程數據采集分析與數據分類

傳統MES實施中的難點在于生產過程各環節數據與在制品的實時綁定、實物流和信息流嚴重脫節、管理人員無法對生產過程進行實時監控和管理[5]。因此，可采用RFID對在制品進行標識，在零件生產制造的各個環節，通過讀寫器識別零件身份，并將零件的制造過程信息記錄下來。實時準確的制造信息是管理者掌握生產節拍，進行調整與決策的基礎。系統需要記錄生產中的詳細信息，用來提供數據追溯支持。由此將車間制造過程數據劃分為3類：靜態數據、動態數據和中間數據。

a) 靜態數據是指一般來說不會發生變化的數據，例如物料的編碼、加工者的內部編號、加工設備編號、庫房編號等等。

b) 動態數據是指在制造過程中，隨著零件狀態的變化，也會發生變化的一類數據。這類數據包括零件的加工工序、尺寸、物流信息、開工完工時間、零件狀態等等。

c) 中間數據是指從管理的需求角度出發，需要把采集的靜態數據和動態數據進行整理、處理，由此而得到的數據就是中間數據。如管理系統有時需要對數據進行批量處理，對數據進行格式化，以滿足處理或模塊之間的通信需要。

2物聯技術在車間中的應用

a) 車間制造現場的應用

根據車間的制造過程，設計了如圖1所示RFID和二維碼在車間制造管理中的應用模型。

圖1　RFID和二維碼在車間制造管理中的系統模型

在RFID 系統中，標簽的應用方式有開環應用和閉環應用兩種方式[6]。開環應用是將RFID貫穿于零件整個生命周期管理，不僅方便企業管理，還有利于企業掌握市場的變化，但這種方式成本較高。閉環應用是將RFID在企業內部使用，可以定義適應本企業需要的EPC編碼，靈活性比較強，且標簽在產品出廠后被回收，以便新的在制品使用，節約成本。后一種方式能被大多數企業所接受，因此，本系統采取閉環應用方式。

當在制品的毛料入庫時，根據該毛料的任務號、計劃號、零件號等基本信息由計算機自動為其生成唯一的ID，并與RFID電子標簽綁定，作為在制品在整個制造過程中的標識。產品上線時，RFID電子標簽依附于產品托盤上或黏貼于零件的非加工面，產品下線時，由庫房將標簽回收以便循環使用。

在每個工位分別配置一部讀寫器，將其與工位的上位機綁定。一方面，上位機通過讀寫器獲取的標識信息，根據這些信息和相應的生產指令，自動從服務器下載該物料的加工工藝文檔，給予工人準確的生產操作指導，并記錄產品狀態、位置等關鍵信息；另一方面，在對零件進行檢驗后，上位機能夠根據零件的標識信息，從CAPP/PDM服務器獲取工藝尺寸，與檢驗的實際尺寸對比，自動判斷零件的合格性，提高檢驗效率。并將實際尺寸上傳到服務器，為后續數據追溯提供支持。

庫房使用RFID和二維碼結合的方式對物料進行管理。當零件入庫時，系統自動獲取空閑倉位信息，待零件存放后，記錄的存放位置，以方便出庫時快速找到物料。當零件出庫時，由二維碼取代RFID電子標簽，將包含零件信息的二維碼貼在物料的包裝箱上，對物料進行標識。

b) 移動手機平臺的應用

隨著智能手機的硬件設備不斷豐富，手機被賦予了更多的功能，從而使其更容易處理多樣的應用要求，并最終為用戶提供終端服務[7]。

現采用搭載Android操作系統的智能手機作為軟件的運行環境。利用配備的攝像頭，掃描物料的二維碼，展現零件的詳細制造過程數據。在零件生產過程中，零件在與標簽綁定的同時，生成對應的二維碼圖像，然后通過手動輸入零件關鍵字或通過攝像頭掃描零件對應的二維碼。客戶端對二維碼進行解碼(在掃描二維碼的情況下)，將這些信息作為關鍵字，通過手機的3G或WIFI網絡，將數據發送到服務器上的處理程序，服務器處理后將結果返回給用戶手機。客戶端將請求結果格式化后，顯示給用戶。從而實現對零件信息進行查詢，隨時隨地地掌握零件的狀態。

3制造過程數據采集與管理系統設計

a) 系統物理框架設計

基于物聯網的數據采集與管理系統整體框架如圖 2所示。每個車間包括制造工作站，庫房等，各單元的硬件設備通過工業以太網連接成車間局域網，車間局域網又通過交換機連接到公司主干網絡，從而為車間層訪問上層MES服務器、CAPP/PDM數據服務器及數據采集與管理服務器建立通信鏈路。其中，ONS(object name service)服務器負責解析中間件提交的EPC碼，它類似于互聯網的域名解析服務(DNS)，給RFID中間件指明了存儲產品相關信息的服務器。對于閉環應用的RFID系統，ONS服務器指示中間件訪問企業內部服務器；而對于實現了EPCglobal RFID應用體系的開環應用系統，可以通過ONS服務器查詢到外協件的相關信息。每一個工作站的計算機是車間管理系統信息傳遞的橋梁，一方面，它為不同用戶提供相應的工作頁面，提交用戶的應用請求，并顯示請求結果；另一方面，它作為軟件中間件的載體，負責根據用戶要求，發出控制底層硬件設備的命令，并通過與底層設備的通信，將設備的處理結果提交到上層服務器處理。車間的無線網絡能方便授權用戶通過智能移動設備直接接入企業內部網絡，提供多途徑的應用模式。同時，通過智能手機上的客戶端軟件，通過3G網絡連接到數據采集與管理服務器。

圖2　基于物聯網的數據采集與管理系統框架

b) 系統體系結構

系統體系結構采用分層結構，如圖3所示。

圖3　基于物聯網的數據采集與管理系統的體系結構

1) 底層數據采集系統層是RFID手持讀寫設備的系統層，它提供手持設備中間件的運行環境，直接驅動讀寫器的底層硬件。

2) 手持RFID設備中間件是基于WinCE平臺的MFC應用程序，一方面，它本身能直接控制讀寫器，對電子標簽進行讀寫操作；另一方面，它在后臺監測指定端口的通信數據，將應用層的數據采集請求轉化為控制命令，控制讀寫器對標簽進行操作，然后將執行結果返回給代理中間層，由它將結果進行處理后傳遞給數據處理層。

3) 代理中間件層功能類似于代理服務器，它為應用層提供一系列標準接口，以基于COM+標準的ActiveX控件形式嵌于Web頁面中運行。它自身處理部分應用層的業務或將應用層的業務請求交給手持RFID設備中間件處理，并將處理結果交給應用層。

4) 業務處理層是服務器上一系列Servlet模型以及內嵌于Web頁面的JSP、Javascript腳本組成，共同完成應用層的業務處理。

5) 應用層是服務于用戶的功能集合，它是整個系統對用戶的呈現。其中Android應用基于Android 2.3開發，C/S結構；Web應用采用MVC(model view controller)開發模式，運行于Internet Explorer10瀏覽器，B/S結構。應用層實現了MES系統中面向工作人員的生產管理、生產監控、數據追溯、質量跟蹤等功能。

c) 系統功能設計

制造過程數據采集與管理系統在MES系統構架下，提供零件整個生產過程監控，包括工段長派工、工人加工、零件裝配以及庫房管理等服務，并能處理智能手機設備端對制造過程數據查詢、回溯的服務請求。系統功能模塊如圖4所示。

圖4　系統功能模塊

各模塊的具體功能如下：

1) 車間權限管理：定義對車間人員的角色、權限，Web應用根據這些權限加載對應的功能菜單和工作頁面。

2) 標簽管理：負責處理標簽中記錄的信息。可以對新標簽內容進行初始化，并對回收的標簽進行重新格式化處理。

3) 制造單元數據采集與管理：處理制造單元的業務，包括零件的派工、加工數據合格性判定、零件的凍結、查看歷史加工數據以及提供當前加工工序的電子工藝文檔。

4) 裝配單元數據采集與管理：裝配單元也屬于制造單元，除了有一般制造單元的業務處理之外，該單元還對需要裝配的子件進行檢查核對，以判定子件是否存在缺失，錯拿等問題。利用RFID的多標簽識別技術，根據裝配的工藝信息，即可快速判定是否存在以上問題，縮短了裝配前的準備工作時間。

5) 庫房管理：該模塊對零件的出入庫進行登記、快速定位零件存儲位置、打印出入庫報表以及生成包含包裝箱信息的二維碼。

6) 移動設備應用管理：提供移動設備遠程數據追溯的服務支持。

4系統應用與實現

系統軟件包含3大部分，分別是Web應用、RFID中間件和Android客戶端。利用該軟件系統，借助RFID讀寫器和搭載Android操作系統的智能手機，模擬將射頻技術及二維碼應用于車間制造過程。模擬環境為QLM 27100龍門加工中心加工現場。硬件的RFID讀寫器采用成為公司的C5000U型號讀寫器，智能手機采用HTC G11。如圖 5、圖 6所示。

圖5　生產車間

圖6　手持射頻讀寫器

利用該讀寫器對附著RFID標簽的零件進行識別，即可快速獲取零件相關信息，包括物料號、計劃生產時間、當前工序號、加工工藝電子文檔等等，很大程度上提高生產效率。如圖7所示。

圖7　零件加工Web頁面

零件加工完成并經過檢驗后，系統自動將制造過程信息上傳，包括加工者、加工設備、加工數據等詳細信息。用戶能用Android智能手機掃描零件的二維碼，對加工過程數據進行追溯。如圖 8所示。

圖8　Android手機對加工數據進行追溯

5結語

利用物聯技術的車間數據采集系統，不僅使數據采集更實時準確，而且為生產計劃層提供生產能力的準確值。系統實現了對車間的業務管理、數據采集和數據追溯，既能提高企業的生產效率，也能促進朝著智能化、無紙化生產方式發展，有較好的應用價值和發展前景。系統的Web應用基于J2EE平臺，可在不同平臺的服務器上運行，具有良好的兼容性。Android手機應用還能與其他MES相關的軟件互補不足，組成功能更為強大的MES系統，有效解決ERP系統的不足，提高企業信息化水平和市場競爭力。

參考文獻:

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[3] 黃廣文. 基于RFID和EPC物聯網的水產品供應鏈追溯研究[D]. 廣州：華南理工大學，2011.

[4] 謝杏，林敏銳. RFID技術在離散制造業生產線的應用探索[J]. 中國自動識別術，2007，(3):45.

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

收稿日期：2014-01-27

中圖分類號：TP274+.2

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0098-04

作者簡介：聶志(1986-)，男，湖北武漢人，碩士，研究方向：制造執行系統。