基于物聯網的車間制造系統實時信息提取與控制*

劉旭東 ，孫文磊，崔權維

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊　830047)

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基于物聯網的車間制造系統實時信息提取與控制*

劉旭東 ，孫文磊，崔權維

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830047)

摘要：激烈的競爭環境以及信息技術的迅速發展促進了企業車間數字化制造系統的不斷升級，文章提出了一種基于車間制造執行系統實時信息提取與控制方法。主要包括網絡DNC模塊，管理模塊，監控模塊和統計分析模塊的功能，詳細地闡述了各個模塊的工作原理，并將它與現有的其他系統做了比較說明。該系統以物聯網技術為基礎綜合了“數字化工廠”與MES系統的優點，極大地提高了產品生產過程中的透明性和可控性。

關鍵詞：物聯網；實時信息 ；制造執行系統；信息提取

0引言

智慧工廠的迅速發展和工業4.0的蓬勃興起使得現代制造業正經歷著一場巨大的產業革命。Internet在改變信息傳遞方式的同時也改變著企業組織管理方式，使以滿足全球化市場用戶需求為核心的快速、智能化制造活動成為可能。從制造業信息化進程可看出，隨著物聯網技術、信息技術、計算機技術的迅速發展，未來的制造業在某種意義上將成為一種信息產業，信息將成為制造業的決定因素，用信息技術促進未來制造業已成為時代潮流[1]。以物聯網為基礎的數字化工廠和MES(制造執行系統)就是信息技術與車間生產管理相結合的典型代表。但現有文獻中所提到的“數字化工廠”其實質往往更傾向于“虛擬制造”，是產品計劃、設計、模擬生產以及管理全過程的協同工作[2-4]，而“車間制造執行系統”更側重與對車間真實產品生產過程的管理[5-6]。基于實時信息的車間制造執行系統(Based on the Real-time information MES, BRTI-MES)綜合了“數字化工廠”和“制造執行系統”的各方面優點，使得產品在整個生產制造過程中透明度更高，可控性更好。

1國內外研究現狀

目前，國內外的制造企業都積極地將資金投入到物聯網研究的各個環節中，利用數字化制造提升企業綜合競爭力已經成為全球制造企業的共識。基于物聯網的數字化制造技術的研究也已成為國內外相關領域的研究熱點。制造執行系統(MES系統)是美國AMR公司在20世紀90年代初提出的，目的在于加強物料需求計劃MRP的執行功能，把MRP計劃同車間作業現場控制，通過執行系統聯系起來[7]。Tecnomatix 公司 CAPE 軟件 eMPower 是對一個完整的工廠從生產線、加工單元到工序操作的所有層次進行設計、仿真和優化的集成計算機環境[8]。它的目標主要是生產計劃、工藝管理、生產過程組織等領域的設計和優化問題。我國對物聯網尤其是MES的研究起步較晚，在理論方面目前主要停留在對其內涵及有關單一技術(如工序調度)研究方面。在制造執行系統應用方面，大多側重于軟件開發及其建模，而且應用水平基本只達到MES技術的早期階段(專用MES和集成化MES)，也缺乏具體實際工程應用研究。與西方發達國家相比，無論是在技術深度與應用廣度上都存在較大差距[9]。

2BRTI-MES體系結構

基于實時信息的車間制造系統位于企業的執行層，是上層計劃層 MRPII/ERP 和底層設備控制系統 (Device Control System, DCS)之間的橋梁[10]。上層計劃層綜合PDM數據向制造執行系統傳遞指令任務和物料信息，包括工藝BOM，工藝規程，設計圖紙，生產計劃，工時定額等。制造執行系統通過有效地利用、控制和管理信息流、工作流和資源流，實現組織內所有成員之間的資源共享和高度協同工作，實時向計劃層反饋任務執行結果和物料使用信息等。底層控制系統通過DNC(Distributed Numerical Control)解決數控機床在企業中“信息孤島”的地位,實現數控機床內資源信息的共享。BRTI-MES通過與DNC接口向DNC下達任務指令，再由DNC分發到各單位機床執行操作。DNC向BRTI-MES實時反饋指令下達成功與否、產品的加工狀態以及設備信息。BRTI-MES的體系結構如圖1所示。

圖1　BRTI-MES體系結構

3BRTI-MES與現有MES系統之間的比較

現有的MES系統其關注的信息主要是通過物聯網底層的感知與標識技術對半成品或成品的信息以掃描或感知等方式得來的數據，中間人為干預的環節較多，使得生產過程中的不可控因素增多。在一個生產企業中，MES的主要功能是對所有成品或半成品包括原材料在內的信息通過統一掃碼進行信息統計，并匯集成最終信息將其制成最終條碼以達到對成品的生產過程的監控作用。在整個過程中，MES發揮的指導，監控作用較為微弱。基于實時信息的制造執行系統則相對地對整個設計，生產，監控，分析過程有較全面的作用。計劃層和執行層可以實時通話，對產品設計圖紙和工藝以及生產計劃等可以隨時更改，以求最優化生產。底層控制層則實時向上反饋產品加工狀態和各種設備信息，務求使計劃層實時的掌控全局。

4BRTI-MES的構成與實現

基于實時信息的車間制造系統是由網絡DNC模塊，管理模塊以及監控模塊和統計分析模塊組成的。網絡DNC模塊處于物聯網的數據層，主要負責底層數據的采集和上層指令的傳送。管理模塊處于物聯網的控制層，是對所有的PDM數據和信息流、工作流和資源流進行綜合控制和協調管理，以達到資源的最優化利用和企業利益最大化。監控模塊和統計分析模塊屬于物聯網的知識層，是將采集到的數據結合其他PDM數據進行綜合、分析、對比、反饋，是計劃層了解生產和管理狀況的依據，也是計劃層進一步優化管理的數據和理論支撐。下面將對上述模塊進行逐一詳細地介紹。

4.1網絡DNC模塊與實現

DNC又分為DNC采集模塊、DNC通信模塊和DNC管理模塊。DNC標準數據采集模塊為大規模多級分布式采集架構,采用這樣的系統接口組成結構后,無論是網卡采集的機床,還是利用傳感器進行采集的機床,或者是直接使用串口代碼反饋的機床,都可以將采集到的數據寫入統一數據庫中,并在計算處理后提供給BRTI-MES使用[11]。BRTI-MES將指令計劃通過BRTI-MES與DNC接口傳送給DNC系統，再由DNC管理模塊將NC程序傳遞給DNC通訊模塊。當DNC通訊模塊向機床傳遞失敗時會及時通知DNC管理模塊。其通訊模型如圖2所示。

圖2　DNC模塊通訊模型

網絡DNC模塊主要負責任務的傳輸與在線監控，上層指令可以通過選擇發送、選擇自動、選擇停止、選擇重啟、發送文件、斷點續傳、接收文件、自動傳輸、終止傳輸、繼續傳輸、暫停傳輸等功能安全及時抵達接受終端。在生產任務重、數控加工量大的情況下可以降低企業主干網絡的負擔，并保證數控機床能夠及時獲得加工所需數據；消除了網絡擁堵造成的機床下載遲滯問題以及企業主干網突發中斷造成的加工中斷問題；獲得了生產加工數據的多級冗余，保證了企業數據安全。在線檢測能將機床的生產狀態及時地反饋給BRTI-MES，為BRTI-MES的工序加工計劃提供可靠依據。模塊界面截圖如圖3所示。

圖3　網絡DNC模塊界面截圖

4.2管理模塊與實現

管理模塊主要是對與產品相關的各種PDM數據進行管理，主要管理對象為人員，任務流，產品設計圖紙(2D或3D)，工藝文檔以及零件與裝配件等。人員管理對企業中的每個人都設定了扮演的角色、所屬部門以及所有權限。通過人員管理，每一個特定的零部件、裝配件或一項特定的任務只有指定的人或部門可以參與、查看或修改，從而可以大大提高產品生產效率和資料安全性。零件和裝配件管理向人員管理傳輸相應信息，包括圖紙、工藝和裝配情況等信息。任務管理向人員管理反饋任務執行情況，使得計劃層可以實時了解生產情況，也可以實時修改生產計劃以達到市場或客戶要求，最大限度地優化資源配置、節約成本。零件和裝配管理與任務管理相互反饋圖紙、工藝、文檔和生產裝配等信息，二者將實時更新的數據及時相互反饋以避免因市場需求變化帶來的生產過剩或生產錯誤等不利因素的產生。DNC模塊數據采集是基礎，采集到的數據準確、及時地反饋給BRTI-MES管理模塊使其內部成員之間資源共享和高度協同工作。其邏輯模型如圖4所示。

圖4　管理模塊邏輯模型

每一個零件或裝配件都有圖紙列表、工藝文檔、3D文檔和零件DNC文檔等對象信息，當新的計劃生產的零件或裝配件已經存在時可以直接將相關信息調出并下傳DNC開始作業，有效的節約了人力成本和時間成本。通過一定的權限對每個對象都可以執行導入、導出、借用、刪除、編輯修改、打印、發布、增加下級、復制、剪切等操作。例如以序號、名稱、文件狀態、文件類型和文件大小的格式顯示的圖紙， 2D或3D的圖紙都可以直接在線瀏覽查看。如果市場需求或設計要求有所變化，管理人員可以實時地對圖紙進行修改、完善，并對其對應的工藝文檔和NC程序等做出相應的調整，從而在很大程度上提高了底層制造一線對市場變化的應變能力。人員管理與零件和裝配件管理之間的互動讓任務的可控性更好，在按程序有條不紊執行的基礎上使得人力資源的優勢進一步得到發揮。模塊界面如圖5所示。

圖5　管理模塊界面

4.3監控模塊和統計分析模塊與實現

統計分析的對象包括設備監控、設備日志、統計圖標、對比分析、效率報表、設備故障等。BRTI-MES通過設備監控與數據采集功能收集了大量的實際生產過程信息，并將這些信息存儲于后臺統一的數據庫中，這些存儲的大量數據一方面反映了企業當時的實際運行狀況，另一方面又形成了一種寶貴的信息資源，通過這些信息資源可以有效地對企業的生產運行過程進行分析研究，并在研究的基礎上加以改善。

通過設備狀態監控與信息采集將當天參與和未參與生產的的設備按編號、名稱、狀態、類型、日期、操作者等信息制成統計圖表并形成設備日志，將設備日志存檔，有故障的設備及時報修。統計圖表實現對數據庫中各種數據的分類匯總和統計分析，結合先進的設備管理理論模型計算用戶關心的統計指標，完善計劃管理和設備管理方法，輔助決策。統計之后的數據及時存儲到系統數據庫中形成效率報表并存檔，將分析結果和效率報表一起上傳給BRTI-MES管理模塊供其做出有利的判斷去執行下一步操作。維修管理向BRTI-MES管理模塊反饋設備維護情況，BRTI-MES管理模塊根據設備故障和維修情況給維修模塊下發進一步的維修計劃，通過二者的協調管理實現“設備的綜合效率最高”的技術指標。統計分析模塊流程圖如圖6所示。

圖6　統計分析模塊流程圖

設備監控是將設備統一編號、命名、分類，監控其當前狀態和操作者等信息。采集到的數據以設備編號、設備名稱、班次、開始時間、結束時間、開機率、利用率的格式制成統計圖表，同時形成生產、運行、報警、通訊等設備日志和工作曲線。設備日志存檔，并和統計圖表一起存入數據庫為對比分析和效率報表提供數據支持。把數據按設備編號、設備名稱、組別、設備類型、班次、開機率、利用率、開機時間、加工時間、待機時間等重新整合后做對比分析，將分析結果形成效率報表上傳BRTI-MES管理層輔助其決策。模塊界面如圖7所示。

圖7　統計分析模塊界面

5總結

BRTI-MES系統是國內物聯網產業發展的新航標。它是上層計劃層與底層控制層聯系的關鍵，其作用在于收集生產中大量的實時數據，與計劃層和控制層保持雙向信息通訊，實時處理生產過程中出現的突發狀況，消除企業信息流的斷層現象，是對整個生產過程的優化。BRTI-MES系統在實現產品數字化制造，提高產品制造能力，縮短產品制造周期，降低制造成

本方面效果顯著，從本質上提高了企業競爭能力。

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(編輯李秀敏)

The Real-time Information Extraction and Control of Workshop Manufacturing System Based on IOT

LIU Xu-dong ,SUN Wen-lei，CUI Quan-wei

(School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047,China)

Abstract：The increasingly fierce competitive environment and rapid development of information technology have promoted the development of digital manufacturing system of enterprises, this paper proposed a kind of real-time information extraction and control method which based on the manufacturing execution system. In this paper we introduces the function of Netwok DNC Module, Management Module, Monitoring Module and Statistical Analysis Module which make up the whole system, expounds the working principle of each module in detail, and compares it with other existing systems systematically. This system which based on the internet of things takes advantages of the "digital factory" and MES, and improves the transparency and control in the production process greatly.

Key words：internet of things (IOT);real-time information; MES; information extraction

中圖分類號：TH165;TG659

文獻標識碼：A

作者簡介：劉旭東(1987—)，男，甘肅定西人，新疆大學碩士研究生，研究方向為基于實時信息的車間制造系統，(E-mail)linhushouqiu@126.com；通訊作者：孫文磊(1962—)，男，烏魯木齊人，新疆大學教授，博士生導師，研究方向為制造業信息化關鍵技術與軟件開發，(E-mail) sunwenxj@163.com。

*基金項目：新疆科技重點專項項目(201130110)；新疆科技支疆項目(2013911032);新疆維吾爾自治區高技術研究發展項目(201513102)

收稿日期：2015-04-17

文章編號：1001-2265(2016)03-0154-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.043