農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)研究—基于RFID和Hadoop云存儲

時　磊，魯華棟

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000)

0　引言

目前，大部分制造車間的管理層與生產(chǎn)車間缺乏信息共享機制，生產(chǎn)過程中車間調(diào)度缺乏實時性，無法滿足制造業(yè)需求。隨著科技的快速發(fā)展，數(shù)字化車間制造被廣泛應(yīng)用于各生產(chǎn)領(lǐng)域[1-5]，在數(shù)字化和制造業(yè)結(jié)合的基礎(chǔ)下，它將促進制造系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、快速、高效、柔性、敏捷和智能[6-9]。本文結(jié)合RFID技術(shù)和Hadoop云存儲的優(yōu)越性，根據(jù)農(nóng)機部件生產(chǎn)車間實際需求，設(shè)計了一套基于RFID和Hadoop云存儲的農(nóng)機數(shù)字化車間制造過程系統(tǒng)。

1　RFID關(guān)鍵技術(shù)及Hadoop云存儲

1.1RFID關(guān)鍵技術(shù)

RFID是21世紀(jì)逐漸發(fā)展的一種無源射頻自動識別技術(shù)，可以采用無線通信模式直接讀取目標(biāo)信息，整個過程均為自主完成，可以適用于各種復(fù)雜多變的工作場所，抗干擾性強。該技術(shù)能夠同時準(zhǔn)確采集到多個高速移動物體的載體信息，操作方便，自動化程度高，實時性強[10-14]。近年來，隨著無線定位技術(shù)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)已被廣泛用于物料跟蹤、運載工具、快遞單號識別、車牌識別、二代身份證、社會保障卡和公交卡等領(lǐng)域[15-19]。

RFID系統(tǒng)一般由標(biāo)簽、閱讀器和天線構(gòu)成。其中，標(biāo)簽裝載著芯片、射頻發(fā)射模塊和通信天線，并且擁有一個唯一存在的識別碼；閱讀器的作用是建立和標(biāo)簽之間的通訊機制，通過握手協(xié)議識別標(biāo)簽身份信息。RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1　RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含下面幾個方面[20-22]：

1)電子標(biāo)簽。其通過耦合元件和嵌入式芯片，根據(jù)同步時序模式完成與無線射頻信號的信息交換；其存儲了一定的標(biāo)示信息，通常安裝在被識別物品上，使用方便。

2)閱讀器。由電源、讀寫模塊、射頻模塊、天線構(gòu)成，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以非接觸方式實現(xiàn)與標(biāo)簽的通信，并將信息解碼發(fā)送給后臺服務(wù)器，也可以完成對標(biāo)簽的寫信息操作。

3)天線。負責(zé)電子標(biāo)簽與閱讀器之間信號發(fā)送與接收的電磁波，實現(xiàn)二者的無線傳輸方式。

RFID工作原理為：閱讀器向外發(fā)射信號，若有電子標(biāo)簽在其可識別范圍內(nèi)，標(biāo)簽信息會被讀取；通過解密、調(diào)制解調(diào)、加密、調(diào)價權(quán)限的方式，在系統(tǒng)發(fā)射區(qū)，若標(biāo)簽被讀取時，可以通過調(diào)制、解碼、解密對信號進行操作，進而對信號采取密碼、權(quán)限等工作，然后把信息發(fā)送給上層控制計算機。本文設(shè)計的RFID射頻識別系統(tǒng)實際應(yīng)用圖如圖2所示。

圖2　RFID射頻識別系統(tǒng)實際應(yīng)用圖

1.2Hadoop云存儲架構(gòu)

Hadoop包含很多元素，主要由高速計算框架Map Reduce與分布式HDFS構(gòu)成。Hadoop之所以被廣泛應(yīng)用，主要是因為其在數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)換、加密和解碼具有其他存儲平臺無法比擬的優(yōu)勢，用戶能夠結(jié)合自身需求對其進行裁剪，采用分布式數(shù)據(jù)處理算法建立開發(fā)批處理數(shù)據(jù)操作的應(yīng)用平臺，平臺管理人員能夠根據(jù)Hadoop集群實現(xiàn)任務(wù)的高效動態(tài)分配，高效完成任務(wù)目標(biāo)[23-25]。分布式架構(gòu)HDFS將處理引擎最小限度地靠近存儲器，方便批處理結(jié)果可以直接存儲；而高速計算框架MapReduce將單個任務(wù)進行細分，并將細分完成的任務(wù)(Map)分配到多線程任務(wù)節(jié)點上進行計算，最后再將數(shù)據(jù)集加載到數(shù)據(jù)倉庫里。另外，Hadoop具有高可靠性和高容錯性等優(yōu)點。Hadoop結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

2　搭建農(nóng)機數(shù)字化車間設(shè)備環(huán)境

數(shù)字化技術(shù)以計算機、信息處理與存儲、通信等為技術(shù)手段，具有處理迅速、信噪比高及便于數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)處理、后臺查詢等優(yōu)勢，為各領(lǐng)域技術(shù)改造與創(chuàng)新提供了新的策略。在數(shù)字化和制造業(yè)結(jié)合的基礎(chǔ)下，根據(jù)用戶的所需要求，對產(chǎn)品制造、工藝流程和客戶信息進行高效的分析和重構(gòu)，對產(chǎn)品進行改進，生產(chǎn)出滿足市場和客戶需要產(chǎn)品的制造過程[26]。數(shù)字化模式下加工車間架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　數(shù)字化模式下加工車間架構(gòu)圖

數(shù)字化車間是采用數(shù)字化先進制造控制技術(shù)對生產(chǎn)制造實施改進的一種模式，其一般是利用控制和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配、質(zhì)量檢測和售后等進行跟蹤，實現(xiàn)縮短新產(chǎn)品生產(chǎn)周期、節(jié)省成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量等目標(biāo)[27]。數(shù)字化車間一般會進行精準(zhǔn)的層次劃分，使企業(yè)工作人員在不同階段具有不同的崗位責(zé)任。一般情況下，數(shù)字化車間會分為車間、生產(chǎn)線、加工單元及操作等層，其框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　數(shù)字化車間框架結(jié)構(gòu)圖

1)車間層：通過對車間各種機器、配電設(shè)施及水電管道進行布局分析，合理規(guī)劃面積和空間，注重給車間技術(shù)工人配備分析工具，提高工人的工作效率。

2)生產(chǎn)線層：重視生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，嚴(yán)格控制不良率，注重降低成本，輔助工程師分析生產(chǎn)線布局是否合理化、規(guī)范化，消除物流阻塞，對技術(shù)人員進行指引，提高機器設(shè)備利用率。

3)加工單元層：協(xié)調(diào)設(shè)備間及各自內(nèi)部運動問題，幫助工藝規(guī)劃技術(shù)人員對精簡控制指令。

4)加工操作層：分析具體工序，完善加工流程。

3　農(nóng)機數(shù)字化車間軟硬件選擇與設(shè)計

3.1閱讀器和電子標(biāo)簽的選擇設(shè)計

1)閱讀器。一般來說，RFID 閱讀器具有低、高、超高及微波等頻段。其中，低頻閱讀器讀寫距離短、數(shù)據(jù)傳輸比較慢、內(nèi)存空間不足，一次只能對一個電子標(biāo)簽進行信息的讀寫；高頻標(biāo)簽技術(shù)較為成熟，但其讀寫距離、速度遠不及超高頻標(biāo)簽；超高頻RFID閱讀器讀寫速度快、距離遠、通信協(xié)議強，能夠適合各種復(fù)雜環(huán)境，適用于流水線作業(yè)，是未來車間生產(chǎn)管理采用的趨勢[28]。

因此，本項目采用北京芯聯(lián)公司的SLR5100讀寫模塊。該模塊塊采用先進的RFID專用射頻芯片設(shè)計，工作頻率在920～925MHz之間，最大射頻輸出功率+30dBm(1W)，工作功耗低，抗干擾能力強，支持高達30dBm的射頻輸出，非常適用于遠距離讀卡的移動設(shè)備。軟件方面提供 Windows 、Windows mobile、Windows CE、Android操作系統(tǒng)下的 API。閱讀器模塊如圖6所示。

圖6　SLR5100閱讀器模塊實物圖

2)電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽采用采用上海孚恩公司的ISO15693高頻標(biāo)準(zhǔn)卡，該電子標(biāo)簽采用非接觸方式進行信息的傳輸(無需電池供電)，操作距離為0～100cm，能夠允許多個標(biāo)簽同時讀取，每個芯片具有唯一的標(biāo)識符，適用于工廠生產(chǎn)線工序流程管理和工廠生產(chǎn)線工序流程管理。

3.2云平臺設(shè)計

為了將農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)采集到的信息根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)進行有效的處理，將采集到的農(nóng)機制造信息傳送給Hadoop云計算平臺進行分析處理，其可以實現(xiàn)對農(nóng)機數(shù)字化車間個生產(chǎn)流水線及線邊物料的管理、庫存物料的查詢和及預(yù)警功能。Hadoop云存儲結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7　Hadoop云存儲結(jié)構(gòu)模型

4　農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)設(shè)計

4.1 農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)框架設(shè)計

數(shù)字化車間制造系統(tǒng)包括研發(fā)、采購、生產(chǎn)線管理，工藝流程、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤和后臺管理服務(wù)平臺。對于數(shù)字化的理解，主要是三維設(shè)計或者三維工藝，應(yīng)該先是指定計劃，然后是農(nóng)機數(shù)字化車間執(zhí)行、跟蹤、數(shù)據(jù)采集及排產(chǎn)等，接著就是銷售和售后跟蹤服務(wù)。針對農(nóng)機數(shù)字化車間制造，一般需要采用技術(shù)追溯，并對生產(chǎn)制造過程進行全程管控，利用分析產(chǎn)品制造過程中的各種要素的實時信息，對異常事故進行及時反饋和快速處理。數(shù)字化車間制造系統(tǒng)整體框架如圖8所示。

圖8　數(shù)字化車間制造系統(tǒng)整體框架圖

數(shù)字化車間制造系統(tǒng)的核心是APS排產(chǎn)、質(zhì)量、試驗、計劃、車間調(diào)度、資源齊套、車間執(zhí)行、車間物料、工裝工具及綜合看板等管理。

4.2農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)軟件選用C/S模式的體系結(jié)構(gòu)，主要包括服務(wù)器、客戶終端和Internet。其中，服務(wù)器的任務(wù)是保證各個數(shù)據(jù)庫的安全、控制數(shù)據(jù)庫訪問并發(fā)性；客戶終端是為了讓客戶體驗產(chǎn)品完整的全局?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)；Internet是為了完成各服務(wù)器、終端之間的通信。農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖

5　主要性能測試與結(jié)果分析

為了測試農(nóng)機數(shù)字化車間制造系統(tǒng)是否滿足農(nóng)機配件的生產(chǎn)管理及驗證該系統(tǒng)的可行性和有效性，本文對分布式數(shù)據(jù)對比引擎性能進行了測試。由于分布式數(shù)據(jù)比對引擎是自動進行的，在設(shè)置號對比方法后，系統(tǒng)會導(dǎo)入所需對比信息，然后分批次進行對比。分布式數(shù)據(jù)測試方法和對比結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1　測試方法

續(xù)表1

表2　對比結(jié)果

測試結(jié)果表明：基于基于RFID和Hadoop云存儲的農(nóng)機數(shù)字化車間制造過程系統(tǒng)實現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)對比引擎功能，并且可以支持5萬目標(biāo)對比數(shù)的對比。對比結(jié)果數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求，證明了該系統(tǒng)的有效性和可行性。

6　結(jié)論

本文重點分析了RFID技術(shù)和Hadoop云存儲的工作原理及其優(yōu)越性，然后根據(jù)農(nóng)機部件生產(chǎn)車間實際需求，設(shè)計了一套基于RFID和Hadoop云存儲的農(nóng)機數(shù)字化車間制造過程系統(tǒng)。系統(tǒng)有效結(jié)合了RFID和Hadoop云存儲技術(shù)，應(yīng)用于車間生產(chǎn)線信息的跟蹤檢測與控制，提高了制造數(shù)據(jù)的實時性與準(zhǔn)確性，對未來數(shù)字化生產(chǎn)車間具有及其重要的作用。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)實現(xiàn)了分布式數(shù)據(jù)對比引擎功能，并且可以支持5萬目標(biāo)對比數(shù)的對比，對比結(jié)果數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求，證明了該系統(tǒng)的有效性和可行性。

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