數字化車間生產現場數據采集與智能管理研究

童 群

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數字化車間生產現場數據采集與智能管理研究

童 群

（慈興集團有限公司 浙江 慈溪 315300）

隨著科技的日新月異，以物聯網和計算機為核心的現代信息技術在工業制造業生產中占據著非常重要的地位。當前，多數制造業車間在管理模式和生產方式上缺乏自動化的信息交換技術，具有生產過程掌控性不高，數據采集不及時以及有效率地下等問題，很難能夠適應當前制造業信息化實時性的需求。因此，需要在制造業生產車間大力應用數據采集技術，如：傳感器技術、自動識別技術等，積極改善車間信息化管理的不足，推動數字化車間的建立。

數字化；數據采集；工業制造業

0 引言

工業制造業隨著中國經濟的快速增長迅速崛起，中國逐步由制造大國向制造強國邁進，對于制造企業而言，要想在全球制造業市場中占據制高點，提升我國制造業的國際地位，就必須要具備先進的信息化水平。以物聯網和計算機為核心的信息技術在我們日常生活和工作中占據的地位越來越重要，成為了當前世界各個領域都不可或缺的一項技術。而制造企業技術也以傳統的以人工勞力和機器為代表逐步向信息化技術時代過渡。制造業信息化就是說將信息技術、數據采集技術與現代管理技術有效結合起來，通過對這些技術的應用、信息數據的傳遞、集成和共享，以此來實現制造業車間現場數據采集的有效性，優化配置企業資源。

1 車間數據采集與系統采用的物聯技術

（1）車間數據采集分析

利用自動化設備進行數據采集。通過條碼讀寫器、RFID讀寫器以及嵌入式采集終端，運用光電磁、溫度等技術，自動識別信息載體，然后再通過系統內部解析系統，將獲取的數據信息傳送至指定位 置[1]。其中條碼讀寫器主要是在成品管理中進行應用，因為條碼是唯一的，一旦確定，成品內部的所有信息就確定了，因此對于動態的制造過程數據的存儲一般不使用條碼，通常是貼在產品的外包裝上，以此來實現對箱內物料的自動識別。而RFID標簽則具有容量大、存儲數字信息多樣化的特點，因此RFID讀寫器適用于動態和靜態數據的讀寫。

利用生成設備獲取數據。隨著數控伺服系統的大力發展，操作人員可以利用設備終端的借口來獲取所需的數據[2]。常見的設備終端有數控機床、加工機器人、PLC等。通過DCOM技術以及OPC標準能夠創建一個可相互操控的控制系統。利用OPC借口和一些軟件配置，通過上位機就可以直接對機床數據進行實時采集。

（2）物聯網RFID技術

作為物聯網數據采集的重要手段，自動識別技術包含射頻識別、條碼識別、光信號識別、卡識別等。在這些識別技術中，RFID是將計算機技術、網絡技術、無線通信技術等先進技術融合在一起，近幾年發展比較迅猛，取得了可喜的成效[3]。與其他技術相比，RFID技術具有較大的優勢，主要表現在：第一，識別精準度高，能夠在最短時間內對識別對象進行識別；第二，無線射頻技術不需要光源，能夠直接透過外部材料就直接對數據進行識別；第三，可以在不同形式、不同類型的產品上進行嵌入，而且還能夠實時跟蹤附有RFID標簽的產品并對其定位；第四，能夠同時識別多個物體，并且在信息碰撞和干擾的解決方法上具有靈活性；第五，具有信息存儲量大的特點，同時還能夠對動態數據進行存儲和識別。因此，RFID射頻識別技術在物聯網中具有非常重要的地位，是實現物聯網的核心技術。

2 制造過程數據采集與智能管理系統設計

（1）系統架構設計

基于數字化車間現場數據類型分析和分類的基礎上，對現場數據采集技術系統的構架進行了設計。該系統構架主要由車間層、數據層以及管理層三部分組成[4]。其中車間層主要是對車間生產現場數據進行采集和傳輸，其中主要的數據采集設備有：傳感器、RFID、加工設備等；數據處理層則主要是對車間生產現場所采集的數據進行整合集成，數據整合就是對車間生產現場數據進行關聯運算、統一建模、標準化封裝等程序處理。而數據集成就是就根據生產現場數據的特點和用途進行存儲，實現與其他系統對數據的共享；管理層則主要是根據車間生產需求，對數據庫里面的數據進行調取，并通過科學的分析，從而為管理層和決策者提供決策輔助 依據。

（2）系統軟件結構

本次數據采集系統的軟件結構包括：C/S和B/S兩種。

C/S（Client/Server）架構。也就是客戶端/服務器端的架構形式，是通過合理的設計后，將任務劃分為兩部分：由客戶端軟件在對用戶的大部分業務邏輯、圖像畫面等進行本地處理。客戶端要想提供訪問支持或是實現數據交換，就必須要建立在服務器與客戶端所使用的TCP/IP協議的Socket接口連接的基礎上，同時服務器軟件也可以處理用戶與其他客戶端之間的數據交換。通常，服務器軟件要想對多個客戶端的數據進行管理、存儲和共享，就需要與數據庫進行配合[5]。這種架構的優勢在于，在本地就可以對主要業務進行運行，減少了不必要的額外通訊開銷，并且響應速度很快。所以，客戶端能夠承擔起豐富功能以及多樣界面加載的重任。缺點是用戶要想與服務器進行數據交互就必須要安裝客戶端軟件，同時對客戶端的硬件要求非常高，系統維護起來不方便，如果服務器端軟件更新了新的功能，那么客戶端也必須要隨之進行更新，以此來適應服務器端的變化。

B/S（Browser/Server）架構。也就是瀏覽器/服務器架構。這種架構形式是基于信息技術基礎上，對傳統的客戶端/服務器端架構進行改進后的另外一種形式。其特點是用戶通過互聯網瀏覽器就能夠從服務器端獲得交互界面，在本地瀏覽器中能夠完成UI界面的更新工作以及部分事務邏輯，而服務器端則主要是處理主要事務邏輯，處理完畢后直接將新的交互界面傳送到用戶端，從而形成MVC（Model-View-Controller）結構，通過多種腳本語言和瀏覽器容器，就能夠通過服務器的處理能力對用戶的業務進行處理。而對于本地硬件以及相對復雜的業務邏輯則可以通過Active X控制來實現交互工作[7]。與C/S（Client/Server）架構相比，這是一種全新的軟件架構，其優勢在于客戶無需安裝客戶端軟件，只需要通過瀏覽器就能夠實現以往需要專門軟件才能完成的功能，對于客戶端的要求大大降低。如果瀏覽器應用發生改變，也不會給用戶造成任何的影響，大大提高了用戶的感知度。

（3）車間異構數據采集方案硬件設計

為了解決制造業企業車間生產現場異構數據采集的問題，根據生產車間數據的種類，分別采取自動識別技術、傳感器技術、加工設備物聯網技術等手段對車間生產現場數據進行采集。

1）自動識別技術。自動識別技術包括RFID技術、條形碼技術等，通過這兩類技術能夠對生產現場所產品所設計的信息數據進行識別。主要是物料采集、物料狀態、人員信息、設備信息以及零件加工信息等[8]。

2）傳感器技術。在車間生產過程中，外部環境會對產品的質量造成影響，傳感器技術就是通過車間工業以太網與數據服務器相連，對生產過程中的數據進行實時采集，并對車間的環境因素進行實時監控。主要是對生產過程中的溫度、濕度以及電磁等信息進行采集。

3）加工設備聯網技術

根據制造企業生產車間的實際情況，加工設備可以分為數控機床以及其他設備兩種；對于數控機床而言，目前數控機床的傳輸接口有以下三類：無通訊接口、串行口以及網口[9]；而其他設備，例如測試設備、熱處理設備等，其傳輸接口主要是以RS-232/RJ45為主，可以直接通過不同的采集器對車間生產現場的數據進行采集。

（4）系統物理架構設計

在數字化車間生產現場數據采集系統物理架構設計中，每個車間都有制造工作站、庫房等結構，各單元的硬件設備可以通過工業以太網的連接形成車間局域網，而車間局域網要想連接到公司主干網絡就需要通過與交換機相連，通過建立通信鏈路來實現車間層對上層ERP服務器、CAPP/PDM數據服務器以及數據采集器的訪問。其中，對于中間件提交的EPC碼的解析是由ONS服務器負責的，與互聯網域名解析DNS服務有異曲同工之妙[10]。對于RFID系統而言，ONS服務器能夠向中間件發出指令去訪問企業內部的服務器，而且這種服務器也算是指明了RFID中間件的產品存儲的相關信息。通過ONS服務器能夠實現開環應用系統對外協件的相關信息的查詢工作。作為數字化車間管理系統信息之間進行傳遞的橋梁，工作的下機位一方面為不同的用戶提供其所需的工業頁面，受理用用戶請求后進行提交，并對提交結果進行顯示；另一方面作為軟件中間件的載體，肩負著根據用戶指令發出控制底層硬件設備的命令，與底層設備進行連接，并將設備的處理結果反饋到上層數據處理器中[11]。而通過車間的無線網絡能夠使得用戶隨時能夠通過移動終端設備訪問企業內部網絡，同時，用戶通過手機的APP軟件，也可以通過3G網絡與管理服務器和數據采集器進行相連，方便用戶能夠隨時對車間現場數據進行采集，掌握車間的生產狀況。

3 結論

總而言之，將物聯網等現代化技術應用到車間數據采集中，構建智能化的數據采集系統，能夠確保數據采集的實效性和有效性，而且也能夠為企業車間管理層提供更為精準的生產能力數值。系統實現了對車間業務管理、現場生產數據采集以及數據分析、數據追溯等，在確保企業生產效率的基礎上，也促進了車間不斷向數字化、智能化的生產方式發展，具有廣闊的發展前景。本設計的核心技術為自動識別技術、傳感器技術以及加工設備聯網技術，通過這些技術能夠強化車間信息化管理的薄弱局勢，推動工業制造業車間更好地與時代接軌，以此來提升企業的信息化水平，提高企業的核心競爭力，幫助企業在激烈的市場競爭中走得更遠。

[1] 秦睿. 基于MES的離散制造車間生產過程數據采集系統研究[D]. 昆明理工大學, 2016.

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[3] 方燦娟. 基于物聯網的車間工作流管理系統研究[D]. 南京航空航天大學, 2015.

[4] 陳靜云. 車間物聯網數據采集關鍵技術研究[D]. 南京航空航天大學, 2014.

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[6] 徐楚橋. 基于物聯網的智能車間產品實時跟蹤監控系統開發[D]. 新疆大學, 2017.

[7] 陳靜云. 車間物聯網數據采集關鍵技術研究[D]. 南京航空航天大學, 2014.

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Research on Data Collection and Intelligent Management of Production Site in Digital Workshop

TONG Qun

(Cixing Group Co., Ltd. Zhejiang Cixi 315300)

With the rapid development of science and technology, modern information technology, centered on the Internet of Things and computers, occupies a very important position in the industrial manufacturing industry. At present, most manufacturing workshops lack automated information exchange technology in management mode and production mode. They have problems such as low control of the production process, inaccurate data collection, and low efficiency. It is difficult to adapt to the current real-time information of manufacturing informatization. Demand. Therefore, it is necessary to vigorously apply data acquisition technology in manufacturing workshops, such as sensor technology and automatic identification technology, actively improve the insufficiency of workshop information management, and promote the establishment of a digital workshop.

Digitization; Data acquisition; Industrial manufacturing

TP23

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.036

童群(1977-)，博士研究生，工程師，研究方向：機電一體化，自動化信息化，軟件，人工智能，智能制造技術，工業大數據。

本文著錄格式：童群. 數字化車間生產現場數據采集與智能管理研究[J]. 軟件，2018，39（8）：178-180