機械加工行業數字化車間的開發與研究

劉書倫　申玉霞

摘? 要：針對濟源市機械加工企業生產中存在的問題，構建了機械加工行業數字化車間管理系統，提出了具體的APS高級計劃排程，并利用RFID結合KW21Z技術具體設計出了制造車間物聯網系統平臺，研究開發適應機械加工行業車間生產特點的數字化車間管理系統，實現機械加工行業生產過程的數字化，全面提高車間生產效率，優化生產工序，降低了物料消耗和企業成本，促進了信息化和工業化深度融合。

關鍵詞：機械加工;RFID;KW21Z;數字化;APS

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）31-0099-03

Abstract： In view of the problems existing in the production of machining enterprises in Jiyuan City， the digital workshop management system of machining industry is constructed， and the concrete APS advanced planning and scheduling is put forward. By using RFID and KW21Z technology， the system platform of Internet of things in manufacturing workshop is designed， and the digital workshop management system which adapts to the production characteristics of machining industry is developed to realize the digitization of production process in machining industry. It comprehensively improves the production efficiency of the workshop， optimizes the production process， reduces the material consumption and enterprise cost， and promotes the deep integration of information and industrialization.

Keywords： machining; RFID; KW21Z; digitization; APS

1 概述

隨著濟源市經濟的發展，濟源市的機械加工企業數量增長較快，逐步形成了規模化。這些變化促使傳統機械加工工藝大規模地向高效率、高精度的數控工藝改進，企業技術部門利用數控機床編制了大量的數控加工程序。與此同時，這些加工程序的管理問題與數控設備通信的方面存在的問題也逐漸暴露了出來，嚴重影響數控設備優勢的發揮。為此，各公司也制訂了多個企業標準進行規范，但從管理技術角度來看，這些管理方法明顯落伍，不能適應現代化生產模式。企業迫切需要用新的管理技術來解決這一棘手問題，特別是希望依靠數字化技術，來達到事半功倍的效果，實現國家倡導的以數字化智能化帶動工業化的戰略[1]。

隨著信息化技術、物聯網技術和數控技術等技術的不斷發展以及與制造業的不斷結合，能充分體現并實踐“兩化融合”概念的數字化車間建設應成為當前制造業的建設方向[2]。數字化車間的研究與實施都處在快速發展的階段，受到了社會各界的高度重視。數字化車間是數字化技術在制造與加工車間集成數字化應用而形成的一種新型車間的管理模式。既從數字化的產品設計，產品檢驗，生產組織管理等方面入手，將制造與加工車間中的數字化設備與生產管理的信息進行集成。從整體上改善生產的組織與管理，提高車間設備的生產效率。

本研究針對濟源市機械加工企業生產中存在的問題，構建了機械加工行業數字化車間管理系統，針對機械加工行業數字化車間等典型的離散類制造車間進行分析，提出了具體的APS高級計劃排程，并利用RFID結合KW21Z技術具體設計出了制造車間物聯網系統平臺，研究開發適應機械加工行業車間生產特點的數字化集成管理系統，實現數控化的生產設備的互聯與集中監控、分散式加工任務集中批量處理，面向訂單的計劃排產及車間生產資源管理，實現了機械加工行業生產過程的數字化，全面提高車間生產效率，優化生產工序，降低了物料消耗和企業成本，促進信息化和工業化深度融合。

2 系統總體設計

數字化車間系統的最終目標是基于物聯網技術建立一個基于原有制造與加工車間設備的數字化車間，該系統能協助管理人員便捷的以圖形化的方式科學規劃車間生產布局、生產流程等，數字化車間的模型建立后可以進行生產調度仿真、模擬仿真各種生產調度方案、驗證各種生產布局與生產調度方案的優劣，使數字化車間在項目投產前得到充分地實驗論證。投產后，數字化車間系統可以和企業既有ERP系統緊密結合，輔助管理人員高效率管理生產過程各個環節[3]。

本文提出了如下數字化車間管理系統的建設方案，使用觸控輸入設備對車間的各類生產信息進行采集，通過設置不同工位的RF卡讀取設備以及條碼識別設備實現對零件和人員的快速識別，并通過對MES等數字化系統的集成，構建能夠處理全局數據的數據庫管理系統，實現各系統的同步更新，從而完成對車間人員、零件、設備、工具工裝等的控制功能，并通過數據庫的邏輯運算功能實現對不同類型的數據的分類收集與存儲，從而保證這種全局的數據庫存儲信息可以用于車間不同部門的管理與控制。如車間生產計劃的維護、生產調度管理等。

數字化車間的應用要處理好企業計劃層和車間控制層之間的斷層問題。斷層問題的核心是數字化車間的生產調度問題，本課題參考國內各類研究成果引入了車間制造執行系統（Manufacturing Execution Systems， MES），MES系統的研究核心就是車間生產調度問題，生產調度主要負責對企業下發的生產任務進行詳細計劃排產，再通過分配可用生產要素資源對生產任務進行合理調度，為了保證生產執行時間和生產成本的達到最優，依據原材料加工順序和加工時間對生產任務進行調度，通過對生產任務的合理調度，很好地控制數字化車間的生產節奏。本課題結合數字化生產車間實際需要，按照車間現有的生產模式研究和實現了基于APS高級計劃排程的車間生產調度系統，用APS自動計劃排程技術來實時指導車間生產，通過APS高級計劃排程很大程度提高了數字化車間的生產效率，具有很高的實用價值[4]。

3 關鍵技術

（1）APS高級計劃排程

APS高級計劃排程被認為是通過如遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法和神經網絡等啟發式算法來解決生產制造商生產計劃排程問題的技術，目前國內最新的ERP系統已經集成了APS計劃排程系統。APS計劃排程工作時需要跟企業ERP系統進行交互并獲得一個協同的工作流。APS計劃排程工作過程是采用自動計劃排程與人工計劃排程相結合的方式，管理人員通過APS計劃排程系統能夠更方便制定生產排程計劃，能夠更輕松應對數字化車間的復雜生產與執行狀態情況，管理人員可以憑借生產管理經驗接受、修改或拒絕接受APS自動計劃排程系統自動生成的排程結果。APS計劃排程系統與其它的輔助生產管理的系統的關系如圖1 所示。

（2）RFID射頻識別技術

RFID射頻識別是一種無線自動識別技術，它通過無線射頻自動識別目標物體并獲取目標物體數據，自動識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣的工業生產環境。RFID射頻識別還可以識別運動的物體并且可以同時識別多個目標物體，操作方便快捷。RFID短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的工業生產環境，可在這樣的環境中替代條碼與二維碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤目標物體。遠距離射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如高速公路ETC不停車收費系統和園區車輛管理系統等。

（3）基于 KW21Z微控制器的Zigbee組網技術

ZigBee和藍牙技術一樣是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信技術。其特點是低成本、低功耗、成本低、時延短、網絡容量大、可靠性高。主要適合用于自動控制和無線控制領域，可以嵌入各種硬件設備。主要應用在工業4.0、智慧農業、智慧醫學、智能汽車、智能家居、智能樓宇、消費和家用自動化市場以及智慧城市方面等。

KW21Z是一款超低功耗、高集成度的單芯片器件，KW21Z無線MCU集成了一個2.4GHz收發器，支持O-QPSK調制，一個Arm? Cortex? -M0+處理器，高達512KB閃存和128KB SRAM，802.15.4分組處理器，硬件安全和外圍設備，優化后滿足目標應用的需求。KW21Z是單芯片Zigbee器件的理想解決方案，主要用于工業無線控制、家庭與樓宇控制、消費電子、電力與能源、智能計量設備無線連接等領域。

（4）條碼識別技術

早期的數字化車間存在生產效率低下，企業ERP系統無法及時得到數字化車間數據、車間倉庫運行效率低，數據不精確、無法追溯產品的各類信息等。通過借助條碼識別系統， 有效的管理人員、工單、部件、半成品、產品、工序及生產過程等信息。通過條碼掃描技術， 對機械加工產品的生產過程進行識別、跟蹤與記錄，減少人工輸入產品信息導致的錯誤，提高企業生產過程信息的完整性、安全性與可追溯性。

4 系統實現

建立基于瀏覽器/服務器架構的數字化車間集成平臺，可以實現數字化車間的辦公管理、綜合管理、生產管理、訂單管理、庫存管理、材料管理、檢驗管理、設備管理等。