基于物聯網技術的離散型制造系統研究*

左延紅 張克仁

(①安徽建筑大學，安徽 合肥230601;②合肥工業大學機械與汽車學院，安徽 合肥230001)

21 世紀的制造業，隨著經濟全球化和國家化程度的日益提高，市場呈現產品種類多、交貨時間短和性價比高的特點，促使著傳統的制造業向著多品種、小批量生產的離散型制造方式轉變。企業管理模式的變革，在一定程度上提升了產品的研發能力和企業管理水平，但依然面臨無法實現制造過程內外部資源實時綜合協調控制和制造過程可視化、實時化、精細化管理等諸多問題［1］。物聯網技術的應用為解決上述問題提供了使能工具和平臺。

1 離散型制造技術及其特點

1.1 離散型制造技術

根據產品采用生產類型的不同，制造業從整體上可分為連續型和離散型兩種。離散型制造企業是一個國家制造業的重要組成部分，也是一個國家的經濟支柱。相對于連續制造，離散型制造業主要從事多品種、小批量生產，適合于面向訂單的生產組織模式，代表行業有機械加工、電子設備制造業、汽車和服裝等。在離散型制造企業中，一個產品的制造過程由以下幾個部分組成:生產計劃的制定、生產用料的采購、物資的存儲、零部件的制造、產品的裝配與包裝及產品的銷售。在產品的制造過程中設計到計劃制定、生產管理和生產加工3 個層次，其中生產管理又包含有:物資管理、人員管理、設備管理和質量管理等，因此離散制造過程是一個復雜的過程。

離散型制造又是一項系統性工程，產品的生產過程需要企業的每個部門相互配合和支持，如在生產過程中生產計劃的變更、技術資料的完善、生產順序調整等等，需要各部門間數據的交流、信息的及時反饋和溝通。

1.2 離散型制造系統的組成

企業無論大小，均有自身的業務流程、管理系統和企業組織3 部分。對于離散制造型企業，業務流程即為產品的制造過程，主要有:生產用料采購、物料儲存、零部件加工、裝配、產品銷售等。對主要制造過程的管理由以下幾個管理系統完成:采購管理、倉庫管理、生產過程管理和銷售管理等。為有效完成企業業務過程產生了其他輔助職能管理系統，如:財務管理、質量管理、人事管理等。所有的管理執行都由人來完成，知識合理、職責分明的人被配置在不同部門中，就形成了企業的組織結構。

如圖1 所示為安徽省典型的離散型制造企業江淮汽車股份公司制造系統的組織結構，該公司為國有大型汽車制造企業，下屬發動機分公司、底盤分公司商務車分公司和乘用車分公司等近10 個子公司，擁有職工2 萬余人。該公司根據市場需求生產客車、商務車、乘用車和卡車等各種類型汽車，以及為本公司和其它汽車行業提供發動機、車橋和汽車底盤等主要汽車零部件。在同一時間里，公司從事不同品種的產品制造，因此屬于典型的離散制造企業。

從圖1 可以看出，江淮汽車股份公司有多個生產不同產品的分公司組成，各分公司從事不同產品的制造。每個分公司具有技術部、制造部、市場部、供應部等多個職能部門，每個部門均有不同的科室或不同的制造車間(如制造部)，制造車間具有多個加工班組和制造單元，制造單元是企業最小的構成單位，由加工設備和操作員工組成。在該公司的制造系統中，以物流、能量流和信息流為紐帶，實現2 萬余名員工和1 萬多臺不同設備的有序、高效生產是提升企業市場競爭力的前提。

1.3 離散型制造系統的特點

離散型制造的突出特征是多品種、小批量的生產，很難采用連續制造中流水線生產方式。在某一時間里:離散型生產企業的管理部門在按計劃生產的同時，根據市場訂單制作新的生產計劃;生產線同時生產不同品種的產品和對新的生產計劃安排生產調度;各生產輔助部門在修改完善在制產品技術資料的同時，制定、準備新產品的技術資料。從以上可以看出，離散型制造企業的制造系統屬于復雜的系統性工程。不同的部門、設備和不同的員工同時在進行著不同產品或工序的生產加工，不同的設備和員工在生產時將產生大量的生產數據和制造信息，這些數據和信息都要經過加工整理傳送給管理部門，并接受管理部門反饋的數據和信息。因此，離散制造系統在生產過程中呈現以下特點:

(1)訂單式制造方式，多種產品混合生產。

離散型制造企業，接受市場給予的訂單后安排生產計劃，生產線中常出現多品種或同一品種但不同型號的產品混合生產的現象，根據產品類型和生產批量的不同，生產中存在著不同的生產方式并存的現象。

(2)生產工藝和制造裝備配置多樣化。

不同種類和不同生產批量的產品在生產過程中采用的生產工藝不同，不同的生產工藝采用的制造裝備也不相同，為了滿足不同類型產品的生產需求，離散制造需要制定不同的生產工藝和配備多樣化的制造裝備。

(3)生產數據多，數據管理工作量大。

一個產品的制造過程，將產生相對應的技術數據、制造數據、質量數據和管理數據等。離散制造企業的產品多樣化，每一種產品均有多個零部件組成，每個零部件都有相應的生產數據，這就致使離散制造企業的生產數據龐大，對龐大數據的收集、分類和管理的工作量較大。

(4)不確定因素多，生產管理復雜多變。

離散型制造企業的生產過程是由不同零部件加工子過程并聯或串聯組成的復雜過程，產品的結構復雜、生產周期較長，生產過程中包含很多的變化和不確定因素，因此對于生產的管理較連續性制造復雜。

(5)信息人工傳遞，信息傳輸缺乏準確性和實時性。

產品的制造過程是信息的傳輸過程。在傳統的制造系統中，制造的信息采用人工傳遞的方式，技術部門將產品的技術信息傳送給制造和質檢等部門，制造部門參照技術圖紙制造，并將制造信息反饋給技術、質檢和管理部門。人工管理信息分散、缺乏完善的基礎數據，信息分散、不及時、不準確、不共享、大大影響管理決策的科學性［2］。現代制造技術，要求生產過程具有準確和高效的特點，數據的準確性和信息傳輸的實時性是實現制造系統高效性和準確性的根本保證，也是目前離散型制造技術研究的重點內容。

2 物聯網技術

2.1 物聯網及其應用

物聯網的英文名稱叫“The Internet of things”，美國麻省理工學院于1999 年首次提出物聯網的概念是:可將所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理的網絡。2005 年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上，國際電信聯盟(ITU)發布了《ITU 互聯網報告2005:物聯網》，在該年度報告中對物聯網概念的涵義進行了擴展，正式將物聯網的概念定義為:信息與通信技術的目標已經從任何時間、任何地點連接任何人，發展到連接任何物品的階段，而物體的鏈接就構成了物聯網。將原來的局限于無線射頻技術擴展到無線射頻技術、傳感器技術、納米技術和智能嵌入等技術［3］。狹義上講，物聯網是:通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡［4］。

2009 年1 月，IBM 公司向美國總統奧巴馬提出“智慧地球”的概念，將傳感器安裝到世界各地的電網等物體中，普遍鏈接形成物聯網，然后通過超級

計算機和云計算將物聯網整合，即“互聯網+物聯網=智慧地球”。奧巴馬已將物聯網上升為國家戰略［5］。日本在2004 年提出U - Japan 構想，計劃在2004～2007 年投入29 億美元用于發展泛在網絡社會。歐洲聯盟在2009 年發布了《未來物聯網戰略》，將物聯網及其核心技術納入預算高達500 億歐元的歐盟第七個科技框架計劃［6-7］。我國政府于2009 年提出物聯網產業為新興戰略性產業，溫家寶總理在江蘇無錫調研時提出了“感知中國”的宏偉設想。目前，物聯網在我國智能電網、精準農業、環境保護、機場周界、智能家居、城市交通等領域受到高度的重視，且發展迅猛［8］。

2.2 制造系統中的物聯網架構

從技術架構上來看，物聯網可分為3 層:感知層、網絡層和應用層。如圖2 所示，感知層用于實現物品的信息采集、對象識別，作為物聯網的核心技術，感知層的關鍵技術包括傳感器、無線射頻、短距離無線通信等。感知層的傳感器與芯片有聲學、振動、壓力、溫度、濕度、生物、化學、CCD、紅外、微波、靜電、RFID、信息處理與傳輸等諸多芯片。網絡層用于物質信息的傳輸，主要依賴于互聯網和局域網。有多種設備需要接入物聯網，因此物聯網是異構的，信息網絡與傳輸技術則包括TD-LTE -U、WSN、INON 等。信息處理與存儲方面有曙光、深騰、跨尺度、數據密集型超算系統、過程模擬、社會計算等。應用層實現信息的存儲、加工、數據挖掘、提供反饋信息服務于物體和物聯網的智能化中心，該層涉及海量信息的智能處理、分布式計算等技術。

3 離散型制造系統中的物聯網技術

離散型制造系統的主要特點是人員、設備、產品、物資種類多、結構復雜，這種特點致使制造系統在運行過程中存在生產數據龐大、管理困難的現象，這種現象給離散制造系統帶來各種信息傳遞滯后、數據的準確性不足的缺陷。物聯網技術可以使生產系統中的人材物通過網絡技術成為相互聯系的整體，計算機信息技術具有數據存儲量大、處理速度快、管理效率高的特點，通過網絡信息傳輸系統，可以實現生產信息的實時、準確的傳輸。因此，在離散制造系統引入物聯網技術是提高生產效率，實現制造技術集成化的有效方法。

3.1 物聯網的構造

離散型制造系統物聯網以數據中心為核心，Internet 網絡或局域網為媒介，對生產系統的人員、設備、在制品和物資的運行特性的網絡化檢測，實現制造系統運行特性數據的存儲、分析、展示和管理等功能。離散型制造系統物聯網的架構體系如圖3 所示，采用分層結構的形式。包含感知控制層、網絡傳輸層、信息傳輸層、數據管理層、管理決策層和信息輸出層共6 層結構。構架體系中各層之間相互獨立，層之間通過接口提供信息互通。由于每一層只實現自己獨立的功能，因此可以將離散制造系統中復雜問題化解為若干子問題，大大降低了問題的復雜程度。

3.2 物聯網的硬件技術

離散制造系統物聯網主要有硬件系統和軟件系統組成，其中硬件有射頻識別設備、信息傳感設備和網絡傳輸等設備組成，主要用于感知層對象識別體系、網絡架構體系和數據管理體系3 方面［9］。

(1)感知對象識別系統:感知對象識別系統也稱之為射頻識別系統，主要有電子標簽、閱讀器和天線組成。每個電子標簽具有唯一的電子編碼，在物聯網覆蓋的整個生產系統中，天線是電子標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號的工具，通過識別器對電子標簽讀寫，標簽的信息就會通過互聯網傳輸到數據的終端，從而實現物聯網對生產系統中人員和物品數據的采集和信息的跟蹤。

(2)網絡通信系統:在標準的網絡協議下，網絡中每個設備具有唯一的地址編碼。每個設備都會接收到上級設備發出的命令，只有符合相應地址編碼的下級設備才會遵從通信命令。離散型制造系統由于同一車間的設備比較集中，車間與車間之間的設備間隔較大，因此可以充分應用有限鏈接與無線連接方式的優點，車間內設備采用有線連接的方式，車間之間的設備采用無線連接的方式。這樣就可以形成設備A、虛擬串口連接設備和設備B 串行網絡鏈接。各設備的數據采集儀表通過RS485 現場總線通信模式進行鏈接，最終連接到數據采集設備上，實現設備之間的網絡通信。

(3)數據采集系統:數據采集設備在離散型制造系統的物聯網中也稱為智能網關，是數據采集傳輸系統中最關鍵的設備，承擔著數據中心和傳感器與執行器之間數據交換的重要功能。智能網關由主芯片、一些外部接口電路和電源電路組成，通過上面的RS485接口，可以方便地鏈接不同種類的數據采集儀器和生產現場執行器。智能網關主動定時的向數據采集儀器輪流采集數據，并將數據存在高速SD 卡中。智能網關具有TCP/IP 接口，可以與Internet 網方便地連接，實現將高速SD 卡中數據的上傳功能。

3.3 物聯網的軟件技術

離散型制造系統的物聯網網絡覆蓋整個制造系統的所有人和物，檢測制造系統中數以萬計的人員、設備、在制品和物資，統計制造過程中產生的能源流、物流和信息流，并使用可靠的數據庫管理系統來存儲和管理生產過程中產生的數據和信息。這一功能的實現需要在生產系統中建立一個以硬件設備為軀干，數據庫和軟件為靈魂的物聯網。

(1)數據庫管理系統:數據庫是離散型制造系統物聯網的數據會聚中心，負責存儲所有制造系統的基本信息和運行特性信息，并為制造系統物聯網提供數據查詢服務。如圖4 所示，離散型制造系統的物聯網軟件系統包含5 類專用數據庫，分別為員工管理數據庫、設備管理數據庫，生產管理數據庫、物資管理數據庫和質量管理數據庫。用于存儲生產系統的基本信息、生產過程中產生的數據和對各種信息分析處理的結果。

由于離散型制造系統物聯網要求存儲容量大、功能復雜、自動化程度高，因此需要采用大型數據庫管理系統。大型數據庫管理系統具備標準結構化查詢語言的處理能力，較好的通用性和兼容性，網絡連接和分布式處理功能，而且有跨平臺的開發結構及開發軟件的支持，因此適合作為離散型制造系統的數據庫管理系統。

(2)軟件系統結構:為了實現對整個制造系統基本信息的管理和所有生產數據的處理分析，離散型制造系統的物聯網需要8 套軟件，如圖4 所示，分別為制造系統基本信息管理軟件，檢測儀器信息管理軟件，檢測儀器編碼測試軟件，系統運行特性檢測服務器軟件，中間層服務器管理軟件，生產數據統計分析處理軟件，制造系統數據傳輸軟件，離散型制造系統運行管理展示網站。

在8 套軟件中，制造系統運行特性檢測服務器軟件是離散制造系統的數據自動采集關鍵軟件，所有上傳的運行特性信息均通過該軟件輸入數據庫。數據管理軟件通過中間層服務器軟件操作管理對應的數據庫，檢測儀器編碼測試軟件負責制造系統的現場檢測儀器數據校核和排錯功能，保證所有進入物聯網的運行特性數據的準確性，運行特性數據經生產數據統計分析處理軟件處理后，所有與生產相關的數據均能及時地計算并存入數據庫中，最后將所有生產信息經過系統數據傳輸軟件匯總到一起，并通過系統運行管理展示網站進行信息展示與查詢。

4 結語

研究開發離散型制造系統物聯網技術的理論基礎、網絡架構、關鍵軟硬件技術，對于提高離散制造系統的生產效率，提高企業資源的利用率、提高產品的質量和市場競爭力具有重要意義。通過物聯網技術，可以將原本錯綜復雜的離散制造系統按照類別分解成多個子系統，從而實現對生產系統中的人員、設備、在制品、物資和質量的有序、高效管理。

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