物聯網在車間制造執行系統的技術實現

The technical implementation of internet of things on the executive system of workshop manufacturing

房亞東，曾少華，陳　樺，毛曉博

（西安工業大學 機電工程學院，西安 710032）

FANG Ya-dong,　ZENG Shao-hua,　CHEN Hua,　MAO Xiao-bo

?

物聯網在車間制造執行系統的技術實現

The technical implementation of internet of things on the executive system of workshop manufacturing

房亞東，曾少華，陳樺，毛曉博

（西安工業大學 機電工程學院，西安 710032）

FANG Ya-dong,ZENG Shao-hua,CHEN Hua,MAO Xiao-bo

摘要：為了解決傳統的生產制造模式出現的車間控制層和計劃層之間出現的信息“斷層”現象，提出了MES管理信息系統與物聯網技術結合的思路。針對機加工車間等典型的離散類制造車間進行分析，給出具體的MES系統設計思路與框架，并利用RFID技術和ZigBee技術具體設計出了制造車間物聯網系統平臺，最后利用Justep X5開發平臺實現了MES系統與物聯網技術的互聯應用。

關鍵詞：物聯網技術；MES系統；Justep X5

0　引言

隨著當今市場的快速變化和現代制造業的發展與轉型，制造業正逐步向多品種小批量生產、能夠快速響應市場變化及生產流程多變等方向轉變。特別是經常變更的機械加工車間等典型的離散類制造車間[1,2]，其工序的生產計劃編制困難，對車間制造管理的實時性要求高，從而導致企業運行效率低下和發展速度過快之間的矛盾日益加劇，因此市場對生產車間信息管理的效率帶來了挑戰[3,4]。雖然新的管理模式ERP系統具備了流程型生產和離散型生產的特點，但是ERP系統不能直接支持車間底層的管理流程，仍然存在生產管理信息的“斷層”現象。針對這問題，本文主要是應用制造執行系統（MES）與物聯網技術的聯合不但解決了企業上下層間“斷層”問題，而且也滿足了機械加工車間等典型離散類制造車間信息化管理需求，提高車間的制造執行效率。

1　物聯網技術、MES系統與信息管理系統的相關理論

1.1物聯網技術

物聯網是指通過各種信息傳感設備和系統（傳感網、紅外感應器、激光掃描器、射頻識別系統等）、全球定位系統、條碼與二維碼，將物品與物品、物品與人、人與人按照規定的通信協議連接起來，再通過各種接入網、互聯網進行信息交換，以實現智能化識別、定位、跟蹤監控和管理的種信息網絡技術[5,6]。物聯網的關鍵技術包括RFID技術、ZigBee技術和無線傳感網絡技術。

1.2MES的相關概念及理論

MES是面向生產車間的管理信息系統，可以根據實時信息數據及時判斷生產過程中的變化，同時可以兼容車間底層的各種信息管理信息系統，實現生產車間與管理層之間的信息傳遞，解決整個企業運行的信息斷層問題。目前MES系統典型模型有層模型、集成系統模型、定位模型、功能模型以及REPAC模型等。

1.3信息管理系統理論

2　基于生產車間物聯網環境平臺的搭建

2.1物聯網平臺的總體框架設計

通過對物聯網現有的各種體系結構進行分析對比，再結合制造車間特點，采用實用性層次體系的物聯網結構來構建制造車間的物聯網平臺。底端是生產現場的數據采集層，通過多個RFID讀寫器組成的網絡實施采集當前生產情況；中間層是ZigBee網絡組建與傳輸模塊，該層主要負責數據的長傳；頂端是企業的管理模塊，該層主要是車間管理人員查看當前生產狀況以及員工通過智能客戶端查看任務等。物聯網在生產車間平臺總體框架如圖1所示。針對此平臺的搭建主要突破兩方面難題即RFID的讀寫網格設計和ZigBee的數據傳輸模塊設計[9～11]。

圖1　生產車間物聯網平臺總體框架圖

2.2基于物聯網在裝配車間的實例分析

基于物聯網的裝配車間主要是在裝配車間內部署大量RFID閱讀器、RFID標簽，并建立物料跟蹤的ZigBee節點網絡。對這些生產對象節點的工藝參數進行定義并按批次、模塊對參數進行采集，分析工藝參數的相關性，全車間的物料跟蹤流程都由此來支撐。在該裝配車間，生產車間的生產數據、庫存信息、質檢數據以及零件移動情況等都可以由網絡節點處的RFID讀寫器獲取，然后通過參數計量信息的收集、整理及分析，可以對車間生產過程所涉及的生產單元、倉庫儀表數據采集和錄入以及設備使用情況等各種信息進行補充完善。從而能夠為各種生產的運行提供物料移動、加工、庫存和設備、管理層輔助決策和車間成本核算可靠保障[12]。本文以矮泵的生產裝配為例。基于物聯的矮泵生產流程如圖2所示以及RFID標簽信息說明如表1所示。

圖2　基于物聯的矮泵生產流程圖

表1　RFID標簽信息說明

3　MES系統的分析與實現

3.1制造車間MES系統分析

本系統設計為系統管理員、車間員工、班組長、車間主任等均可以各自不同的身份登錄該系統，按照各自不同的權限查對車間的年度生產計劃、月生產計劃、當前生產進度、員工狀態、設備狀態等數據進行查看、分析以及處理。進而實現對生產車間信息的實時跟蹤、監控以及信息的搜集共享等。該制造車間MES系統的結構框架如圖3所示。

圖3　MES系統結構框架圖

圖4　MES系統結構功能圖

3.2MES系統的實現

依據上述分析，MES系統開發包括兩大部分，包括硬件環境搭配與軟件環境開發。本文軟件的開發工具終端的管理系統是利用X5開發設計的，它為開發人員提供了完全可視化、組件化的開發環境。此外，它還具備超強的工作流、組織權限、組織機構、豐富的業務規則定制能力、復雜報表和圖表，并且能夠將各種復雜業務在任何瀏覽器終端進行展現和交互。

圖5　MES系統登錄界面

【】【】

4　結論

本文對單件小批量、多品種的離散制造車間生產特點進行分析，在此類生產車間搭建物聯網環境平臺，采用RFID讀寫器和手工錄入的方式采集車間生產活動、設備利用狀況、人員安排狀況等各項數據信息，再利用ZigBee網絡將上述數據傳輸到終端MES系統，從而實現對生產車間的實時監控與管理。由于物聯網技術是種新興的技術，它的發展在不斷的更新與完善，對制造車間搭建的物聯網環境平臺和研究開發的MES系統中還有更進步研究和探索的地方。

參考文獻：

[1] 嚴雋琪.制造系統信息集成技術[M].上海:上海交通大學出版社,2001.8:3-5.

[2] 王琦峰,劉飛,黃海龍.面向服務的離散車間可重構制造執行系統研究[J].計算機集成制造系統,2008,14(4)737-743.

[3] 譚竣菲.面向MES的離散制造業車間生產管理研究[D].重慶:重慶大學,2007:7-10.

[4] Storr A, HakeU. Computer Aided Tool Management[J]. Information and Technology for Advanced Manufacturing System. 1991,(9):481-487.

[5] 劉化君,劉傳青.物聯網技術[M].北京:電子工業出版社,2010,9:2-3.

[6] 王毅.物聯網技術及應用[M].北京:國防工業出版社,2011,6:1-3.

[7] 嚴雋琪.制造系統信息集成技術[M].上海:上海交通大學出版社,2001.8:52-54.

[8] 季高榮.中小型企業管理信息系統研究[D].合肥:安徽大學,2012,5:9-21.

[9] E.S. Nadimi, T. Bak, F.W. Oudshoorn. ZigBee-based wireless sensor networks for monitoring animal presence and pasture time in a strip of new grass[J].computers and electronics in agriculture.2008.61:79-87.

[10] Wen-Tsai Sung, Yao-Chi Hsu. Designing an industrial real-time measurement and monitoring system based on embedded system and ZigBee[J]. Expert Systems with Applications.2011,38:4522-4529.

[11] Qingnan Huang, Fan Zhang, and Wenhui Chen. Research and Realization of Blood Pressure Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network.[J].Future Control and Automation,2012,172:205-211.

[12] MESA International. Executiona-driven manufacturing management for competitive advantage[R].MESA International White Paper Number5.1997.

[13] Justep X5快速開發平臺[DB/OL].[2014-02-22].http://www. justep.com/studio.html.

制造軟件

作者簡介：房亞東（1976 -），男，江蘇東海人，副教授，博士，研究方向為智能制造服務、跨界資源整合和激光再制造。

基金項目：陜西省特種加工重點實驗室開發基金（ST-12010）

收稿日期：2015-11-23

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0015-04