農機數字化車間制造系統(tǒng)研究—基于RFID和Hadoop云存儲

時　磊，魯華棟

(河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽　473000)

0　引言

目前，大部分制造車間的管理層與生產車間缺乏信息共享機制，生產過程中車間調度缺乏實時性，無法滿足制造業(yè)需求。隨著科技的快速發(fā)展，數字化車間制造被廣泛應用于各生產領域[1-5]，在數字化和制造業(yè)結合的基礎下，它將促進制造系統(tǒng)更加準確、快速、高效、柔性、敏捷和智能[6-9]。本文結合RFID技術和Hadoop云存儲的優(yōu)越性，根據農機部件生產車間實際需求，設計了一套基于RFID和Hadoop云存儲的農機數字化車間制造過程系統(tǒng)。

1　RFID關鍵技術及Hadoop云存儲

1.1RFID關鍵技術

RFID是21世紀逐漸發(fā)展的一種無源射頻自動識別技術，可以采用無線通信模式直接讀取目標信息，整個過程均為自主完成，可以適用于各種復雜多變的工作場所，抗干擾性強。該技術能夠同時準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，隨著無線定位技術的快速發(fā)展，RFID技術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域[15-19]。

RFID系統(tǒng)一般由標簽、閱讀器和天線構成。其中，標簽裝載著芯片、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簽之間的通訊機制，通過握手協議識別標簽身份信息。RFID系統(tǒng)結構框架如圖1所示。

圖1　RFID系統(tǒng)結構框架圖

RFID系統(tǒng)結構包含下面幾個方面[20-22]：

1)電子標簽。其通過耦合元件和嵌入式芯片，根據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、天線構成，通過標準協議以非接觸方式實現與標簽的通信，并將信息解碼發(fā)送給后臺服務器，也可以完成對標簽的寫信息操作。

3)天線。負責電子標簽與閱讀器之間信號發(fā)送與接收的電磁波，實現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，若有電子標簽在其可識別范圍內，標簽信息會被讀??；通過解密、調制解調、加密、調價權限的方式，在系統(tǒng)發(fā)射區(qū)，若標簽被讀取時，可以通過調制、解碼、解密對信號進行操作，進而對信號采取密碼、權限等工作，然后把信息發(fā)送給上層控制計算機。本文設計的RFID射頻識別系統(tǒng)實際應用圖如圖2所示。

圖2　RFID射頻識別系統(tǒng)實際應用圖

1.2Hadoop云存儲架構

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

2　搭建農機數字化車間設備環(huán)境

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

圖4　數字化模式下加工車間架構圖

數字化車間是采用數字化先進制造控制技術對生產制造實施改進的一種模式，其一般是利用控制和互聯網等技術，對產品設計、制造、裝配、質量檢測和售后等進行跟蹤，實現縮短新產品生產周期、節(jié)省成本和提高產品質量等目標[27]。數字化車間一般會進行精準的層次劃分，使企業(yè)工作人員在不同階段具有不同的崗位責任。一般情況下，數字化車間會分為車間、生產線、加工單元及操作等層，其框架結構如圖5所示。

圖5　數字化車間框架結構圖

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

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

3)加工單元層：協調設備間及各自內部運動問題，幫助工藝規(guī)劃技術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　農機數字化車間軟硬件選擇與設計

3.1閱讀器和電子標簽的選擇設計

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、數據傳輸比較慢、內存空間不足，一次只能對一個電子標簽進行信息的讀寫；高頻標簽技術較為成熟，但其讀寫距離、速度遠不及超高頻標簽；超高頻RFID閱讀器讀寫速度快、距離遠、通信協議強，能夠適合各種復雜環(huán)境，適用于流水線作業(yè)，是未來車間生產管理采用的趨勢[28]。

因此，本項目采用北京芯聯公司的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)電子標簽。電子標簽采用采用上海孚恩公司的ISO15693高頻標準卡，該電子標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，能夠允許多個標簽同時讀取，每個芯片具有唯一的標識符，適用于工廠生產線工序流程管理和工廠生產線工序流程管理。

3.2云平臺設計

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

圖7　Hadoop云存儲結構模型

4　農機數字化車間制造系統(tǒng)設計

4.1 農機數字化車間制造系統(tǒng)框架設計

數字化車間制造系統(tǒng)包括研發(fā)、采購、生產線管理，工藝流程、產品質量跟蹤和后臺管理服務平臺。對于數字化的理解，主要是三維設計或者三維工藝，應該先是指定計劃，然后是農機數字化車間執(zhí)行、跟蹤、數據采集及排產等，接著就是銷售和售后跟蹤服務。針對農機數字化車間制造，一般需要采用技術追溯，并對生產制造過程進行全程管控，利用分析產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。數字化車間制造系統(tǒng)整體框架如圖8所示。

圖8　數字化車間制造系統(tǒng)整體框架圖

數字化車間制造系統(tǒng)的核心是APS排產、質量、試驗、計劃、車間調度、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農機數字化車間制造系統(tǒng)軟件體系結構設計

農機數字化車間制造系統(tǒng)軟件選用C/S模式的體系結構，主要包括服務器、客戶終端和Internet。其中，服務器的任務是保證各個數據庫的安全、控制數據庫訪問并發(fā)性；客戶終端是為了讓客戶體驗產品完整的全局數據服務；Internet是為了完成各服務器、終端之間的通信。農機數字化車間制造系統(tǒng)軟件體系結構如圖9所示。

圖9　農機數字化車間制造系統(tǒng)軟件體系結構圖

5　主要性能測試與結果分析

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

表1　測試方法

續(xù)表1

表2　對比結果

測試結果表明：基于基于RFID和Hadoop云存儲的農機數字化車間制造過程系統(tǒng)實現了分布式數據對比引擎功能，并且可以支持5萬目標對比數的對比。對比結果數據滿足設計要求，證明了該系統(tǒng)的有效性和可行性。

6　結論

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

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