基于工業物聯網的智慧車間研究

柴俊 范崇源

摘 要 提出一個基于工業物聯網的智慧車間。工業物聯網系統可以收集實時數據，然后將其轉換成動態反饋反送回系統。工業物聯網包括很多服務系統，在這些服務的幫助下，工業物聯網能夠在傳統的生產系統以及可視化的制造控制和管理方面實現多項優勢。工業物聯網實施后，通過充分利用收集的數據，對車間生產和物流進行簡化以及優化。

關鍵詞 工業物聯網；智慧車間；RFID

中圖分類號：G712 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）02-0001-04

1 引言

工業物聯網（Industrial Internet of Things，IIOT）系統是一種開放的全球物流系統，通過封裝和接口協議，基于物理、數字和運營互連以取代當前的后勤模型。在全球供應鏈中應用IIOT獲得巨大成功之后，這一概念得到廣泛應用，IIOT可以將目前的供應鏈升級為達到智能化水平的供應鏈。

大規模定制（MC）生產是指通過靈活的流程以高利潤、低成本提供定制的產品或服務。最近，以客戶為導向的制造業在MC生產中起著主要作用，這是一種全方位遵從客戶選擇[1]的系統化的方法，涉及產品銷售、開發、生產和交付的各個方面。車間制造是MC企業發展的瓶頸之一[2-3]。由于MC車間面臨許多挑戰，因此對生產周期的影響很大。

首先，勞動力成本和材料成本核算能力的提高是車間生產所要解決的困難之一。這種核算能力基于MC工廠的大量生產計劃，但是這些數據都只能記錄在文件中，當主要文件丟失時，對企業而言將是致命的。

其次，信息通信實際上取決于電話和電子郵件，大多數關于制造業的信息在客戶發生變化時會被延遲[4]；當更改或修改一些細節參數時，電話和電子郵件也會發生錯誤。然后，MC車間的后勤就會出現錯誤，因為沒有有效的方法跟蹤材料。

最后，工人不知道該怎么辦、怎么做，哪里可以拿到材料？他們可以拿到多少錢？隨著任務的分配，車間工作人員失去與其他人交往的熱情[5]。因此，MC車間的制造生產受到很大限制。

MC車間遇到的以上問題嚴重阻礙了機械生產能力和生產效率。

應對這些挑戰，基于IIOT的系統是解決MC車間問題的最合適的方法[6]。一些信息系統側重于解決規劃和調度等上層決策問題，諸如ERP（企業資源規劃）之類的系統，但這種系統缺乏車間管理能力。另一些系統是輔助性的，可以幫助企業進行技術設計和提供敏捷的客戶管理，如CAD[7]；但當客戶發生緊急變化時，這些系統很難直接向工廠內的工作人員提供相關信息。

本文介紹一個用于MC車間的工業物聯網（IIOT）。首先，諸如讀取器和RFID設備被部署在各種制造對象上以產生擁有普適性的生產環境；其次，采用433 MHz標準的無線通信網絡，用于在Intranet或Internet內傳輸數據；最后，設計和建立一個基于SOA的架構，用于使各種服務能夠插入系統框架中，以便各種最終用戶能夠使用這些服務來促進他們的日常運作。

2 工業物聯網系統

案例分析 案例來自分布式大規模定制的生產企業，其生產壓力容器和其他電氣與機械大規模集成設備。圖1顯示了生產過程。有兩個主要工廠位于不同的地區，距離約10 km，每個工廠都有幾個車間配備了幾臺機器。根據客戶的定制產品，一些組件外包，一些主要組件在車間制作。制造生產由生產部、質量部、機械部、技術部和助理部組織進行。助理部門主要處理一些特殊流程，如流程無法在企業中實現。所有組件完成后，將發送到裝配車間。

因為訂單插入、修改和取消的頻繁變化，使得車間生產很難控制。盡管企業已經建立SAP ERP、PDM、OA和CAPP，但它們無法控制車間制造。因此，計劃和執行的不一致是一個很嚴峻的問題。在此列出幾個詳細的問題：

1）沒有車間的數據，導致生產能力不明確，難以衡量；

2）車間數據手動管理；

3）車間出現大量不同的產品需求，導致經常重新規劃和重新調度；

4）由于缺乏生產數據，績效管理難以建立；

5）因為制造車間沒有采用最佳方法，所以生產效率受到限制。

為了解決這些問題，IIOT使用RFID和433 MHz無線通信在車間收集實時數據；RFID讀寫器被設計和開發為IDT（智能數據終端），以捕獲實時生產數據，并使操作員能夠方便地進行日常操作。

智能車間 在車間里，機器被分為不同組。每個IDT擁有與機器相關的相同地址，并且可以在服務中配置IDT和機器之間的綁定關系。IDT不僅識別機器，而且識別攜帶標簽的工人和材料。每名工作人員都有一張支持RFID的工作人員卡作為身份證[8]。這種方法是通過使用RFID技術將工作人員、材料、IDT和機器集成在一起。一些關鍵信息可以在系統中設置，如機器屬于哪個組，哪個IDT與機器相關聯的工作人員將操作多少類型的機器。為了跟蹤物流，每批材料都有一個標簽，用于識別材料，并可以回收。

3 設計和開發

如圖2所示，為了簡化設計和開發，工業物聯網智能車間分為四個層次：車間層、IIOT層、接口層和應用層。車間層主要包含位于車間的IDT、BS（基站）、433 MHz無線網絡和其他設備，它們是這個系統的主要硬件。IIOT層包含幾個主要服務，即通信控制服務、生產決策服務和可視化服務，它們在硬件的配合下完成主要功能。接口層設計為中間件的服務，可以通過預定義的規范數據結構與其他信息系統通信，因此，可以實現每個系統之間的定時和實時數據互通。應用層由一些管理系統和輔助信息系統組成，如ERP、CAPP、PDM、CRM、OA等。在IIOT車間中，所有數據都從一個標準接口傳遞到其他應用系統，這些系統能夠使用車間的實時數據進行高級決策。

4 案例學習

案例來自一個典型的MC企業，專注于生產來自全球客戶的MC產品，專業生產壓力容器、換熱器、反應釜、節能環保等大型機械和技術裝置。公司根據客戶的要求生產這類產品。由于車間層次復雜，管理水平薄弱，產品成本超高，因此需要一個車間級IT系統，并為此設計和開發了基于IIOT的智慧車間。

IIOT在從原材料開始到車間一級成品的整個生產管理周期中起著重要作用。實施IIOT后，實現生產管理的大幅度改善。

首先，根據IIOT基礎設施，決策層次發生深刻變化。圖3所示為IIOT如何在程序架構更改后改進了決策。新的程序架構可以適應跟蹤、監控、收集、規劃、調度和執行等復雜制造環境。

其次，在MC車間部署所有的IDT和BS之后，生產和物流業務被實時控制，從而可以捕獲和收集相應的數據。因此，IIOT通過IDT管理所有車間和緩沖區。

最后，IIOT在案例公司的MC車間已經實施六個月，經過一個月的追蹤，數據存儲達到600多個，這些數據包括質量檢查、員工行為、物流數據等。存儲的大量數據顯示了MC車間的生產數據，并且這些數據對于最終形成先進的生產決策是非常寶貴的。表1所示為MC車間生產能力提高的統計情況，這些比例來自于收集的數據。

從表1中可以知道，IIOT實施后，通過充分利用捕獲的數據，精簡和優化了該企業的車間生產，以支持車間生產和物流。企業員工評論道：“基于IIOT的智能車間是一個靈活的系統，能夠響應不同需求，并提供我們長期需要的便捷生產，這對我們來說最重要。”生產部門的一名雇員在使用該系統時引用了這一點：“它使我們能夠在不增加成本的情況下滿足更高的銷售量，監督人員能夠通過來自生產車間的可靠信息及時做出決策。具體來說，該系統通過插入訂單和更合理地鎖定日程安排來提供生產計劃和調度。”質量部門的人員說：“通過IDT收集大量的質量數據，因此，跟蹤和監控質量很方便。”

5 結語

本文討論了基于工業物聯網（IIOT）的智能車間，IIOT基本上依賴RFID和無線通信網絡來收集和同步實時數據。在進行實際應用案例研究之后，表明IIOT能夠進行生產管理、質量監控、實時數據采集和設備監控。IIOT已經在大型機械制造和裝配企業以及高校和高等職業技術院校中得到應用，取得很好的表現。

此外，需要改進兩個限制。首先，通信穩定性主要取決于BS，BS占用頻道頻率，因為不同的信道頻率，由該BS控制的IDT不能與其他BS進行通信；其次是BS和IDT之間的非法通信通道，IDT無法選擇最近的BS進行自動通信。這種溝通模式的變化應該由專業工作者重新配置。

因為IIOT是非常值得推廣的，所以進一步的研究和改進就是必要的。首先，CEP（復雜事件處理）的引入可以高效解決問題并發現更多可操作的信息，CEP在IIOT中的應用是提高效率的可能，應是進一步的研究方向。CEP可能在企業信息系統中構建解耦和多對多通信系統，這很重要。其次，需要使用Oracle數據庫來滿足日益增長的數據量。再次，IIOT缺乏有效的自動數據分析和數據挖掘工具，依舊需要人工做出決策，因此可以進一步研究數據分析模型。最后，B/S架構因為其網絡應用的輝煌業績而備受歡迎，未來的工作結合B/S和RFID正在發展，特別是運用云技術的MC車間。

參考文獻

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