基于RFID和Hadoop云存儲(chǔ)的數(shù)字化車間制造系統(tǒng)研究

岳玉鳳　王昌文

摘要：為了實(shí)現(xiàn)車間制造數(shù)字化管控，將RFID和Hadoop云存儲(chǔ)兩種技術(shù)結(jié)合到一起，提出數(shù)字化車間制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。該系統(tǒng)選擇超高頻段技術(shù)作為RFID作業(yè)頻段，在Hadoop云存儲(chǔ)架構(gòu)基礎(chǔ)上，搭建多層次車間制造系統(tǒng)。其中，各個(gè)層次信息通過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提高車間制造效率，可以為用戶提供良好的產(chǎn)品成型管理、產(chǎn)品庫信息管理、檢驗(yàn)管理、入庫管理、售后服務(wù)管理、信息共享服務(wù)，有助于車間制造數(shù)字化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：Hadoop云存儲(chǔ) RFID 車間制造數(shù)字化

中圖分類號(hào)：TP27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2022）07（a）-0000-00

Research on Digital Workshop Manufacturing System Based on RFID and Hadoop Cloud Storage

YUE Yufeng1WANG Changwen2

（1.GansuDangchangVocational Secondary School，Longnan，Gansu Province，748500 China;2.Gansu Nonferrous Metallurgy Vocational and Technical College，Jinchang，Gansu Province，737100China）

Abstract：In order to realize the digital control of workshop manufacturing， RFID and Hadoop cloud storage technologies are combined， and the design and research of digital workshop manufacturing system is proposed. The system selects UHF technology as RFID operation frequency band， and builds a multi-level workshop manufacturing system based on Hadoop cloud storage architecture. Among them， the information at all levels is transmitted through the Internet network. The system test results show that the system can improve the manufacturing efficiency of the workshop， provide users with good product molding management， product library information management， inspection management， warehousing management， after-sales service management and information sharing services， and contribute to the digital development of workshop manufacturing.

Key Words： Hadoop cloud storage; RFID;Workshop manufacturing; Digitization

目前，大部分生產(chǎn)車間操控和管理仍然依靠人力資源，每一個(gè)環(huán)節(jié)的操作與管理需要相關(guān)工作人員負(fù)責(zé)，將當(dāng)日的工作信息在下班時(shí)交接給下一位負(fù)責(zé)人[1]。這種操控和管理模式信息時(shí)效性較差，缺乏信息調(diào)度功能，與車間高效制造管理理念不符。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)車間制造逐漸向數(shù)字化車間制造發(fā)展，如何有效運(yùn)用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，打造數(shù)字化車間制造系統(tǒng)，成為了當(dāng)前重點(diǎn)研究內(nèi)容[2]。由于該系統(tǒng)的研究時(shí)間比較短，取得的研究成果不多，在系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的選取、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面存在較大提升空間[3]。該文嘗試選取RFID技術(shù)作為核心技術(shù)，借助Hadoop云存儲(chǔ)工具，開發(fā)一套新的數(shù)字化車間制造系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)建立在Hadoop云存儲(chǔ)架構(gòu)基礎(chǔ)上，搭建多層次車間制造系統(tǒng)，從而為車間制造信息共享創(chuàng)造有利條件。圖1為系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

該框架結(jié)構(gòu)分為2個(gè)部分，分別是車間產(chǎn)品制造業(yè)務(wù)層、設(shè)備控制層。其中，制造業(yè)務(wù)層又分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造兩部分。該系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用到的主要軟件技術(shù)有CAD/CAM/CAE、MPM/CAPP、PLM/ODM、MBD。數(shù)字化制造作用體現(xiàn)在APS排產(chǎn)、質(zhì)量管理、試驗(yàn)管理3個(gè)方面。借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息共享，全面展開各項(xiàng)管理工作，包括車間執(zhí)行管理、資源齊套管理、車間調(diào)度管理、計(jì)劃管理、車間物料管理、工裝工具管理、工時(shí)績效管理、綜合看板管理。另外一部分設(shè)備控制模塊的設(shè)計(jì)，采用了各項(xiàng)通信技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)制造需求，下達(dá)相應(yīng)控制命令，利用車間制造現(xiàn)場(chǎng)核心處理器，驅(qū)動(dòng)各個(gè)設(shè)備，從而高效高質(zhì)量完成車間制造任務(wù)。

2系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)備的選取

數(shù)字化車間制造系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備包括電子標(biāo)簽、閱讀器，本文將重點(diǎn)討論這兩個(gè)硬件的選取方法。

2.1.1閱讀器的選取

該系統(tǒng)引入RFID技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)的通信功能和閱讀信息功能，為了保證系統(tǒng)功能可靠性，需要合理選取閱讀器作業(yè)頻段。通常情況下，閱讀器作業(yè)頻段分為4個(gè)頻段模式，分別是微波頻段、超高頻段、高頻段、低頻段[4]。其中，微波頻段應(yīng)用較少;低頻段讀寫距離比較短，作業(yè)效率較低，不支持內(nèi)存空間需求較高的服務(wù);高頻段技術(shù)較為成熟，但是讀寫距離不是很大，未能滿足大部分信息管理需求;超高頻段技術(shù)不僅具有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且讀寫距離較大，通信協(xié)議較強(qiáng)。所以，本研究選擇超高頻段技術(shù)作為RFID作業(yè)頻段。以SLR5100模塊作為系統(tǒng)讀寫控制輔助工具，作業(yè)頻率設(shè)置為920～950MHz。

2.1.2電子標(biāo)簽的選取

根據(jù)數(shù)字化車間制造控制需求，需要為系統(tǒng)選取一種非接觸式的電子標(biāo)簽，支持高頻環(huán)境作業(yè)[5]。在滿足該條件的基礎(chǔ)上，選取成本較低的ISO15693高頻標(biāo)準(zhǔn)卡作為系統(tǒng)電子標(biāo)簽。該裝置支持100cm范圍內(nèi)的操控，符合車間制造操控功能開發(fā)需求。考慮到車間制造信息量較大、作業(yè)命令較多，采取同步標(biāo)定方式，來為各信息和作業(yè)命令配備標(biāo)簽。由于該芯片存在唯一標(biāo)識(shí)符，所以系統(tǒng)作業(yè)期間不會(huì)出現(xiàn)標(biāo)簽混淆情況，有助于車間制造系統(tǒng)控制的有序運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1系統(tǒng)云存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

信息共享作為本系統(tǒng)的重要功能，需要借助Hadoop云存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，通過創(chuàng)建訪問通道，按照數(shù)據(jù)信息類型不同加以管理，構(gòu)建數(shù)據(jù)管理層和存儲(chǔ)層，形成完整的系統(tǒng)云存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模型[6]。利用該模型開啟數(shù)字化車間管理，同時(shí)管控多個(gè)車間生產(chǎn)流水線作業(yè)情況，并為用戶提供物料查詢功能，根據(jù)車間作業(yè)狀況發(fā)出預(yù)警，從而提高車間制造安全性。按照功能不同，可以將模型劃分為4個(gè)層次，由高到低依次為訪問層、應(yīng)用接口層、數(shù)據(jù)管理層、存儲(chǔ)層。

2.2.2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件的開發(fā)，以C/S模型體系作為開發(fā)工具，通過搭建生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)體系，根據(jù)車間制造數(shù)字化管控需求，為其配備數(shù)據(jù)庫，從而為用戶提供高質(zhì)量服務(wù)。如圖2所示為系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)通過Internet網(wǎng)絡(luò)建立訪問連接，利用搭建的系統(tǒng)庫，對(duì)車間制造產(chǎn)品成型加以管控，共享產(chǎn)品庫信息，同時(shí)檢驗(yàn)生產(chǎn)質(zhì)量達(dá)標(biāo)情況，運(yùn)用數(shù)據(jù)化技術(shù)，為用戶提供產(chǎn)品入庫管理和售后服務(wù)功能。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

為了檢驗(yàn)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠滿足系統(tǒng)開發(fā)需求，以該研究為例，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定兩者不同外部數(shù)據(jù)對(duì)比數(shù)、目標(biāo)對(duì)比數(shù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試中標(biāo)數(shù)目和所需時(shí)間。

測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)標(biāo)定目標(biāo)數(shù)目較少，能夠在短時(shí)間內(nèi)找到與車間制造相關(guān)性更大的數(shù)據(jù)。隨著外部數(shù)據(jù)和目標(biāo)對(duì)比數(shù)的增加，該系統(tǒng)耗費(fèi)時(shí)間增加12s，而傳統(tǒng)系統(tǒng)需要耗費(fèi)22s。由此看來，該系統(tǒng)作業(yè)效率較高。

另外，此次測(cè)試還對(duì)系統(tǒng)軟件功能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1中統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行良好，可以為用戶提供車間制造自動(dòng)化管控服務(wù)，能夠提高車間制造控制水平。

4 結(jié)語

該文圍繞數(shù)字化車間制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案展開探究，該系統(tǒng)建立在Hadoop云存儲(chǔ)架構(gòu)基礎(chǔ)上，運(yùn)用RFID技術(shù)，數(shù)字化車間制造體系，為用戶提供車架制造數(shù)字化管理工具。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)找到與車間制造相關(guān)性更大的數(shù)據(jù)，可以提高數(shù)據(jù)信息利用率，各項(xiàng)軟件功能運(yùn)行良好，符合系統(tǒng)開發(fā)需求。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：2021年度甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目“基于區(qū)塊鏈的智能物流數(shù)據(jù)分析平臺(tái)研究與構(gòu)建”（項(xiàng)目編號(hào)：2021B-544）;2021年金昌市青年人才基金項(xiàng)目“區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧物流中的應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2021CZFXGP）。

作者簡介：岳玉鳳（1986—），女，本科，講師，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)、區(qū)塊鏈。