基于物聯(lián)網(wǎng)的精密鉸鏈智能制造系統(tǒng)

陳大川，王桂棠，許小東，張?jiān)Ｏ?，梁文杰，林布鎧

（1.廣東澳利堅(jiān)建筑五金有限公司，廣東汕頭 515041；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

0 引言

30多年來我國通過改革開發(fā)政策和依賴豐富優(yōu)質(zhì)的人力資源，給全世界生產(chǎn)巨量物美價(jià)廉的產(chǎn)品，自身也成為了制造業(yè)大國。隨著人口紅利的耗盡，目前我國制造業(yè)遭遇了新的困境。特別是中小企業(yè)潛在的制造技術(shù)水平低、生產(chǎn)管理模式落后、效率低和產(chǎn)品質(zhì)量管控不嚴(yán)格等問題充分暴露，已經(jīng)嚴(yán)重制約著我國制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級迫在眉睫。目前，工業(yè)4.0的生產(chǎn)制造新時(shí)代和智能工廠的思想正在萌動(dòng)[1-3]。RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在庫存等物料監(jiān)控使用[4-6]以及在產(chǎn)品制造過程的追蹤已經(jīng)成功利用，例如在卷煙濾棒工業(yè)[7]和物料傳送系統(tǒng)[8]中。

門窗鉸鏈?zhǔn)乾F(xiàn)代建筑的重要五件構(gòu)件，是影響門窗質(zhì)量和安全性的關(guān)鍵部件。作者所在企業(yè)生產(chǎn)高端鉸鏈，出口70多個(gè)國家。其制造加工過程是多工序離散型過程，產(chǎn)品規(guī)格型號多達(dá)1000多種。目前生產(chǎn)自動(dòng)化水平較低低，相當(dāng)多的工序仍然依靠人工操作，生產(chǎn)管理信息化程度低，嚴(yán)重制約產(chǎn)能和質(zhì)量提升。針對企業(yè)技術(shù)升級，一方面大量引進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備，另一方面對生產(chǎn)經(jīng)營管理進(jìn)行信息化改造。通過產(chǎn)學(xué)研合作，按照新型信息化模式建造智能型工廠。實(shí)施ERP系統(tǒng)與MES系統(tǒng)結(jié)合。MES系統(tǒng)中應(yīng)用RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的管理模式，構(gòu)成閉環(huán)生產(chǎn)管理，把現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送，達(dá)到實(shí)時(shí)信息共享，及時(shí)掌控生產(chǎn)現(xiàn)狀以及對異常問題作出及時(shí)處理。通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)車間現(xiàn)場的一些問題，指導(dǎo)現(xiàn)場的作業(yè)。同時(shí)，保存的數(shù)據(jù)也可作為歷史追溯的依據(jù)。

本文介紹該智能系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和一部分關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

針對鉸鏈制造生產(chǎn)線的實(shí)際情況，為保證系統(tǒng)的可靠性，采用分布式結(jié)構(gòu)。在車間的每條生產(chǎn)線設(shè)置了工控機(jī)作為該生產(chǎn)線的服務(wù)器，通過現(xiàn)場總線與各主要設(shè)備互聯(lián)，采集和設(shè)置工藝參數(shù)。同時(shí)在該生產(chǎn)線各個(gè)工位安裝了嵌入式小主機(jī)、顯示器和帶無線WiFi接口的RFID讀寫器，并將各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備全部與生產(chǎn)線服務(wù)器鏈接。各生產(chǎn)線服務(wù)器接入公司局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了公司辦公室通過局域網(wǎng)與現(xiàn)場車間信息的相互傳遞。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 服務(wù)器端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用SOA架構(gòu)，以SQL Server 2005為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用分布式數(shù)據(jù)庫，總服務(wù)器與車間工控機(jī)服務(wù)器之間通過發(fā)布與訂閱的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。各車間服務(wù)器只需管理自己控制的產(chǎn)線的數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑后，通過隊(duì)列等候方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給總服務(wù)器，同時(shí)同步更新總服務(wù)器的數(shù)據(jù)到本臺(tái)工控機(jī)上。通過分布式數(shù)據(jù)庫的管理，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力。車間現(xiàn)場的數(shù)據(jù)直接傳給工控機(jī)，不需要直接與總服務(wù)器對接，這樣減少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，同時(shí)挺高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

服務(wù)器除了管理數(shù)據(jù)庫外，還負(fù)責(zé)管理作業(yè)指導(dǎo)書的圖片文件?？蛻舳?、服務(wù)器和生產(chǎn)線小主機(jī)這三者通過FTP協(xié)議對圖片文件進(jìn)行傳輸。服務(wù)器作為中間存儲(chǔ)設(shè)備，接受來自客戶端上傳的圖片并分類保存，然后提供給生產(chǎn)線小主機(jī)下載顯示，實(shí)現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)書從技術(shù)部辦公室準(zhǔn)確快速下發(fā)到車間現(xiàn)場。

1.3 客戶端軟件功能設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

針對鉸鏈實(shí)際生產(chǎn)情況，分析了鉸鏈制造過程中從接受生產(chǎn)訂單，對訂單進(jìn)行生產(chǎn)排程，到生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集，以及訂單完成后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)切合實(shí)際需求的智能管理系統(tǒng)。主要包括編碼管理、物料管理、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析四個(gè)模塊。編碼管理子系統(tǒng)是按照一定的編碼規(guī)則完成對各種料件的編碼，物料管理負(fù)責(zé)設(shè)置產(chǎn)品和工藝的設(shè)置以及BOM的管理，生產(chǎn)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)訂單設(shè)置和生產(chǎn)排程的安排，數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)則為了統(tǒng)計(jì)產(chǎn)出數(shù)據(jù)及生成各種報(bào)表。軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RFID讀寫器與服務(wù)器之間的通信協(xié)議

RFID讀寫器通過無線WiFi與服務(wù)器相連，在服務(wù)器端運(yùn)行讀寫器后臺(tái)程序，后臺(tái)程序采用Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)編程接口，負(fù)責(zé)服務(wù)器與讀寫器之間的數(shù)據(jù)通信管理。每個(gè)讀寫器都有自己的IP地址，后臺(tái)程序可以通過IP地址唯一識(shí)別各臺(tái)讀寫器，可以利用廣播方式或者點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方式完成數(shù)據(jù)的傳輸。

讀寫器向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議，每次都按固定長度83字節(jié)發(fā)送，幀格式如圖3所示。

圖3 讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

開始符為“～”，結(jié)束符為“|”。服務(wù)器端接收到一幀數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆解，然后把有用的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以供系統(tǒng)客戶端讀取。服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)中，針對不同的Flag，需要反饋的信息類型如表1所示。

表1 接收Flag信息類型對照表

服務(wù)器向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議：

服務(wù)器向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)主要分為兩類，一類是反饋型數(shù)據(jù)，如讀寫器向服務(wù)器請求信息后，服務(wù)器就需要向讀寫器發(fā)送反饋信息。另一類是服務(wù)器主動(dòng)將消息數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器。無論是哪一類數(shù)據(jù)，服務(wù)器向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)，都采用固定幀格式發(fā)送。服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

圖4 服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

字節(jié)1至50為數(shù)據(jù)消息，設(shè)為data[50]的字節(jié)數(shù)組，即一幀數(shù)據(jù)可以表示為“～data[50]|”，“～”為開始符，“|”為結(jié)束符。根據(jù)data[0]的內(nèi)容來區(qū)分消息類型，對應(yīng)的說明如表2所示。

2.2 反饋型實(shí)時(shí)生產(chǎn)調(diào)度

在生產(chǎn)管理中，管理人員雖然對生產(chǎn)線的產(chǎn)能節(jié)拍和訂單任務(wù)的生產(chǎn)能耗有一定的評估，但都是建立在工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。但是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中存在著諸多不確定因素使得預(yù)期的生產(chǎn)排程與實(shí)際生產(chǎn)的進(jìn)度會(huì)出現(xiàn)偏差。一方面，有可能預(yù)料不足，即在預(yù)期完成生產(chǎn)的時(shí)間內(nèi)任務(wù)任然沒有按時(shí)完成導(dǎo)致不能按時(shí)出貨；另一方面，有可能預(yù)料有余，即實(shí)際生產(chǎn)過程中提前完成了預(yù)期安排的生產(chǎn)任務(wù)導(dǎo)致時(shí)間的閑置。傳統(tǒng)的ERP系統(tǒng)對于生產(chǎn)管理模塊只能做到預(yù)先的排產(chǎn)設(shè)置，當(dāng)計(jì)劃與實(shí)際出現(xiàn)偏差時(shí)，沒有提出及時(shí)的處理方式。本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，可以實(shí)時(shí)采集到車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對實(shí)際情況做出合理分析后，對生產(chǎn)排程中出現(xiàn)的問題作出適應(yīng)性的調(diào)整以減少計(jì)劃與實(shí)際的偏差，形成一個(gè)具有反饋機(jī)制的閉環(huán)管理系統(tǒng)。反饋型生產(chǎn)調(diào)度原理如圖5所示。

表2 data[0]的內(nèi)容對照表

圖5 反饋型生產(chǎn)調(diào)度原理

在實(shí)際調(diào)度過程中，生產(chǎn)管理人員可以預(yù)先設(shè)定各生產(chǎn)任務(wù)的開始和結(jié)束時(shí)間。在實(shí)際生產(chǎn)過程中系統(tǒng)會(huì)將生產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)第一時(shí)間通過網(wǎng)絡(luò)反饋到監(jiān)控界面，管理人員主要考慮如下幾種情形。

情形一：預(yù)料不足。由于各種原因?qū)е乱?guī)定時(shí)間內(nèi)完成率不能達(dá)到100%時(shí)，應(yīng)該考慮將該批次剩余未完成部分任務(wù)分派到其余有空閑時(shí)間的生產(chǎn)線并行加工，或者考慮通過加班來縮短完工時(shí)間，否則只能推遲下一批次生產(chǎn)任務(wù)的開始時(shí)間實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性重新排程。

情形二：預(yù)料有余。當(dāng)預(yù)期的生產(chǎn)任務(wù)提前完成時(shí)，應(yīng)該考慮其他不能按時(shí)完成任務(wù)的生產(chǎn)線，通過分?jǐn)偹麄兊娜蝿?wù)以達(dá)到完工時(shí)間的平衡，或者將下一生產(chǎn)任務(wù)的開始時(shí)間提前，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出效率最大化。

3 結(jié)語

在工業(yè)4.0與兩化融合的先進(jìn)思想指引下，工廠的智能化、生產(chǎn)信息化改造的進(jìn)程將進(jìn)一步向前推進(jìn)。當(dāng)前還處在工業(yè)3.0時(shí)代，能否投入更大量的計(jì)算機(jī)，部署更健全的工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，使用更多機(jī)器人，提高生產(chǎn)信息化管理水平會(huì)直接影響到我國未來制造業(yè)的發(fā)展速度。面對能耗大，離散程度高種類繁多等制約因素，利用RFID標(biāo)簽識(shí)別物件，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)，拉近管理人員與被管理物件之間的距離，達(dá)到發(fā)現(xiàn)更直觀，處理更方便，監(jiān)管更及時(shí)的效果。實(shí)踐證明，對于鉸鏈制造企業(yè)，通過物聯(lián)網(wǎng)+的智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)的運(yùn)行可以減輕工人負(fù)擔(dān)，對整個(gè)生產(chǎn)流程信息的清楚掌控使得生產(chǎn)管理更精細(xì)，生產(chǎn)調(diào)度更精準(zhǔn)。

［1］胡晶.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和“兩化”深度融合的比較研究［J］.學(xué)術(shù)交流，2015（1）：151-157.

［2］裴長洪，于 燕.德國“工業(yè)4.0”與中德制造業(yè)合作新發(fā)展［J］.財(cái)經(jīng)問題研究，2014（10）：27-33.

［3］楊韶華，柳召輝.智慧工廠安全生產(chǎn)監(jiān)控與決策管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（3）：103-104.

［4］Yifeng Cui，Zuoping Xu.RFID an?ti-collision search algorithm based on breadth-first dynamic binary.Comput?er applications and software［J］.2011（28）：277-279.

［5］黃毅，鄭力，向晴.基于復(fù)雜事件處理的RFID輔助實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，53（5）：721-728.

［6］任宜遠(yuǎn).基于RFID的庫存管理手持機(jī)開發(fā)研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2015（2）：64-66.

［7］錢杰，王琪，朱立明，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在卷煙濾棒使用過程中的應(yīng)用［J］.2014（s2）：333-334.

［8］孫書偉，胡國清.基于RFID物聯(lián)網(wǎng)的離散型車間物料輸送系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2014（11）：25-30.