物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橡膠工業(yè)智能制造中的應(yīng)用

張輝，張海超，徐曉靜

（北京萬向新元科技股份有限公司，北京　100036）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橡膠工業(yè)智能制造中的應(yīng)用

Application of internet of things technology in rubber industry intelligent manufacturing

張輝，張海超，徐曉靜

（北京萬向新元科技股份有限公司，北京100036）

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，在工業(yè)信息化的進(jìn)程中占有重要地位。文章結(jié)合自動(dòng)配料及物流轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的實(shí)際案例，介紹了以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、PDA技術(shù)、車載平板、在線測(cè)量技術(shù)和位置感應(yīng)技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)智能感知技術(shù)在橡膠工業(yè)智能制造中的應(yīng)用。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化智能管控系統(tǒng)在倉庫、配料及密煉、部件、成型、硫化、檢測(cè)以及自動(dòng)物流系統(tǒng)中得到廣泛使用。在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)時(shí)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)被及時(shí)采集，指導(dǎo)生產(chǎn)過程快速調(diào)整，輔助制造過程智能化。實(shí)踐證明，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用，提高了企業(yè)車間的生產(chǎn)管理信息化水平，收到了良好的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益。

物聯(lián)網(wǎng)；智能感知技術(shù)；智能制造

隨著社會(huì)發(fā)展以及市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步推進(jìn)，輕工、橡膠等連續(xù)過程生產(chǎn)企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的發(fā)展日趨成熟，對(duì)橡膠工業(yè)制造系統(tǒng)的信息化程度要求越來越高[1]。在對(duì)原料的輸送配料混料、半制品及成品的自動(dòng)物流轉(zhuǎn)運(yùn)等復(fù)雜步驟中，系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅極大的提高了生產(chǎn)效率，減少工人操作[2]，還保障了生產(chǎn)過程的安全與可靠，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。

目前，生產(chǎn)企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的智能感知技術(shù)有射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)[3]，手持終端（PDA）技術(shù)，車載平板、在線測(cè)量技術(shù)以及位置感應(yīng)技術(shù)等。系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)中的工業(yè)硬件采集生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，用戶通過各種客戶端對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

本文結(jié)合實(shí)例，以自動(dòng)配料及物流轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)為典型案例，闡述了物聯(lián)網(wǎng)在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

在橡膠智能制造系統(tǒng)中，自動(dòng)配料及物流轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是橡膠生產(chǎn)的重要工序，在橡膠工業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，物料的智能物流轉(zhuǎn)運(yùn)，將很大程度促進(jìn)橡膠生產(chǎn)制造的智能化。

系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集，通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將射頻識(shí)別（RFID）、手持終端（PDA）、 車載平板、在線測(cè)量等智能傳感設(shè)備與計(jì)算機(jī)、用戶等通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系到一起，實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)、設(shè)備與系統(tǒng)、設(shè)備與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制管理，詳細(xì)的構(gòu)架體系如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層：主要是通過各種智能數(shù)據(jù)采集終端如RFID、位置傳感器、PDA、在線測(cè)距傳感器、車載平板等進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

網(wǎng)絡(luò)層：通過以太網(wǎng)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將智能數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)信息安全性、可靠性的傳輸?shù)綉?yīng)用層，形成一個(gè)內(nèi)部局域網(wǎng)，確保實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。同時(shí)通過互聯(lián)網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到各種客戶端，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的高效管理。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

應(yīng)用層：主要的工作是為用戶提供可視化界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的智能交互。

數(shù)據(jù)處理：即為應(yīng)用程序?qū)?，將通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可為其它企業(yè)管理軟件（如ERP/PDM/PLM/EMS/EAM等）提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)，拓展性好。

人機(jī)交互：是通過終端設(shè)備，提供人機(jī)界面。為操作人員提供實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，有助于數(shù)據(jù)分析，提高生產(chǎn)管理效率。

與傳統(tǒng)的單機(jī)化系統(tǒng)相比，采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化系統(tǒng)解決了信息孤島問題，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)的互聯(lián)互通，可較大幅度的提升生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)管理更為便捷化，保證品質(zhì)，同時(shí)降低成本。

2　數(shù)據(jù)采集

2.1數(shù)據(jù)采集層網(wǎng)絡(luò)配置

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)及其系統(tǒng)流程分析，數(shù)據(jù)采集層網(wǎng)絡(luò)模塊配置如圖2所示。

2.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)

2.2.1基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集

圖2　網(wǎng)絡(luò)模塊圖

通過廠區(qū)內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)覆蓋，結(jié)合PLC以太網(wǎng)模塊，將生產(chǎn)過程中的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)、物料狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)組ES系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，將最新的設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程及物料狀態(tài)等展現(xiàn)在終端用戶面前。

2.2.2無線覆蓋及PDA技術(shù)

在生產(chǎn)過程中，根據(jù)需求的不同使用不同的數(shù)據(jù)采集終端，部分需要人工錄入的信息，可通過無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并由操作人員攜帶手持PDA或車載平板終端進(jìn)行條碼掃描以實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)錄入。

將掃描后的條碼信息實(shí)時(shí)傳送到MES系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析，主要包括：點(diǎn)檢信息、巡檢品質(zhì)記錄、工模具更換記錄、庫存系統(tǒng)修正、材料防誤記錄等。

2.2.3位置感應(yīng)及RFID技術(shù)

在物料流轉(zhuǎn)過程中，通過在裝載、稱重、收取等位置安裝位置感應(yīng)傳感器及RFID天線，可實(shí)時(shí)讀取綁定到容器的RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)材料與容器的數(shù)據(jù)綁定，并在上料時(shí)實(shí)現(xiàn)材料防誤的無人化，保證材料使用的正確性并追溯。

由于輪胎生產(chǎn)的特殊性，可采用抗金屬干擾的超高頻RFID技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。采用可重復(fù)使用的標(biāo)簽安裝在容器的合適位置，可減少實(shí)施成本。RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

圖3　RFID數(shù)據(jù)傳遞

2.2.4在線測(cè)量技術(shù)

在橡膠制品或輪胎的部件生產(chǎn)階段，通過高精度的激光在線測(cè)量技術(shù)，可快速的進(jìn)行制品數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過MES傳入到SPC系統(tǒng)中進(jìn)行快速的制程分析，保證制程的穩(wěn)定性。同時(shí)將數(shù)據(jù)立刻反饋到設(shè)備中，進(jìn)行機(jī)臺(tái)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)誤差校正，在線即可減少不良產(chǎn)品的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率。

3　系統(tǒng)應(yīng)用

3.1客戶端技術(shù)

（1）C/S及B/S結(jié)合的PC客戶端應(yīng)用

可采用以本地應(yīng)用為基礎(chǔ)的C/S架構(gòu)結(jié)合以瀏覽器為基礎(chǔ)的B/S架構(gòu)，滿足不同用戶的使用需求，通過友好的用戶界面進(jìn)行系統(tǒng)訪問，實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)生產(chǎn)，查找相關(guān)材料追溯、生產(chǎn)歷史、產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以更為直觀快速的獲取實(shí)際生產(chǎn)信息，有利于提高管理效率。

（2）APP技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于管理人員通過使用MES的APP客戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控，滿足管理者隨時(shí)隨地對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行有效監(jiān)控的需求，同時(shí)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的處理操作，有利于提高生產(chǎn)管理的及時(shí)性和便捷性。

（3）LED電子看板及安燈系統(tǒng)

通過LED電子看板等現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互界面，將生產(chǎn)信息在看板上進(jìn)行展現(xiàn)，生產(chǎn)過程更為直觀，提高了生產(chǎn)管理的透明化。同時(shí)結(jié)合安燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的快速報(bào)警及報(bào)修，提高系統(tǒng)維修效率。

（4）flexsim仿真技術(shù)

確定系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成及系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用設(shè)計(jì)后，通過flexsim場(chǎng)景仿真技術(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)參數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，其仿真結(jié)構(gòu)如下圖4所示。分析仿真結(jié)果，總結(jié)出最佳配置方案，應(yīng)用于生產(chǎn)，從而提高生產(chǎn)效率，降低資源損耗。

3.2功能應(yīng)用

（1）多終端實(shí)時(shí)監(jiān)控、快速調(diào)度：生產(chǎn)過程、工藝管理、質(zhì)量數(shù)據(jù)、庫存量等在各種終端上都可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)問題及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，提高問題的發(fā)現(xiàn)的及時(shí)性、減少因?yàn)閱栴}處理過慢而導(dǎo)致的生產(chǎn)效率降低。

圖4　仿真架構(gòu)設(shè)計(jì)

（2）實(shí)時(shí)SPC：減少對(duì)常規(guī)檢驗(yàn)的依賴性，定時(shí)的觀察以及系統(tǒng)的在線測(cè)量方法替代了大量的檢測(cè)和驗(yàn)證工作，自動(dòng)產(chǎn)生的SPC分析報(bào)表，有利于提高制品品質(zhì)、節(jié)約生產(chǎn)成本。

（3）故障快速響應(yīng)：現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備一旦發(fā)生故障，可以通過安燈系統(tǒng)提示、LED報(bào)警以及短信提示等方式，快速產(chǎn)生維修計(jì)劃，維修工可對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)的處理與維修，提高了故障處理效率，減少了故障處理時(shí)間。

（4）快速及多平臺(tái)批量追溯：使用各種終端平臺(tái)可通過條碼或批次信息進(jìn)行快速的正向及反向的批量追溯，查詢到橡膠制品或輪胎制造的各個(gè)階段的生產(chǎn)、設(shè)備、人員、工藝、物料等信息，若有異常品可在系統(tǒng)中進(jìn)行快速隔離，防止不良品流出，也可實(shí)現(xiàn)快速的客訴品分析。

4　結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際案例，闡述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在橡膠工業(yè)智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用，并使用仿真技術(shù)，模擬了各類工況，驗(yàn)證了系統(tǒng)配置的協(xié)調(diào)性，降低了裝備的制造和應(yīng)用成本，為橡膠企業(yè)帶來實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用提高了橡膠制品或輪胎生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化水平。同時(shí)，依托廣泛的物聯(lián)網(wǎng)硬件，可以進(jìn)一步對(duì)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，探尋系統(tǒng)參數(shù)與效率的深入關(guān)系，為大數(shù)據(jù)挖掘奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可更好的服務(wù)于企業(yè)。

(R-03)

TQ330.493

1009-797X(2016)18-0069-03

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.18.019

張輝（1985-），男，主要從事橡膠工業(yè)信息化自動(dòng)化軟件系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用研究工作，榮獲2013年度中關(guān)村科技園區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)創(chuàng)新標(biāo)兵。

2016-08-02