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)量管控不嚴格等問題充分暴露，已經(jīng)嚴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)制造新時代和智能工廠以及智能制造的思想正在萌動。RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在庫存等物料監(jiān)控使用以及在產(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)和物料傳送系統(tǒng)中。

    門窗鉸鏈是現(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1000多種。目前生產(chǎn)自動化水平較低低，相當多的工序仍然依靠人工操作，生產(chǎn)管理信息化程度低，嚴重制約產(chǎn)能和質(zhì)量提升。針對企業(yè)技術(shù)升級，一方面大量引進自動化設(shè)備，另一方面對生產(chǎn)經(jīng)營管理進行信息化改造。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)場實時采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送，達到實時信息共享，及時掌控生產(chǎn)現(xiàn)狀以及對異常問題作出及時處理。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，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)計和實施。

    1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

    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)。同時在該生產(chǎn)線各個工位安裝了嵌入式小主機、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。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    1.2 服務(wù)器端結(jié)構(gòu)設(shè)計

    系統(tǒng)采用SOA架構(gòu)，以SQL Server2005為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用分布式數(shù)據(jù)庫，總服務(wù)器與車間工控機服務(wù)器之間通過發(fā)布與訂閱的方式實現(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)，當網(wǎng)絡(luò)空閑后，通過隊列等候方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給總服務(wù)器，同時同步更新總服務(wù)器的數(shù)據(jù)到本臺工控機上。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，不需要直接與總服務(wù)器對接，這樣減少了網(wǎng)絡(luò)負荷，同時挺高了數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

    服務(wù)器除了管理數(shù)據(jù)庫外，還負責(zé)管理作業(yè)指導(dǎo)書的圖片文件。客戶端、服務(wù)器和生產(chǎn)線小主機這三者通過FTP協(xié)議對圖片文件進行傳輸。服務(wù)器作為中間存儲設(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)線小主機下載顯示，實現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)書從技術(shù)部辦公室準確快速下發(fā)到車間現(xiàn)場。

    1.3 客戶端軟件功能設(shè)計

    針對鉸鏈實際生產(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)計的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，設(shè)計切合實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)計產(chǎn)出數(shù)據(jù)及生成各種報表。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)器端運行讀寫器后臺程序，后臺程序采用Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)編程接口，負責(zé)服務(wù)器與讀寫器之間的數(shù)據(jù)通信管理。每個讀寫器都有自己的IP地址，后臺程序可以通過IP地址唯一識別各臺讀寫器，可以利用廣播方式或者點對點傳輸方式完成數(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。

表2 data[0]的內(nèi)容對照表

    2.2 反饋型實時生產(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)驗的基礎(chǔ)上。但是現(xiàn)實生產(chǎn)中存在著諸多不確定因素使得預(yù)期的生產(chǎn)排程與實際生產(chǎn)的進度會出現(xiàn)偏差。一方面，有可能預(yù)料不足，即在預(yù)期完成生產(chǎn)的時間內(nèi)任務(wù)任然沒有按時完成導(dǎo)致不能按時出貨；另一方面，有可能預(yù)料有余，即實際生產(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，當計劃與實際出現(xiàn)偏差時，沒有提出及時的處理方式。本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，可以實時采集到車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對實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)整以減少計劃與實際的偏差，形成一個具有反饋機制的閉環(huán)管理系統(tǒng)。反饋型生產(chǎn)調(diào)度原理如圖5所示。

圖5 反饋型生產(chǎn)調(diào)度原理

    在實際調(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)束時間。在實際生產(chǎn)過程中系統(tǒng)會將生產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)第一時間通過網(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)定時間內(nèi)完成率不能達到100%時，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間的生產(chǎn)線并行加工，或者考慮通過加班來縮短完工時間，否則只能推遲下一批次生產(chǎn)任務(wù)的開始時間實現(xiàn)適應(yīng)性重新排程。

    情形二：預(yù)料有余。當預(yù)期的生產(chǎn)任務(wù)提前完成時，應(yīng)該考慮其他不能按時完成任務(wù)的生產(chǎn)線，通過分攤他們的任務(wù)以達到完工時間的平衡，或者將下一生產(chǎn)任務(wù)的開始時間提前，以實現(xiàn)產(chǎn)出效率最大化。

3 結(jié)語

    在工業(yè)4.0與兩化融合的先進思想指引下，工廠的智能化、生產(chǎn)信息化改造的進程將進一步向前推進。當前還處在工業(yè)3.0時代，能否投入更大量的計算機，部署更健全的工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，使用更多機器人，提高生產(chǎn)信息化管理水平會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標簽識別物件，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物物相聯(lián)，拉近管理人員與被管理物件之間的距離，達到發(fā)現(xiàn)更直觀，處理更方便，監(jiān)管更及時的效果。實踐證明，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)的運行可以減輕工人負擔，對整個生產(chǎn)流程信息的清楚掌控使得生產(chǎn)管理更精細，生產(chǎn)調(diào)度更精準。