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)潛在的制造技術水平低、生產(chǎn)管理模式落后、效率低和產(chǎn)品質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件，是影響門窗質量和安全性的關鍵部件。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)能和質量提升。針對企業(yè)技術升級，一方面大量引進自動化設備，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)結合。MES系統(tǒng)中應用RFID物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)網(wǎng)絡化、智能化的管理模式，構成閉環(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)的總體結構和一部分關鍵技術的設計和實施。

    1 系統(tǒng)整體架構設計

    1.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

    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，采用分布式結構。在車間的每條生產(chǎn)線設置了工控機作為該生產(chǎn)線的服務器，通過現(xiàn)場總線與各主要設備互聯(lián)，采集和設置工藝參數(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)絡設備全部與生產(chǎn)線服務器鏈接。各生產(chǎn)線服務器接入公司局域網(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)絡結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

    1.2 服務器端結構設計

    系統(tǒng)采用SOA架構，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，總服務器與車間工控機服務器之間通過發(fā)布與訂閱的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。各車間服務器只需管理自己控制的產(chǎn)線的數(shù)據(jù)，當網(wǎng)絡空閑后，通過隊列等候方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送給總服務器，同時同步更新總服務器的數(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器對接，這樣減少了網(wǎng)絡負荷，同時挺高了數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

    服務器除了管理數(shù)據(jù)庫外，還負責管理作業(yè)指導書的圖片文件。客戶端、服務器和生產(chǎn)線小主機這三者通過FTP協(xié)議對圖片文件進行傳輸。服務器作為中間存儲設備，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)指導書從技術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，物料管理負責設置產(chǎn)品和工藝的設置以及BOM的管理，生產(chǎn)管理子系統(tǒng)負責訂單設置和生產(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。軟件架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能結構圖

    2 系統(tǒng)關鍵技術

    2.1 RFID讀寫器與服務器之間的通信協(xié)議

    RFID讀寫器通過無線WiFi與服務器相連，在服務器端運行讀寫器后臺程序，后臺程序采用Windows Sockets網(wǎng)絡編程接口，負責服務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“~”，結束符為“|”。服務器端接收到一幀數(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

    服務器向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議：

    服務器向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)主要分為兩類，一類是反饋型數(shù)據(jù)，如讀寫器向服務器請求信息后，服務器就需要向讀寫器發(fā)送反饋信息。另一類是服務器主動將消息數(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。服務器發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。

圖4 服務器發(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，“|”為結束符。根據(jù)data[0]的內(nèi)容來區(qū)分消息類型，對應的說明如表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)驗的基礎上。但是現(xiàn)實生產(chǎn)中存在著諸多不確定因素使得預期的生產(chǎn)排程與實際生產(chǎn)的進度會出現(xiàn)偏差。一方面，有可能預料不足，即在預期完成生產(chǎn)的時間內(nèi)任務任然沒有按時完成導致不能按時出貨；另一方面，有可能預料有余，即實際生產(chǎn)過程中提前完成了預期安排的生產(chǎn)任務導致時間的閑置。傳統(tǒng)的ERP系統(tǒng)對于生產(chǎn)管理模塊只能做到預先的排產(chǎn)設置，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)的問題作出適應性的調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)調度原理如圖5所示。

圖5 反饋型生產(chǎn)調度原理

    在實際調度過程中，生產(chǎn)管理人員可以預先設定各生產(chǎn)任務的開始和結束時間。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：預料不足。由于各種原因導致規(guī)定時間內(nèi)完成率不能達到100%時，應該考慮將該批次剩余未完成部分任務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)任務的開始時間實現(xiàn)適應性重新排程。

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

3 結語

    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，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)調度更精準。