打造未来智慧工厂的物流控制系统

昆船物流信息产业有限公司 穆建军，曹月琴

打造未来智慧工厂的物流控制系统

昆船物流信息产业有限公司 穆建军，曹月琴

在智慧工厂中，物流控制系统是生产机器和产品间一条沟通的纽带：它具有智能感知、智慧控制的特点。系统中人的干预和决策将大大减少。在未来智慧工厂中，物流控制系统以物联网技术为基础，利用信息传感设备，按约定的协议，把被处理对象与互联网相连接。在不久的将来，随着工厂的智能化，自动化物流系统必将转变为智能化物流系统。

智慧工厂；物流控制系统；信息物理系统；物联网

1 概述

蒸汽机的发明和以机器生产代替手工劳动将人类社会带入了第一次工业革命；电磁感应现象的发现，以及电力的广泛应用掀起了第二次工业革命的高潮；继此之后，科学技术转化为直接生产力的速度加快，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，第三次工业革命拉开了序幕。数字化革命使传统工业更加机械化、自动化，从而减少了工作成本，使整个社会的运作模式彻底改变。科学技术发展如此之快，有人甚至已经开始宣称第四次工业革命即将到来。

智慧工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，在数字化工厂的基础上，利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务，减少人工干预，及时正确地采集生产线数据，合理安排生产计划和生产进度。智慧工厂由机器构成的团体将自行组织，设备和被处理对象将自动相互协调，从原料入库到最终变为成品，每一道工序中的自动化设备都能从被处理对象处获取相关数据，用于确定自身工作流程。它的实现基于“信息物理系统（CPS）”，通过使用微型处理器、存储装置、传感器和发送器来实现，这些装置被嵌入几乎所有机器和材料以及用于组织数据流的智能工具中。通过这些技术使被处理对象和机器能够相互通信并交换命令。

智慧工厂中的物流控制系统在生产机器和被处理对象间建立起了一条沟通的纽带：按照生产数据的要求，将被处理对象送到它该去的地方。智慧工厂中的物流控制系统具有智能感知、智慧控制的特点，人对系统的干预和决策将大幅减少。

2 实现的技术

未来智慧工厂的物流控制系统负责了生产设备和被处理对象的衔接，在系统中起到了承上启下的作用。它以物联网技术为基础，利用射频识别（RFID）、光电感应、红外感应器、超声波感应、激光扫描器、机械视觉识别等信息传感设备，按约定的协议，将被处理对象与互联网相连接。

随着近几十年来控制技术的飞速发展，传统传感器逐渐转变为智能传感器融入到泛在网络，控制网络由原有的专用现场总线逐渐向以太网靠拢，从生产车间到办公室和信息中心实现了网络的一体化，云技术也在高速发展并普及，这一切都为工厂自动化系统的智慧控制奠定了基础。下面就智慧工厂的物流控制系统关键技术做一下简要介绍。

2.1条码识别技术

条码识别技术于20世纪中叶提出，近年来发展和普及很快。条码识别技术集光、机、电和计算机技术为一体，是将数据进行自动采集并输入控制系统的重要方法和手段。实现了信息的快速、准确获取与传输，是信息管理系统和管理自动化的基础。条码技术有机地联系了各行各业的信息系统，为实现物流和信息流的同步提供了技术手段，有效地提高了供应链管理的效率。除用于信息承载和跟踪外，条码识别技术还应用于高速移动设备的定位等。条码识别技术一般涉及到两个部分：条码标签和条码阅读器。条码标签负责数据的承载，条码阅读器负责解码和数据交换。条码标签上的条形码有一维码和二维码之分，如图1所示。目前，一维码在物流控制系统中得到了广泛应用，但二维码在密度、纠错能力、可表示的内容等方面都优于一维码，替代一维码已经成为发展的趋势。

图1 一维码与二维码对比

2.2射频识别技术（RFID）

射频识别技术（RFID）是实现物与物间信息交换的主要技术手段，分为了两个主要部分：嵌入到设备中的读写单元和嵌入到物料（容器）中的载码体（TAG）。读写单元一般包含了天线、读写模块和通讯模块。载码体中一般包含了耦合元件和存储单元。载码体进入磁场后，接收读写单元发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），读写单元读取信息并解码后，送至控制系统进行数据处理，并将控制系统相关生产数据写到载码体中，如图2所示。

图2 RFID系统示意图

RFID产品分为无源RFID、有源RFID、半有源RFID三大类。现阶段以无源RFID应用最为广泛。无源RFID属于近距离接触式识别类。其产品按工作频率分为低频125kHz、高频13.56MHz、超高频915MHz等类型。在物流控制系统中高频和超高频RFID应用最多。例如在烟丝装箱系统中使用高频RFID对烟丝重量、水分、批次等信息进行记录和跟踪、在成品件箱联运中使用超高频RFID对托盘上的件箱品牌、生产日期等信息进行记录和跟踪等。

与条码识别技术相比，射频识别RFID具有以下优势：

（1）可以隐藏在包装内部。无论是激光式扫描还是拍照式条码识别器都需要读写器能捕获条码影像，当条码标签被遮挡时无法进行识别。此外，条码读取过程还受光源、景深、视野等条件的限制。使用RFID就可以突破这些限制。只要载码体处在感应范围内，读写单元就能与其进行信息交换。而感应范围可以根据需要进行选择，例如高频RFID阅读器通常可以读取几厘米范围内的载码体，超高频RFID读写单元可以读取几米内的载码体，自带电池的主动标签，有效识别距离可达到几十米；

（2）可靠的封装。经过特殊工艺封装的载码体可以满足高温、油渍、粉尘、潮湿等恶劣环境应用的需求，可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上；

（3）信息数据容量大。数据容量最大的二维条形码（PDF417），最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID载码体则可以根据用户的需要扩充到数十K的数据容量；

（4）载码体所承载的数据可动态更改。支持读写操作的载码体可以通过读写单元更新数据，从而实现物料（容器）与机械设备信息的交互，写入时间比打印条形码更少，从根本上使物与物间对话成为可能。

目前RFID技术已经在自动化物流控制系统中广泛应用。

2.3机械视觉识别技术

机器视觉是一种具有眼睛系统的机器。它将计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性, 与人类视觉的高度智能化和抽象能力结合在一起，通过对目标物体图像的采集和处理得出分析结果，并上传到控制系统。机器视觉识别系统（如图3所示）的应用减少了人工对自动化系统决策的参与，使得物流控制系统自动化程度得以进一步提升。与射频识别的物与物对话不同，视觉识别直接对被处理对象的外形、颜色、明暗等属性进行判断，机械设备根据判断结果决定处理工艺及物流方向，无需与被处理对象直接对话。机器视觉识别系统一般包括：光源、照相机系统、图像处理单元、图像处理组态软件、监视设备、通讯输入输出单元等。它为机器设备增加了一双眼睛，实现了机器自主判断的功能。

图3 机械视觉识别

2.4网络通信技术

在智慧工厂的愿景之下，物流控制系统数据传输依赖于统一的网络通信平台，如图4所示。众多的工控厂家已经逐渐将自己的工业现场总线向基于以太网技术的通讯技术靠拢。菲尼克斯电气从全球最早的总线产品INTERBUS转向全面的以太网解决方案，支持市面上的大部分工业以太网现场总线；西门子（SIEMENS）公司在PROFIBUS DP之后开始主推PROFINET相关产品；罗克韦尔自动化（ROCKWELL Automation）公司在Control Net、DeviceNet之后开始主推EtherNet/IP产品；2003年起，倍福公司倾力推广EtherCAT实时工业以太网……虽然这些工业以太网为了保证网络的实时性，与办公网络略有差异，但他们都已经融合了标准以太网的相关协议，实现了数据流从生产设备到信息中心的传递。

工业以太网在满足实时性要求的同时，提升了网络带宽，相同时间内网络承载的信息量大大增加，而WIFI、WiMax、4G网络、3G网络、WLAN、NFC、蓝牙、Zigbee等无线泛在网络技术的发展和普及为实现人和物、物和物之间的对话提供了更多的手段，使云处理技术能够延伸到更多的地方。

图4 工业网络通信技术示意

2.5相关软件技术

目前，物流控制系统中底层控制软件实现了设备动作逻辑控制、数据采集、数据存储和共享，还需向与流程无关、智能化的方向发展；上位软件平台目前也未实现统一，系统的物料管理、人员规划和成本计算很多由企业资源规划系统（ERP）来完成，生产作业控制由制造执行系统（MES）完成，而这两个系统与底层控制系统间还需要仓储管理系统（WMS）和仓库控制系统（WCS）来进行协调，这导致了数据在系统之间不能顺畅、完整地传送。 因此，软件技术需要提高的空间还很大。

3 对未来的思考

通过以上对几种技术的分析介绍，可以看出打造智慧工厂中的物流控制系统已经不再遥不可及，智慧工厂所需的很多基础技术在目前的物流自动化系统中已经有了广泛应用。后面需要做的工作是如何把他们有机地整合到一起。这一整合与现阶段的集成相比技术上要复杂得多，但集成的过程应该更加简单。现阶段集成还处于比较低级的阶段，设备的加入还需要人工进行组态，并进行系统编程。一旦设备发生变化或者工艺发生变化，需要人工对系统进行从上到下的改造。

随着纳米技术的发展，物流控制系统中的各种技术都将被嵌入到各类设备中，使其成为智能设备，由云计算管理中心统一协调和安排工作，使设备的集成更加“智慧”：智能设备控制将具有统一的接口，能实现“即插即用”。就如我们电脑中正在使用的USB接口设备一样，无论是鼠标、键盘还是U盘只要符合USB协议，连接到系统就能使用。智慧工厂中的物流控制系统也与此相似，设备控制程序的调用自动进行，设备之间应能无缝集成、自动交互。

智慧工厂中的物流控制系统将具有统一的管理软件平台，保证数据连续的同时，实现统一的资源协调和统一的计划安排。最终实现减少人工干预，智慧控制，提高生产效率的目标。

目前，很多工控厂商、学术研究机构、政府部门已经把目光聚焦于物联网、智慧工厂等前沿技术。相信不久的将来，自动化物流系统必将随着工厂机械设备的智能化而转变为智能化物流系统，它将在第四次工业革命中绽放光芒。

[1] 李虹. 物联网 生产力的变革[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2010.

[2] 彭瑜. 智慧工厂: 从电气化到智慧化[J]. 电气工业, 2013, 07.

Construction of Future Logistics Control System of Intelligent Factory

In the intelligent factory, logistics control system is a communication link between the production of machines and products. It has the characteristics of intelligent perception, intelligence control. In the system, human intervention and decision will be greatly reduced. In the future of intelligent factory, logistics control system will be based on Internet of things technology. Making use of the information sensing equipment, the processed object is connected with internet by the agreement. In the near future, with the development of intelligent factory logistics system will transform from automation to intelligence.

Intelligent factory; Logistics control system; Cyber physical systems; The internet of things

穆建军（1977-）, 男，云南镇雄人，高级工程师，毕业于中国农业大学，现任昆明物流信息产业有限公司电气部副主任，副主任设计师，主要负责电控开发工作。

曹月琴（1976-），女，四川邛崃人，高级工程师，现任昆明物流信息产业有限公司电气部设计室主任，副主任设计师，主要负责电控系统规划设计工作。