物联网在车间制造执行系统的技术实现

The technical implementation of internet of things on the executive system of workshop manufacturing

房亚东，曾少华，陈　桦，毛晓博

（西安工业大学 机电工程学院，西安 710032）

FANG Ya-dong,　ZENG Shao-hua,　CHEN Hua,　MAO Xiao-bo



物联网在车间制造执行系统的技术实现

The technical implementation of internet of things on the executive system of workshop manufacturing

房亚东，曾少华，陈桦，毛晓博

（西安工业大学 机电工程学院，西安 710032）

FANG Ya-dong,ZENG Shao-hua,CHEN Hua,MAO Xiao-bo

摘要：为了解决传统的生产制造模式出现的车间控制层和计划层之间出现的信息“断层”现象，提出了MES管理信息系统与物联网技术结合的思路。针对机加工车间等典型的离散类制造车间进行分析，给出具体的MES系统设计思路与框架，并利用RFID技术和ZigBee技术具体设计出了制造车间物联网系统平台，最后利用Justep X5开发平台实现了MES系统与物联网技术的互联应用。

关键词：物联网技术；MES系统；Justep X5

0　引言

随着当今市场的快速变化和现代制造业的发展与转型，制造业正逐步向多品种小批量生产、能够快速响应市场变化及生产流程多变等方向转变。特别是经常变更的机械加工车间等典型的离散类制造车间[1,2]，其工序的生产计划编制困难，对车间制造管理的实时性要求高，从而导致企业运行效率低下和发展速度过快之间的矛盾日益加剧，因此市场对生产车间信息管理的效率带来了挑战[3,4]。虽然新的管理模式ERP系统具备了流程型生产和离散型生产的特点，但是ERP系统不能直接支持车间底层的管理流程，仍然存在生产管理信息的“断层”现象。针对这问题，本文主要是应用制造执行系统（MES）与物联网技术的联合不但解决了企业上下层间“断层”问题，而且也满足了机械加工车间等典型离散类制造车间信息化管理需求，提高车间的制造执行效率。

1　物联网技术、MES系统与信息管理系统的相关理论

1.1物联网技术

物联网是指通过各种信息传感设备和系统（传感网、红外感应器、激光扫描器、射频识别系统等）、全球定位系统、条码与二维码，将物品与物品、物品与人、人与人按照规定的通信协议连接起来，再通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪监控和管理的种信息网络技术[5,6]。物联网的关键技术包括RFID技术、ZigBee技术和无线传感网络技术。

1.2MES的相关概念及理论

MES是面向生产车间的管理信息系统，可以根据实时信息数据及时判断生产过程中的变化，同时可以兼容车间底层的各种信息管理信息系统，实现生产车间与管理层之间的信息传递，解决整个企业运行的信息断层问题。目前MES系统典型模型有层模型、集成系统模型、定位模型、功能模型以及REPAC模型等。

1.3信息管理系统理论

2　基于生产车间物联网环境平台的搭建

2.1物联网平台的总体框架设计

通过对物联网现有的各种体系结构进行分析对比，再结合制造车间特点，采用实用性层次体系的物联网结构来构建制造车间的物联网平台。底端是生产现场的数据采集层，通过多个RFID读写器组成的网络实施采集当前生产情况；中间层是ZigBee网络组建与传输模块，该层主要负责数据的长传；顶端是企业的管理模块，该层主要是车间管理人员查看当前生产状况以及员工通过智能客户端查看任务等。物联网在生产车间平台总体框架如图1所示。针对此平台的搭建主要突破两方面难题即RFID的读写网格设计和ZigBee的数据传输模块设计[9～11]。

图1　生产车间物联网平台总体框架图

2.2基于物联网在装配车间的实例分析

基于物联网的装配车间主要是在装配车间内部署大量RFID阅读器、RFID标签，并建立物料跟踪的ZigBee节点网络。对这些生产对象节点的工艺参数进行定义并按批次、模块对参数进行采集，分析工艺参数的相关性，全车间的物料跟踪流程都由此来支撑。在该装配车间，生产车间的生产数据、库存信息、质检数据以及零件移动情况等都可以由网络节点处的RFID读写器获取，然后通过参数计量信息的收集、整理及分析，可以对车间生产过程所涉及的生产单元、仓库仪表数据采集和录入以及设备使用情况等各种信息进行补充完善。从而能够为各种生产的运行提供物料移动、加工、库存和设备、管理层辅助决策和车间成本核算可靠保障[12]。本文以矮泵的生产装配为例。基于物联的矮泵生产流程如图2所示以及RFID标签信息说明如表1所示。

图2　基于物联的矮泵生产流程图

表1　RFID标签信息说明

3　MES系统的分析与实现

3.1制造车间MES系统分析

本系统设计为系统管理员、车间员工、班组长、车间主任等均可以各自不同的身份登录该系统，按照各自不同的权限查对车间的年度生产计划、月生产计划、当前生产进度、员工状态、设备状态等数据进行查看、分析以及处理。进而实现对生产车间信息的实时跟踪、监控以及信息的搜集共享等。该制造车间MES系统的结构框架如图3所示。

图3　MES系统结构框架图

图4　MES系统结构功能图

3.2MES系统的实现

依据上述分析，MES系统开发包括两大部分，包括硬件环境搭配与软件环境开发。本文软件的开发工具终端的管理系统是利用X5开发设计的，它为开发人员提供了完全可视化、组件化的开发环境。此外，它还具备超强的工作流、组织权限、组织机构、丰富的业务规则定制能力、复杂报表和图表，并且能够将各种复杂业务在任何浏览器终端进行展现和交互。

图5　MES系统登录界面

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4　结论

本文对单件小批量、多品种的离散制造车间生产特点进行分析，在此类生产车间搭建物联网环境平台，采用RFID读写器和手工录入的方式采集车间生产活动、设备利用状况、人员安排状况等各项数据信息，再利用ZigBee网络将上述数据传输到终端MES系统，从而实现对生产车间的实时监控与管理。由于物联网技术是种新兴的技术，它的发展在不断的更新与完善，对制造车间搭建的物联网环境平台和研究开发的MES系统中还有更进步研究和探索的地方。

参考文献：

[1] 严隽琪.制造系统信息集成技术[M].上海:上海交通大学出版社,2001.8:3-5.

[2] 王琦峰,刘飞,黄海龙.面向服务的离散车间可重构制造执行系统研究[J].计算机集成制造系统,2008,14(4)737-743.

[3] 谭竣菲.面向MES的离散制造业车间生产管理研究[D].重庆:重庆大学,2007:7-10.

[4] Storr A, HakeU. Computer Aided Tool Management[J]. Information and Technology for Advanced Manufacturing System. 1991,(9):481-487.

[5] 刘化君,刘传青.物联网技术[M].北京:电子工业出版社,2010,9:2-3.

[6] 王毅.物联网技术及应用[M].北京:国防工业出版社,2011,6:1-3.

[7] 严隽琪.制造系统信息集成技术[M].上海:上海交通大学出版社,2001.8:52-54.

[8] 季高荣.中小型企业管理信息系统研究[D].合肥:安徽大学,2012,5:9-21.

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[10] Wen-Tsai Sung, Yao-Chi Hsu. Designing an industrial real-time measurement and monitoring system based on embedded system and ZigBee[J]. Expert Systems with Applications.2011,38:4522-4529.

[11] Qingnan Huang, Fan Zhang, and Wenhui Chen. Research and Realization of Blood Pressure Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network.[J].Future Control and Automation,2012,172:205-211.

[12] MESA International. Executiona-driven manufacturing management for competitive advantage[R].MESA International White Paper Number5.1997.

[13] Justep X5快速开发平台[DB/OL].[2014-02-22].http://www. justep.com/studio.html.

制造软件

作者简介：房亚东（1976 -），男，江苏东海人，副教授，博士，研究方向为智能制造服务、跨界资源整合和激光再制造。

基金项目：陕西省特种加工重点实验室开发基金（ST-12010）

收稿日期：2015-11-23

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1009-0134(2016)03-0015-04