劉旭東 ，孫文磊，崔權維

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊　830047)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的車間制造系統(tǒng)實時信息提取與控制*

劉旭東 ，孫文磊，崔權維

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830047)

摘要：激烈的競爭環(huán)境以及信息技術的迅速發(fā)展促進了企業(yè)車間數(shù)字化制造系統(tǒng)的不斷升級，文章提出了一種基于車間制造執(zhí)行系統(tǒng)實時信息提取與控制方法。主要包括網(wǎng)絡DNC模塊，管理模塊，監(jiān)控模塊和統(tǒng)計分析模塊的功能，詳細地闡述了各個模塊的工作原理，并將它與現(xiàn)有的其他系統(tǒng)做了比較說明。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎綜合了“數(shù)字化工廠”與MES系統(tǒng)的優(yōu)點，極大地提高了產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的透明性和可控性。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實時信息 ；制造執(zhí)行系統(tǒng)；信息提取

0引言

智慧工廠的迅速發(fā)展和工業(yè)4.0的蓬勃興起使得現(xiàn)代制造業(yè)正經(jīng)歷著一場巨大的產(chǎn)業(yè)革命。Internet在改變信息傳遞方式的同時也改變著企業(yè)組織管理方式，使以滿足全球化市場用戶需求為核心的快速、智能化制造活動成為可能。從制造業(yè)信息化進程可看出，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、信息技術、計算機技術的迅速發(fā)展，未來的制造業(yè)在某種意義上將成為一種信息產(chǎn)業(yè)，信息將成為制造業(yè)的決定因素，用信息技術促進未來制造業(yè)已成為時代潮流[1]。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的數(shù)字化工廠和MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))就是信息技術與車間生產(chǎn)管理相結(jié)合的典型代表。但現(xiàn)有文獻中所提到的“數(shù)字化工廠”其實質(zhì)往往更傾向于“虛擬制造”，是產(chǎn)品計劃、設計、模擬生產(chǎn)以及管理全過程的協(xié)同工作[2-4]，而“車間制造執(zhí)行系統(tǒng)”更側(cè)重與對車間真實產(chǎn)品生產(chǎn)過程的管理[5-6]?；趯崟r信息的車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(Based on the Real-time information MES, BRTI-MES)綜合了“數(shù)字化工廠”和“制造執(zhí)行系統(tǒng)”的各方面優(yōu)點，使得產(chǎn)品在整個生產(chǎn)制造過程中透明度更高，可控性更好。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外的制造企業(yè)都積極地將資金投入到物聯(lián)網(wǎng)研究的各個環(huán)節(jié)中，利用數(shù)字化制造提升企業(yè)綜合競爭力已經(jīng)成為全球制造企業(yè)的共識?；谖锫?lián)網(wǎng)的數(shù)字化制造技術的研究也已成為國內(nèi)外相關領域的研究熱點。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES系統(tǒng))是美國AMR公司在20世紀90年代初提出的，目的在于加強物料需求計劃MRP的執(zhí)行功能，把MRP計劃同車間作業(yè)現(xiàn)場控制，通過執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)系起來[7]。Tecnomatix 公司 CAPE 軟件 eMPower 是對一個完整的工廠從生產(chǎn)線、加工單元到工序操作的所有層次進行設計、仿真和優(yōu)化的集成計算機環(huán)境[8]。它的目標主要是生產(chǎn)計劃、工藝管理、生產(chǎn)過程組織等領域的設計和優(yōu)化問題。我國對物聯(lián)網(wǎng)尤其是MES的研究起步較晚，在理論方面目前主要停留在對其內(nèi)涵及有關單一技術(如工序調(diào)度)研究方面。在制造執(zhí)行系統(tǒng)應用方面，大多側(cè)重于軟件開發(fā)及其建模，而且應用水平基本只達到MES技術的早期階段(專用MES和集成化MES)，也缺乏具體實際工程應用研究。與西方發(fā)達國家相比，無論是在技術深度與應用廣度上都存在較大差距[9]。

2BRTI-MES體系結(jié)構(gòu)

基于實時信息的車間制造系統(tǒng)位于企業(yè)的執(zhí)行層，是上層計劃層 MRPII/ERP 和底層設備控制系統(tǒng) (Device Control System, DCS)之間的橋梁[10]。上層計劃層綜合PDM數(shù)據(jù)向制造執(zhí)行系統(tǒng)傳遞指令任務和物料信息，包括工藝BOM，工藝規(guī)程，設計圖紙，生產(chǎn)計劃，工時定額等。制造執(zhí)行系統(tǒng)通過有效地利用、控制和管理信息流、工作流和資源流，實現(xiàn)組織內(nèi)所有成員之間的資源共享和高度協(xié)同工作，實時向計劃層反饋任務執(zhí)行結(jié)果和物料使用信息等。底層控制系統(tǒng)通過DNC(Distributed Numerical Control)解決數(shù)控機床在企業(yè)中“信息孤島”的地位,實現(xiàn)數(shù)控機床內(nèi)資源信息的共享。BRTI-MES通過與DNC接口向DNC下達任務指令，再由DNC分發(fā)到各單位機床執(zhí)行操作。DNC向BRTI-MES實時反饋指令下達成功與否、產(chǎn)品的加工狀態(tài)以及設備信息。BRTI-MES的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　BRTI-MES體系結(jié)構(gòu)

3BRTI-MES與現(xiàn)有MES系統(tǒng)之間的比較

現(xiàn)有的MES系統(tǒng)其關注的信息主要是通過物聯(lián)網(wǎng)底層的感知與標識技術對半成品或成品的信息以掃描或感知等方式得來的數(shù)據(jù)，中間人為干預的環(huán)節(jié)較多，使得生產(chǎn)過程中的不可控因素增多。在一個生產(chǎn)企業(yè)中，MES的主要功能是對所有成品或半成品包括原材料在內(nèi)的信息通過統(tǒng)一掃碼進行信息統(tǒng)計，并匯集成最終信息將其制成最終條碼以達到對成品的生產(chǎn)過程的監(jiān)控作用。在整個過程中，MES發(fā)揮的指導，監(jiān)控作用較為微弱。基于實時信息的制造執(zhí)行系統(tǒng)則相對地對整個設計，生產(chǎn)，監(jiān)控，分析過程有較全面的作用。計劃層和執(zhí)行層可以實時通話，對產(chǎn)品設計圖紙和工藝以及生產(chǎn)計劃等可以隨時更改，以求最優(yōu)化生產(chǎn)。底層控制層則實時向上反饋產(chǎn)品加工狀態(tài)和各種設備信息，務求使計劃層實時的掌控全局。

4BRTI-MES的構(gòu)成與實現(xiàn)

基于實時信息的車間制造系統(tǒng)是由網(wǎng)絡DNC模塊，管理模塊以及監(jiān)控模塊和統(tǒng)計分析模塊組成的。網(wǎng)絡DNC模塊處于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)層，主要負責底層數(shù)據(jù)的采集和上層指令的傳送。管理模塊處于物聯(lián)網(wǎng)的控制層，是對所有的PDM數(shù)據(jù)和信息流、工作流和資源流進行綜合控制和協(xié)調(diào)管理，以達到資源的最優(yōu)化利用和企業(yè)利益最大化。監(jiān)控模塊和統(tǒng)計分析模塊屬于物聯(lián)網(wǎng)的知識層，是將采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合其他PDM數(shù)據(jù)進行綜合、分析、對比、反饋，是計劃層了解生產(chǎn)和管理狀況的依據(jù)，也是計劃層進一步優(yōu)化管理的數(shù)據(jù)和理論支撐。下面將對上述模塊進行逐一詳細地介紹。

4.1網(wǎng)絡DNC模塊與實現(xiàn)

DNC又分為DNC采集模塊、DNC通信模塊和DNC管理模塊。DNC標準數(shù)據(jù)采集模塊為大規(guī)模多級分布式采集架構(gòu),采用這樣的系統(tǒng)接口組成結(jié)構(gòu)后,無論是網(wǎng)卡采集的機床,還是利用傳感器進行采集的機床,或者是直接使用串口代碼反饋的機床,都可以將采集到的數(shù)據(jù)寫入統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中,并在計算處理后提供給BRTI-MES使用[11]。BRTI-MES將指令計劃通過BRTI-MES與DNC接口傳送給DNC系統(tǒng)，再由DNC管理模塊將NC程序傳遞給DNC通訊模塊。當DNC通訊模塊向機床傳遞失敗時會及時通知DNC管理模塊。其通訊模型如圖2所示。

圖2　DNC模塊通訊模型

網(wǎng)絡DNC模塊主要負責任務的傳輸與在線監(jiān)控，上層指令可以通過選擇發(fā)送、選擇自動、選擇停止、選擇重啟、發(fā)送文件、斷點續(xù)傳、接收文件、自動傳輸、終止傳輸、繼續(xù)傳輸、暫停傳輸?shù)裙δ馨踩皶r抵達接受終端。在生產(chǎn)任務重、數(shù)控加工量大的情況下可以降低企業(yè)主干網(wǎng)絡的負擔，并保證數(shù)控機床能夠及時獲得加工所需數(shù)據(jù)；消除了網(wǎng)絡擁堵造成的機床下載遲滯問題以及企業(yè)主干網(wǎng)突發(fā)中斷造成的加工中斷問題；獲得了生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)的多級冗余，保證了企業(yè)數(shù)據(jù)安全。在線檢測能將機床的生產(chǎn)狀態(tài)及時地反饋給BRTI-MES，為BRTI-MES的工序加工計劃提供可靠依據(jù)。模塊界面截圖如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡DNC模塊界面截圖

4.2管理模塊與實現(xiàn)

管理模塊主要是對與產(chǎn)品相關的各種PDM數(shù)據(jù)進行管理，主要管理對象為人員，任務流，產(chǎn)品設計圖紙(2D或3D)，工藝文檔以及零件與裝配件等。人員管理對企業(yè)中的每個人都設定了扮演的角色、所屬部門以及所有權限。通過人員管理，每一個特定的零部件、裝配件或一項特定的任務只有指定的人或部門可以參與、查看或修改，從而可以大大提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和資料安全性。零件和裝配件管理向人員管理傳輸相應信息，包括圖紙、工藝和裝配情況等信息。任務管理向人員管理反饋任務執(zhí)行情況，使得計劃層可以實時了解生產(chǎn)情況，也可以實時修改生產(chǎn)計劃以達到市場或客戶要求，最大限度地優(yōu)化資源配置、節(jié)約成本。零件和裝配管理與任務管理相互反饋圖紙、工藝、文檔和生產(chǎn)裝配等信息，二者將實時更新的數(shù)據(jù)及時相互反饋以避免因市場需求變化帶來的生產(chǎn)過剩或生產(chǎn)錯誤等不利因素的產(chǎn)生。DNC模塊數(shù)據(jù)采集是基礎，采集到的數(shù)據(jù)準確、及時地反饋給BRTI-MES管理模塊使其內(nèi)部成員之間資源共享和高度協(xié)同工作。其邏輯模型如圖4所示。

圖4　管理模塊邏輯模型

每一個零件或裝配件都有圖紙列表、工藝文檔、3D文檔和零件DNC文檔等對象信息，當新的計劃生產(chǎn)的零件或裝配件已經(jīng)存在時可以直接將相關信息調(diào)出并下傳DNC開始作業(yè)，有效的節(jié)約了人力成本和時間成本。通過一定的權限對每個對象都可以執(zhí)行導入、導出、借用、刪除、編輯修改、打印、發(fā)布、增加下級、復制、剪切等操作。例如以序號、名稱、文件狀態(tài)、文件類型和文件大小的格式顯示的圖紙， 2D或3D的圖紙都可以直接在線瀏覽查看。如果市場需求或設計要求有所變化，管理人員可以實時地對圖紙進行修改、完善，并對其對應的工藝文檔和NC程序等做出相應的調(diào)整，從而在很大程度上提高了底層制造一線對市場變化的應變能力。人員管理與零件和裝配件管理之間的互動讓任務的可控性更好，在按程序有條不紊執(zhí)行的基礎上使得人力資源的優(yōu)勢進一步得到發(fā)揮。模塊界面如圖5所示。

圖5　管理模塊界面

4.3監(jiān)控模塊和統(tǒng)計分析模塊與實現(xiàn)

統(tǒng)計分析的對象包括設備監(jiān)控、設備日志、統(tǒng)計圖標、對比分析、效率報表、設備故障等。BRTI-MES通過設備監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集功能收集了大量的實際生產(chǎn)過程信息，并將這些信息存儲于后臺統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，這些存儲的大量數(shù)據(jù)一方面反映了企業(yè)當時的實際運行狀況，另一方面又形成了一種寶貴的信息資源，通過這些信息資源可以有效地對企業(yè)的生產(chǎn)運行過程進行分析研究，并在研究的基礎上加以改善。

通過設備狀態(tài)監(jiān)控與信息采集將當天參與和未參與生產(chǎn)的的設備按編號、名稱、狀態(tài)、類型、日期、操作者等信息制成統(tǒng)計圖表并形成設備日志，將設備日志存檔，有故障的設備及時報修。統(tǒng)計圖表實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)的分類匯總和統(tǒng)計分析，結(jié)合先進的設備管理理論模型計算用戶關心的統(tǒng)計指標，完善計劃管理和設備管理方法，輔助決策。統(tǒng)計之后的數(shù)據(jù)及時存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中形成效率報表并存檔，將分析結(jié)果和效率報表一起上傳給BRTI-MES管理模塊供其做出有利的判斷去執(zhí)行下一步操作。維修管理向BRTI-MES管理模塊反饋設備維護情況，BRTI-MES管理模塊根據(jù)設備故障和維修情況給維修模塊下發(fā)進一步的維修計劃，通過二者的協(xié)調(diào)管理實現(xiàn)“設備的綜合效率最高”的技術指標。統(tǒng)計分析模塊流程圖如圖6所示。

圖6　統(tǒng)計分析模塊流程圖

設備監(jiān)控是將設備統(tǒng)一編號、命名、分類，監(jiān)控其當前狀態(tài)和操作者等信息。采集到的數(shù)據(jù)以設備編號、設備名稱、班次、開始時間、結(jié)束時間、開機率、利用率的格式制成統(tǒng)計圖表，同時形成生產(chǎn)、運行、報警、通訊等設備日志和工作曲線。設備日志存檔，并和統(tǒng)計圖表一起存入數(shù)據(jù)庫為對比分析和效率報表提供數(shù)據(jù)支持。把數(shù)據(jù)按設備編號、設備名稱、組別、設備類型、班次、開機率、利用率、開機時間、加工時間、待機時間等重新整合后做對比分析，將分析結(jié)果形成效率報表上傳BRTI-MES管理層輔助其決策。模塊界面如圖7所示。

圖7　統(tǒng)計分析模塊界面

5總結(jié)

BRTI-MES系統(tǒng)是國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新航標。它是上層計劃層與底層控制層聯(lián)系的關鍵，其作用在于收集生產(chǎn)中大量的實時數(shù)據(jù)，與計劃層和控制層保持雙向信息通訊，實時處理生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的突發(fā)狀況，消除企業(yè)信息流的斷層現(xiàn)象，是對整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化。BRTI-MES系統(tǒng)在實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化制造，提高產(chǎn)品制造能力，縮短產(chǎn)品制造周期，降低制造成

本方面效果顯著，從本質(zhì)上提高了企業(yè)競爭能力。

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(編輯李秀敏)

The Real-time Information Extraction and Control of Workshop Manufacturing System Based on IOT

LIU Xu-dong ,SUN Wen-lei，CUI Quan-wei

(School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047,China)

Abstract：The increasingly fierce competitive environment and rapid development of information technology have promoted the development of digital manufacturing system of enterprises, this paper proposed a kind of real-time information extraction and control method which based on the manufacturing execution system. In this paper we introduces the function of Netwok DNC Module, Management Module, Monitoring Module and Statistical Analysis Module which make up the whole system, expounds the working principle of each module in detail, and compares it with other existing systems systematically. This system which based on the internet of things takes advantages of the "digital factory" and MES, and improves the transparency and control in the production process greatly.

Key words：internet of things (IOT);real-time information; MES; information extraction

中圖分類號：TH165;TG659

文獻標識碼：A

作者簡介：劉旭東(1987—)，男，甘肅定西人，新疆大學碩士研究生，研究方向為基于實時信息的車間制造系統(tǒng)，(E-mail)linhushouqiu@126.com；通訊作者：孫文磊(1962—)，男，烏魯木齊人，新疆大學教授，博士生導師，研究方向為制造業(yè)信息化關鍵技術與軟件開發(fā)，(E-mail) sunwenxj@163.com。

*基金項目：新疆科技重點專項項目(201130110)；新疆科技支疆項目(2013911032);新疆維吾爾自治區(qū)高技術研究發(fā)展項目(201513102)

收稿日期：2015-04-17

文章編號：1001-2265(2016)03-0154-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.043