崔定國 周磊 王國保 左剛

摘 要： 工業(yè)物聯網作為國家“兩化深度融合、機器換人”重大發(fā)展戰(zhàn)略的主要切入點，對傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級具有重要的意義?；谖锫摼W技術設計開發(fā)了一種針對無縫針織行業(yè)的生產制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。通過采用SOA和Web Service軟件架構設計、智能工序數據實時采集系統(tǒng)開發(fā)、機聯網與企業(yè)生產管理系統(tǒng)數據深度融合，實現了一種覆蓋無縫針織企業(yè)生產制造全流程的工業(yè)物聯網系統(tǒng)。企業(yè)實地應用表明，該系統(tǒng)對提升企業(yè)信息化管理水平、提高生產效率及降低人工成本具有明顯的促進作用。

關鍵詞： 物聯網； 制造執(zhí)行系統(tǒng)； RFID電子標簽； 數據采集

中圖分類號：TP319 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）10-01-04

MES based on IOT for seamless knitting enterprise

Cui Dingguo1， Zhou Lei1， Wang Guobao2， Zuo Gang2

（1. Institute of Microelectronics CAD Research， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China；

2. Zhejiang FenXueLin Knitting Clothing co.， LTD）

Abstract： It is significant for the transformation and upgrading of traditional manufacturing that industrial internet of things is regarded as the main breakthrough point of the major development strategy called "two deep integration， machine substitutions". A seamless knitting enterprise system （MES） based on the internet of things is designed. SOA and Web Service software architecture design， intelligent process real-time data acquisition system development and the deep integration of the machine network and enterprise management system data are adapted by this system to achieve an industrial networking system covering the seamless knitting enterprise manufacturing process. The field application shows that this system plays a significant role to promote， improve production efficiency and reduce labor costs.

Key words： Internet of things； manufacturing execution system； RFID electronic label； data acquisition

0 引言

工業(yè)是物聯網應用的重要領域?！笆濉睍r期，我國工業(yè)迫切需要轉型升級，整體思路是推進信息化和工業(yè)化深度融合，培育壯大戰(zhàn)略性新興產業(yè)，改造提升傳統(tǒng)產業(yè)。通過物聯網技術在生產制造行業(yè)的深入應用和兩者深度融合，可以有效提高生產制造性企業(yè)生產效率和產品品質，提升企業(yè)的市場競爭力，帶動物聯網產業(yè)向更廣更深的領域延伸，實現“兩化融合”所產生“疊加效應”。

隨著國際市場競爭的日益激烈，傳統(tǒng)制造企業(yè)生存壓力巨大，迫切需要通過信息化改造升級，提高生產管理水平。但在具體實施過程中卻面臨諸多困難。以目前無縫針織行業(yè)為例，一方面，面臨市場競爭壓力，需要更快的生產反應速度和高品質管理水平；另一方面，生產流程工序復雜多變，產品多樣性導致品質管理難度大等[1]。部分企業(yè)雖然已經采用了ERP系統(tǒng)、電子工票系統(tǒng)等諸多信息化管理系統(tǒng)，但是在織機設備管理、前道生產管理、后道生產管理、倉儲管理等方面，形成了多個“信息孤島”，且仍采用傳統(tǒng)的紙質登記方式進行工序數據采集統(tǒng)計，無法實現生產全流程信息互聯互通以及數據實時采集、數據融合分析等，導致管理成本和人工成本高、工作效率低等問題。特別是在無縫針織企業(yè)生產流程中，前道工序采用高度自動化加工裝備（如全自動高速無縫針織機、全自動印染系統(tǒng)等），而其后道工序采用較傳統(tǒng)的半手工加工方式，MES需融合自動化裝備與人工加工工序數據信息，以實現從原材料到成品全流程的實時跟蹤，系統(tǒng)復雜度高，開發(fā)難度大。目前針對無縫針織行業(yè)的物聯網MES系統(tǒng)，國內尚未見文獻報道。

本文根據無縫針織企業(yè)在信息化改造和轉型升級中的實際困難，采用典型物聯網系統(tǒng)架構針對性地開發(fā)設計，包括：利用物聯網的智能感知層技術解決企業(yè)工序和織機數據實時采集問題，采用基于SOA、Web Service軟件架構設計解決企業(yè)各信息孤島的互聯互通問題，采用MES系統(tǒng)開發(fā)和ERP對接解決企業(yè)生產精細管理問題。通過全系統(tǒng)的數據流融合與企業(yè)ERP系統(tǒng)對接，實現了一種新型的基于物聯網的無縫針織企業(yè)MES系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

通過對企業(yè)生產現場的實地考察，目前該無縫針織企業(yè)的生產全流程，如圖1所示。

圖1 企業(yè)生產流程圖

根據企業(yè)生產全流程和企業(yè)對生產管理需求的分析，本文基于物聯網在不同層次上構建三個子系統(tǒng)實現開發(fā)方案，其中包括：織機集群管理系統(tǒng)、基于SOA的MES系統(tǒng)軟件和智能工序數據實時采集系統(tǒng)。系統(tǒng)框架如圖2所示。

[企業(yè)ERP系統(tǒng)][基于B/S架構的企業(yè)MES系統(tǒng)（含手機APP）] [應用層][智能工序數據實時

采集系統(tǒng)＼&][基于B/S的織機集群管理系統(tǒng)][織機傳感網] [后道工序：

半檢

縫紉

成檢

包裝＼&][網絡層] [前道工序：

紡織

印染＼&][RFID工序數據采集終端＼&][紡織運行狀態(tài)傳感器

（MDSeth/DCNeth模塊）＼&] [感知層]

圖2 系統(tǒng)整體框架圖

2 系統(tǒng)設計及實現

2.1 織機集群管理系統(tǒng)

本文通過開發(fā)基于傳感網的織機自動控制系統(tǒng)，實現織機工作實時信息的采集和自動控制，對生產作業(yè)進行遠程監(jiān)控，車間管理人員能夠實時查看每臺織機的運行情況及全車間織機集群的產能效率分析，實施科學合理的生產調度和管理?；谄髽I(yè)所使用的SANTONI無縫針織機上裝有的DCNeth和MDSeth智能模塊開發(fā)基于傳感網的織機自動控制系統(tǒng)。其中DCNeth模塊是一種直接安裝在針織機器上的電路板，通過和機器上的硬件連接收集機器的狀態(tài)數據；MDSeth模塊是一種通過連接到機器上的電子輸入輸出信號來收集針織機器運行狀態(tài)的自動數據采集系統(tǒng)，系統(tǒng)為每臺織機分配固定IP地址，自動實時采集織機運行狀態(tài)數據并寫入數據庫。系統(tǒng)采用Browser/Server架構開發(fā)，服務器端采用Java語言環(huán)境，Web頁面使用Bootstrap框架用來提供圖形豐富的用戶界面，輔助以Ajax和JavaScript腳本實現與服務器之間的異步交互功能。系統(tǒng)通過自動收集機器生產的信息及發(fā)送控制指令實現織機遠程啟停控制、款式文件及生產訂單上傳、車間、工作組及單機生產效率估算、產能分析、班次管理、訂單管理等功能。

根據企業(yè)具體生產模式，在前道及后道工序中所采用的生產效率估算公式為：

⑴

式⑴中，Te為時間效率；Rt為織機運行時間，St為當前班次執(zhí)行時間。

⑵

式⑵中，We為工作效率；Pd為已完成產品量，Tp 為理論計劃產品量。

2.2 基于SOA的MES系統(tǒng)

MES（Manufacturing Execution System）制造執(zhí)行系統(tǒng)，是由美國先進制造研究機構（Advanced Manufacturing Research，AMR）提出，定義為“位于上層計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，它是為了解決上層計劃系統(tǒng)與下層控制系統(tǒng)之間的信息通信而產生的，是現代生產管理中最關鍵的一個環(huán)節(jié)，是企業(yè)CIMS信息集成的紐帶[2]。生產車間各種基礎數據的實時采集與生產計劃數據的實時分析是MES中的一個關鍵環(huán)節(jié)。近年來，企業(yè)逐漸認識到將ERP與底層控制系統(tǒng)統(tǒng)一起來的重要性，并認識到MES是解決這一問題的有效途徑，即通過MES來實現企業(yè)信息的集成，形成實時化的生產管理系統(tǒng)。制造執(zhí)行系統(tǒng)在計劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁，填補了兩者之間的空隙，可為企業(yè)及時提供生產實時信息，以優(yōu)化生產、提高生產效率、優(yōu)化資源配置。

MES作為整個系統(tǒng)的控制和調度核心，它由中間件和應用層兩部分組成，如圖3所示。其中本文定義為一個Web Service中間件，用來把來自電子標簽的數據發(fā)送到RFID中間件，然后經過對數據的緩存、過濾后將有效的生產數據存儲到數據庫中。

[數據服務中間件][HF RFID中間件

（RFID數據采集終端）][UHF RFID中間件

（倉儲管理輔助系統(tǒng)）][織機數據采集中間件＼&] [生產安排][實時監(jiān)控][物料發(fā)卡][件資管理][產能分析][……][應用表示層]

圖3 MES系統(tǒng)框架圖

針對企業(yè)生產流程，特別是后道流程進行系統(tǒng)建模，如圖4所示。系統(tǒng)通過RFID采集流程中各工序環(huán)節(jié)的實時數據信息。在物料流轉過程中，對每一單物料加載一個RFID物料卡，每個工序上的員工都有一張員工卡。員工在完成工序上的每單物料加工后，通過在終端上刷物料卡和員工卡，實現工序信息的實時采集和物料加工計件與員工數據鏈接。

圖4 后道工序生產建模圖

按照功能需求分析將MES劃分為四個功能模塊，分別是基本功能模塊、功能區(qū)模塊、審核區(qū)模塊和報表區(qū)模塊。其中功能區(qū)模塊主要實現生產信息的錄入，包括日產量信息、后道RFID產量、工序工價表等；對于未滿足生產需求的信息列表，可以進行修改和刪除，其他客戶端實時同步，減少長時間信息滯后帶來的一系列問題。審核區(qū)模塊對功能區(qū)模塊生成的生產信息表單進行審核操作，審核通過后，下達工作車間進行生產作業(yè)。報表區(qū)模塊對已經完成的生產作業(yè)信息以及員工工資按一定條件查找統(tǒng)計，使得以最為直觀的數據方式顯示在操作員面前，并集成Excel報表的導出功能，可以自動統(tǒng)計具有實際價值的統(tǒng)計數據，以數據的價值比將數據按照最為合理的方式統(tǒng)計在Excel報表中。

[請求指令集

映射][SOA接口

配置＼&][SOA代理＼&] [HTTP請求＼&][客戶端＼&][實際處理端＼&] [SOA處理端]

圖5 SOA請求處理過程

本文采用基于Web 的三層體系結構（即表示層、業(yè)務邏輯層、數據接口層的三層分布式結構），由封裝在Web 服務器中的各功能組件通過相應的數據接口統(tǒng)一訪問后臺數據庫服務器上的相應資源。在系統(tǒng)構建中，作為SOA 的一種實現技術，采用Web Service提供的XML標準接口，具有完好的封裝性、松散的耦合性及高度的可集成性等特點，能夠良好地實現物聯網中間件與企業(yè)系統(tǒng)的集成，完成兩者的松耦合[3]。在本系統(tǒng)中，采用SOA技術實現服務器與客戶端之間的解耦合，如圖5所示?？蛻舳耸紫劝l(fā)出HTTP請求，通過SOA接口配置文件進入SOA處理端；然后根據請求指令集映射文件找到相應的SOA代理對象；最后HTTP請求被轉發(fā)到實際處理端進行操作，并給予客戶端響應。

2.3 智能工序數據實時采集系統(tǒng)

本文根據企業(yè)應用環(huán)境及實際需求設計開發(fā)并實現了一種完整的工序信息數據實時采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能數據實時采集終端、數據基站和服務器三部分組成。數據采集終端負責讀取員工卡和物料卡中的生產信息（如員工編號、工位編號、生產貨號等），將員工信息與其加工過的物料信息進行綁定，加蓋時間戳后發(fā)送至數據基站。數據基站通過無線模塊接收采集終端發(fā)送過來的數據，按照一定規(guī)則過濾生產數據，篩除冗余生產數據后，將真正有效的生產數據通過內部局域網傳送至服務器的數據庫中。數據采集終端硬件采用模塊化設計，整體結構由MCU主控模塊、RFID數據讀寫模塊、無線通信模塊、RS232模塊、液晶顯示模塊、JTAG系統(tǒng)調試模塊、電源/復位模塊等構成[4]。其工作流程及硬件系統(tǒng)結構如圖6、圖7所示。

[開始][STM32VET6初始化][硬件模塊初始化][中斷初始化][按鍵掃描][有鍵按下] [鍵值識別][參數設定] [生產數據采集][數據接收][數據處理][數據發(fā)送] [界面顯示] [Y][N]

圖6 RFID生產數據采集終端工作流程

[電源/復位模塊][RS232模塊][LCD顯示模塊][MCU主控模塊][RFID數據讀寫模塊][JTAG系統(tǒng)調試模塊][無線通信模塊]

圖7 數據采集終端硬件系統(tǒng)結構

圖7中MCU主控模塊采用基于Cortex-M3內核的嵌入式處理器STM32F103VET6，負責處理RFID射頻模塊采集到的生產現場電子標簽的數據。RFID數據讀寫模塊采用非接觸式讀寫卡芯片MFRC522，讀取數據后，將數據顯示在液晶屏上，并通過無線模塊發(fā)送數據給數據基站。數據基站采用的主控芯片為STM32F107，采用獨立于介質的接口RMII方式進行數據傳輸。無線通信采用基于Silicon Labs公司Si4432芯片設計開發(fā)的具有高集成度、低功耗的擴頻無線收發(fā)模塊，傳輸距離可達2000m，工作頻率為433MHz。

3 系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)主體部分已在浙江芬雪琳針織服飾有限公司部署安裝，經調試后上線運行。系統(tǒng)運行界面如圖8、圖9所示。

為方便各級別員工實時掌握生產活動狀況及進度，本系統(tǒng)提供基于安卓系統(tǒng)的手機APP軟件，如圖10所示。智能工序數據實時采集系統(tǒng)如圖11所示。

圖10 手機APP織機監(jiān)控頁面

圖11 后道工序數據采集終端

本文開發(fā)的系統(tǒng)在該企業(yè)上線運行以來，應用效果明顯。在前道工序方面，通過在線監(jiān)控織機運行狀態(tài)，實時顯示織機生產信息，如開機時間、生產訂單號、已完成件數以及待加工件數等，統(tǒng)計每一個織機工作組的工作效率和時間效率，并以此作為依據推斷前道車間總生產效率。在后道工序方面，實時采集每道工序每個員工的生產數據。通過與ERP系統(tǒng)進行數據對接，實現了生產全流程的數字化監(jiān)控，優(yōu)化生產調度，有效提高了生產線工作效率和成品率[5]。根據多個生產周期的連續(xù)監(jiān)測和統(tǒng)計分析，前道織機空載運行時間明顯減少，單位產量織機電能消耗及前后道生產原料消耗也下降明顯，企業(yè)月生產效率提升10%以上；而得益于生產效率的提升，企業(yè)的經濟效益也在不斷增長。

4 結束語

本文基于物聯網系統(tǒng)典型架構，利用RFID、傳感網、433MHz無線數據收發(fā)和Web Service等物聯網技術，通過設計開發(fā)織機集群管理系統(tǒng)、基于SOA的MES系統(tǒng)和智能工序數據實時采集系統(tǒng)，在無縫針織企業(yè)實現了一種基于工業(yè)物聯網的MES系統(tǒng)，并在實際企業(yè)部署實施。企業(yè)實際應用情況表明，工業(yè)物聯網技術對于提升傳統(tǒng)制造型企業(yè)的生產效率，優(yōu)化企業(yè)生產資源配置，提高企業(yè)管理水平都具有明顯的促進作用。

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