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(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)研究

方燦娟，薛建彬，章合滛，劉延軍

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

目前，車間信息化管理系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到大中型企業(yè)，隨著傳感網(wǎng)的技術(shù)的不斷發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的車間管理系統(tǒng)成為新的研究方向。在分析了現(xiàn)有生產(chǎn)車間的管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，并結(jié)合最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)。建立了一個綜合的車間信息數(shù)字化模型，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)車間工作流，用于實時監(jiān)控車間設(shè)備、人員等資源的狀態(tài)信息，為合理安排和調(diào)度車間任務(wù)管理提供一個支撐平臺，并通過某生產(chǎn)車間為實例，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)的實現(xiàn)問題，對于物聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的借鑒價值。

車間管理；物聯(lián)網(wǎng)；車間工作流；實時監(jiān)控；RFID

0 引言

車間信息化管理系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，先后出現(xiàn)了各種各樣的車間控制器，從FMS(柔性制造系統(tǒng))到CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))到并行工程再到MES[1]，并迅速向縱深發(fā)展。

近年來，隨著傳感器、信息技術(shù)、移動計算、傳感網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識別RFI(radio frequency identification)和微電子等技術(shù)的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)[2-3]應(yīng)運而生。通過傳感器、RFID和全球定位系統(tǒng)等技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，達到對物品和過程的智能感知、識別與管理。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及到綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、城市管理、智能家居和環(huán)境監(jiān)測等，并且有了一些成功應(yīng)用的案例。

隨著物聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的慢慢滲透，制造企業(yè)的研制過程已經(jīng)由傳統(tǒng)的“黑箱”模式向“多維度、透明化泛在感知”模式發(fā)展[4]，這種以信息感知技術(shù)驅(qū)動力的制造系統(tǒng)(物聯(lián)制造系統(tǒng))，有力地推動制造系統(tǒng)的發(fā)展。

在這種背景下，新的制造[5-8]模式與理念不斷涌現(xiàn)，為提高制造業(yè)的整體運作管理水平提供了重要的理論與技術(shù)。目前，物聯(lián)網(wǎng)的部分技術(shù)已經(jīng)被一些學(xué)者率先應(yīng)用于生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理的系統(tǒng)和實踐中[9-13]，但是運用物聯(lián)網(wǎng)對車間工作流進行管理尚處于研究階段。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)建模

基于基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)，是指在車間工作流管理系統(tǒng)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以便實時監(jiān)控車間設(shè)備、人員等資源的狀態(tài)信息，合理安排和調(diào)度車間任務(wù)管理。系統(tǒng)采取分層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 車間工作流管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

a.用戶終端應(yīng)用程序?qū)?。車間管理人員、車間工作人員和其他相關(guān)可根據(jù)系統(tǒng)賦予的權(quán)限，通過用戶應(yīng)用程序終端訪問系統(tǒng)，與系統(tǒng)進行信息交互和操作。

b.車間工作流管理系統(tǒng)功能層。由基本功能模塊、系統(tǒng)接口模塊和基于物聯(lián)網(wǎng)的物流信息采集功能模塊組成。

c.系統(tǒng)接口集成工具層。主要是為實現(xiàn)車間工作流管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫和物聯(lián)網(wǎng)接口集成，提供基礎(chǔ)工具和技術(shù)支持，包括信息傳輸與交換、集成規(guī)范和安全認證組件等。

d.車間信息數(shù)據(jù)庫層。為系統(tǒng)提供信息的存儲和共享等服務(wù)，包括車間人員數(shù)據(jù)、車間物料數(shù)據(jù)、車間工具數(shù)據(jù)、車間設(shè)備數(shù)據(jù)和生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)是車間工作流管理系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

e.物聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)支撐層。是數(shù)據(jù)與信息傳輸和共享的基礎(chǔ)支持，為實現(xiàn)車間動態(tài)管理提供支撐。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

基于模塊化設(shè)計思想，設(shè)計系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要包括以下內(nèi)容(系統(tǒng)功能圖如圖2所示)。

a.基本信息管理。主要對人員、設(shè)備、物料和工具等基本信息進行管理。

b.系統(tǒng)管理。對系統(tǒng)用戶、訪問權(quán)限、系統(tǒng)日志等進行管理，并進行系統(tǒng)維護。

c.車間工作流管理。包括對工具出入庫工作流、生產(chǎn)任務(wù)工作流、物料出入庫信息工作流、生產(chǎn)進度、人員出勤管理和垃圾處理流程等進行管理。

d.基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集管理。通過RFID技術(shù)采集車間信息數(shù)據(jù)包括人員刷卡出勤的數(shù)據(jù)采集，物料出入庫信息的數(shù)據(jù)采集，生產(chǎn)進度的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備裝備狀況采集等，還有傳感器對垃圾處理的數(shù)據(jù)采集。

e.系統(tǒng)接口管理。對系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的接口管理。

3 車間工作流分析

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

工作流是一類能夠完全或部分自動執(zhí)行的經(jīng)營過程，它根據(jù)一系列過程規(guī)則、文檔、信息或任務(wù)，能夠在不同的執(zhí)行者之間進行傳遞與執(zhí)行。提出了基于傳感網(wǎng)的動態(tài)車間工作流管理系統(tǒng)，是為了實時監(jiān)控車間設(shè)備、人員等資源的狀態(tài)信息，并合理安排和調(diào)度車間任務(wù)管理。車間工作流是研究車間工作流管理系統(tǒng)的重要部分，車間工作流反映了車間的信息流動過程，方便對車間進行動態(tài)管理。為此，對車間主要的工作流進行了分析，并列舉了工作流程。

整個車間生產(chǎn)過程的工作流程(如圖3所示),是車間工作流管理的主干部分。反映了從車間生產(chǎn)計劃下達到生產(chǎn)產(chǎn)品入庫的過程，中間過程包括通過車間主任對生產(chǎn)計劃的審核，再交給工藝人員和車間調(diào)度員，分別制定生產(chǎn)的工藝路線和進行審核，最終形成工藝文件和單元作業(yè)計劃，再根據(jù)設(shè)備、人員和工具等信息，生產(chǎn)班組審核并下達任務(wù)進行生產(chǎn)，加工完的產(chǎn)品需要進行產(chǎn)品檢驗，只有產(chǎn)品合格的情況下才能入庫。整個生產(chǎn)工作流程包含了車間人員、工具、物流和設(shè)備等資源的調(diào)度信息，掌握工作流的每一個環(huán)節(jié)才能對車間進行很好的管理。

圖3 整個車間生產(chǎn)過程的工作流程

物料是保障車間進行生產(chǎn)的決定因素，對物料的工作流管理是保障車間正常生產(chǎn)的前提。物料出入庫的工作流首先根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，物料員統(tǒng)計生產(chǎn)所需的物料信息，再去購買所需物料，最后管理人員通過RFID技術(shù)統(tǒng)計物料信息傳入數(shù)據(jù)庫中，同時把物料入庫。當(dāng)需要物料生產(chǎn)時，先通過數(shù)據(jù)庫查詢物料信息并需要憑借領(lǐng)料單去倉庫領(lǐng)取。當(dāng)物料不足或沒有時，及時去購買，保障物料的供給，這樣有助于提高車間生產(chǎn)效率，如圖4所示。

圖4 物料出入庫工作流

設(shè)備管理同物料一樣是車間進行正常生產(chǎn)的決定因素。在傳統(tǒng)車間中，設(shè)備處理流程都是工作人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)故障時，填寫故障報告并向上級申請故障處理，在上級審核后下達文件，然后再由維修人員進行設(shè)備故障處理，處理完再填寫維修報告并向上級申請維修后處理。這樣的話，設(shè)備故障處理大部分的時間都花在設(shè)備故障處理報告和審批中。而在所設(shè)計的設(shè)備故障處理工作流，當(dāng)RFID系統(tǒng)檢測到設(shè)備出現(xiàn)問題時，負責(zé)人員通過網(wǎng)絡(luò)進行處理，一方面及時向上面匯報設(shè)備故障問題，維修好時再報告維修處理報告，另一方面修改設(shè)備狀態(tài)至“維修”，并讓搬運工將設(shè)備轉(zhuǎn)入維修室，讓維修人員進行維修。維修人員維修好設(shè)備后通過網(wǎng)絡(luò)修改設(shè)備狀態(tài)至“正?！?，同時搬運工把設(shè)備運進車間進行生產(chǎn)，其工作流程如圖5所示。

圖5 設(shè)備故障處理工作流

車間工作流特別提出的部分包括垃圾處理和門禁系統(tǒng)管理，這是車間一般忽略的部分。很多的車間對門禁這塊不是很重視，對于人員隨便進入，不僅不能保障外來人員的安全，還可能導(dǎo)致重要信息泄露，特別像軍工企業(yè)含有國家級的保密信息，如果泄露技術(shù)信息，后果不堪設(shè)想。所以，在門禁系統(tǒng)安裝了RFID讀寫器，當(dāng)工作人員進入時需要刷卡驗證身份，這樣不僅可以統(tǒng)計工作人員的出勤情況，還可以防止外來人員的進入，保障車間安全，如圖6所示。

圖6 工作人員管理工作流

傳統(tǒng)車間對于垃圾處理都是全人工化，掃地人員都是循環(huán)在車間對垃圾進行處理，不管垃圾是否滿了還是沒有處理的垃圾，掃地人員都要一直在車間來回檢查。這樣不僅浪費資源利用還浪費工作人員的時間，并且在車間行走的過程中可能影響車間的正常生產(chǎn)，還可能處在危險環(huán)境中。系統(tǒng)特別提出了垃圾處理工作流，通過傳感器檢測垃圾，當(dāng)垃圾滿了時，傳感器發(fā)出報警，通知并等待掃地人員處理垃圾。這樣能充分利用資源并節(jié)省人員工作時間，還能避免隱形存在的危險，工作流如圖7所示。

圖7 垃圾處理工作流

4 系統(tǒng)軟件應(yīng)用實例研究

4.1 車間數(shù)據(jù)庫管理

車間物理布局如圖8所示。在對車間工作流管理之前需要建立車間數(shù)據(jù)庫，車間數(shù)據(jù)庫是進行車間管理最基礎(chǔ)的部分也是關(guān)鍵的部分，只有建立車間數(shù)據(jù)庫，管理人員才能對車間信息進行監(jiān)控和管理。在數(shù)據(jù)庫中建立了車間基本信息庫，包括設(shè)備信息、物料信息、人員信息和工具信息等。

圖8 車間物理布局

4.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流數(shù)據(jù)采集模式

在采集數(shù)據(jù)前，車間內(nèi)人員、物料和設(shè)備等資源配備了RFID電子標(biāo)簽，里面存儲了這些資源的基本信息，同時，這些信息存儲在數(shù)據(jù)庫。當(dāng)RFID讀寫器感應(yīng)到這些標(biāo)簽，可以讀取數(shù)據(jù)并采集。

車間采用RFID和傳感器技術(shù)對車間數(shù)據(jù)進行采集。如工作人員通過RFID系統(tǒng)進行管理，通過掃描工作人員射頻卡，可以采集工作人員的基本信息，在整個車間物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)視下，對工作人員派工、出勤或請假情況一目了然；產(chǎn)品、物料和工具等資源在物聯(lián)網(wǎng)的管理下，RFID系統(tǒng)可以隨時追蹤和管理；對設(shè)備進行管理時，布置在設(shè)備上的傳感器及報警裝置在設(shè)備出現(xiàn)異常情況下發(fā)出警告，管理人員可以通過RFID系統(tǒng)對設(shè)備進行管理，及時更新設(shè)備狀態(tài)和對生產(chǎn)任務(wù)作出新的調(diào)整，并送去維修。另外，其他的車間工作流都是運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行在線管理。

4.3 車間交互界面管理

基于傳感網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)是為了實時監(jiān)控車間設(shè)備、人員等資源的狀態(tài)信息，合理安排和調(diào)度車間任務(wù)。實現(xiàn)對車間工作流的管理需要一個支撐平臺，需要建立一個車間交互界面，通過交互界面、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫對車間進行全面的管理。

4.4 系統(tǒng)實現(xiàn)研究

基于上面建立好數(shù)據(jù)庫及交互界面管理平臺，管理人員通過物聯(lián)網(wǎng)對車間設(shè)備、人員和垃圾等資源的狀態(tài)信息進行采集并傳輸給系統(tǒng)，再利用數(shù)據(jù)庫及交互界面等工具對車間工作流進行管理。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。

a.瀏覽器層。提供人機交互界面，實現(xiàn)用戶輸入數(shù)據(jù)和顯示系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)。

b.網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器層。該層為應(yīng)用服務(wù)器層的運行提供環(huán)境支持并運用RFID讀寫器和傳感器采集數(shù)據(jù)。它還擔(dān)負著系統(tǒng)安全功能，只有通過了該層用戶認證和授權(quán)機制，用戶才可以調(diào)用應(yīng)用服務(wù)器層的功能或讀取后臺數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

c.應(yīng)用服務(wù)器層。封裝了車間管理需要的信息，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。該層通過數(shù)據(jù)接口與其他層進行聯(lián)系，獲取車間資源的狀態(tài)信息，可以實現(xiàn)對車間工作流管理。

d.數(shù)據(jù)存儲層。實現(xiàn)車間數(shù)據(jù)的存儲和管理，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的定義、訪問、更新和維護等，響應(yīng)應(yīng)用服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫操作的請求，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、查詢和修改等功能，并把運行結(jié)果提交給應(yīng)用服務(wù)器。

圖9 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

首先，介紹了車間管理系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，依據(jù)目前生產(chǎn)車間管理現(xiàn)狀，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)。接著，對系統(tǒng)進行了建模并介紹了其組成部分及功能模塊。然后，對系統(tǒng)的車間工作流進行了分析，并列舉了系統(tǒng)主要的車間工作流。最后，以某個生產(chǎn)車間為例，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的車間工作流管理系統(tǒng)的實現(xiàn)問題。通過這個車間管理系統(tǒng)可以滿足車間的實時管理，與現(xiàn)在常見的車間管理系統(tǒng)相比，此車間管理系統(tǒng)應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使車間的管理完全透明化，能有效地對車間工作流進行管理。

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Research on Workflow Management System in a Shop Floor Based on the Internet of Things

FANGCanjuan，XUEJianbin，ZHANGHeyin，LIUYanjun

(College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Currently，the plant information management system has been widely applied to large and medium-sized enterprises，and with the continuous development of sensor network technology，the workshop management system based on the Internet of things become the new research direction.Based on the analysis of the existing production workshop management on the basis of the status quo，and combined with the latest Internet technology，the workshop workflow management system is put forward based on Internet of things.The system set up a comprehensive digital information model of workshop，studied the dynamic workshop workflow based on Internet of things，for real-time monitoring of plant equipment，personnel and other resources to provide a support platform for a reasonable task management and scheduling workshop.In this paper，as an example of a production workshop to study the problem of implementation in workshop workflow management system based on the internet of things，for the Internet of things application has important reference value in the field of manufacturing.

workshop management;Internet of things;shop workflow;real-time monitoring;RFID

2014-09-05

TP311

A

1001-2257(2014)12-0035-05

方燦娟(1989-)，女，安徽安慶人，碩士，研究方向為機電一體化技術(shù)；薛建彬(1970-)，男，江蘇張家港人，副教授，研究方向為機電一體化技術(shù)。