童 群

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數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與智能管理研究

童 群

（慈興集團(tuán)有限公司 浙江 慈溪 315300）

隨著科技的日新月異，以物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)在工業(yè)制造業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著非常重要的地位。當(dāng)前，多數(shù)制造業(yè)車間在管理模式和生產(chǎn)方式上缺乏自動(dòng)化的信息交換技術(shù)，具有生產(chǎn)過程掌控性不高，數(shù)據(jù)采集不及時(shí)以及有效率地下等問題，很難能夠適應(yīng)當(dāng)前制造業(yè)信息化實(shí)時(shí)性的需求。因此，需要在制造業(yè)生產(chǎn)車間大力應(yīng)用數(shù)據(jù)采集技術(shù)，如：傳感器技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)等，積極改善車間信息化管理的不足，推動(dòng)數(shù)字化車間的建立。

數(shù)字化；數(shù)據(jù)采集；工業(yè)制造業(yè)

0 引言

工業(yè)制造業(yè)隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)迅速崛起，中國(guó)逐步由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，對(duì)于制造企業(yè)而言，要想在全球制造業(yè)市場(chǎng)中占據(jù)制高點(diǎn)，提升我國(guó)制造業(yè)的國(guó)際地位，就必須要具備先進(jìn)的信息化水平。以物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)為核心的信息技術(shù)在我們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦姓紦?jù)的地位越來越重要，成為了當(dāng)前世界各個(gè)領(lǐng)域都不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)。而制造企業(yè)技術(shù)也以傳統(tǒng)的以人工勞力和機(jī)器為代表逐步向信息化技術(shù)時(shí)代過渡。制造業(yè)信息化就是說將信息技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)與現(xiàn)代管理技術(shù)有效結(jié)合起來，通過對(duì)這些技術(shù)的應(yīng)用、信息數(shù)據(jù)的傳遞、集成和共享，以此來實(shí)現(xiàn)制造業(yè)車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的有效性，優(yōu)化配置企業(yè)資源。

1 車間數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)采用的物聯(lián)技術(shù)

（1）車間數(shù)據(jù)采集分析

利用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過條碼讀寫器、RFID讀寫器以及嵌入式采集終端，運(yùn)用光電磁、溫度等技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別信息載體，然后再通過系統(tǒng)內(nèi)部解析系統(tǒng)，將獲取的數(shù)據(jù)信息傳送至指定位 置[1]。其中條碼讀寫器主要是在成品管理中進(jìn)行應(yīng)用，因?yàn)闂l碼是唯一的，一旦確定，成品內(nèi)部的所有信息就確定了，因此對(duì)于動(dòng)態(tài)的制造過程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)一般不使用條碼，通常是貼在產(chǎn)品的外包裝上，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)箱內(nèi)物料的自動(dòng)識(shí)別。而RFID標(biāo)簽則具有容量大、存儲(chǔ)數(shù)字信息多樣化的特點(diǎn)，因此RFID讀寫器適用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的讀寫。

利用生成設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。隨著數(shù)控伺服系統(tǒng)的大力發(fā)展，操作人員可以利用設(shè)備終端的借口來獲取所需的數(shù)據(jù)[2]。常見的設(shè)備終端有數(shù)控機(jī)床、加工機(jī)器人、PLC等。通過DCOM技術(shù)以及OPC標(biāo)準(zhǔn)能夠創(chuàng)建一個(gè)可相互操控的控制系統(tǒng)。利用OPC借口和一些軟件配置，通過上位機(jī)就可以直接對(duì)機(jī)床數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

（2）物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)

作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的重要手段，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)包含射頻識(shí)別、條碼識(shí)別、光信號(hào)識(shí)別、卡識(shí)別等。在這些識(shí)別技術(shù)中，RFID是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)融合在一起，近幾年發(fā)展比較迅猛，取得了可喜的成效[3]。與其他技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：第一，識(shí)別精準(zhǔn)度高，能夠在最短時(shí)間內(nèi)對(duì)識(shí)別對(duì)象進(jìn)行識(shí)別；第二，無線射頻技術(shù)不需要光源，能夠直接透過外部材料就直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別；第三，可以在不同形式、不同類型的產(chǎn)品上進(jìn)行嵌入，而且還能夠?qū)崟r(shí)跟蹤附有RFID標(biāo)簽的產(chǎn)品并對(duì)其定位；第四，能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)物體，并且在信息碰撞和干擾的解決方法上具有靈活性；第五，具有信息存儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，同時(shí)還能夠?qū)?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和識(shí)別。因此，RFID射頻識(shí)別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中具有非常重要的地位，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。

2 制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)類型分析和分類的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)架進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)構(gòu)架主要由車間層、數(shù)據(jù)層以及管理層三部分組成[4]。其中車間層主要是對(duì)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，其中主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備有：傳感器、RFID、加工設(shè)備等；數(shù)據(jù)處理層則主要是對(duì)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合集成，數(shù)據(jù)整合就是對(duì)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算、統(tǒng)一建模、標(biāo)準(zhǔn)化封裝等程序處理。而數(shù)據(jù)集成就是就根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和用途進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的共享；管理層則主要是根據(jù)車間生產(chǎn)需求，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)取，并通過科學(xué)的分析，從而為管理層和決策者提供決策輔助 依據(jù)。

（2）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本次數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括：C/S和B/S兩種。

C/S（Client/Server）架構(gòu)。也就是客戶端/服務(wù)器端的架構(gòu)形式，是通過合理的設(shè)計(jì)后，將任務(wù)劃分為兩部分：由客戶端軟件在對(duì)用戶的大部分業(yè)務(wù)邏輯、圖像畫面等進(jìn)行本地處理?？蛻舳艘胩峁┰L問支持或是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，就必須要建立在服務(wù)器與客戶端所使用的TCP/IP協(xié)議的Socket接口連接的基礎(chǔ)上，同時(shí)服務(wù)器軟件也可以處理用戶與其他客戶端之間的數(shù)據(jù)交換。通常，服務(wù)器軟件要想對(duì)多個(gè)客戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和共享，就需要與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行配合[5]。這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于，在本地就可以對(duì)主要業(yè)務(wù)進(jìn)行運(yùn)行，減少了不必要的額外通訊開銷，并且響應(yīng)速度很快。所以，客戶端能夠承擔(dān)起豐富功能以及多樣界面加載的重任。缺點(diǎn)是用戶要想與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互就必須要安裝客戶端軟件，同時(shí)對(duì)客戶端的硬件要求非常高，系統(tǒng)維護(hù)起來不方便，如果服務(wù)器端軟件更新了新的功能，那么客戶端也必須要隨之進(jìn)行更新，以此來適應(yīng)服務(wù)器端的變化。

B/S（Browser/Server）架構(gòu)。也就是瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。這種架構(gòu)形式是基于信息技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后的另外一種形式。其特點(diǎn)是用戶通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器就能夠從服務(wù)器端獲得交互界面，在本地瀏覽器中能夠完成UI界面的更新工作以及部分事務(wù)邏輯，而服務(wù)器端則主要是處理主要事務(wù)邏輯，處理完畢后直接將新的交互界面?zhèn)魉偷接脩舳?，從而形成MVC（Model-View-Controller）結(jié)構(gòu)，通過多種腳本語(yǔ)言和瀏覽器容器，就能夠通過服務(wù)器的處理能力對(duì)用戶的業(yè)務(wù)進(jìn)行處理。而對(duì)于本地硬件以及相對(duì)復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯則可以通過Active X控制來實(shí)現(xiàn)交互工作[7]。與C/S（Client/Server）架構(gòu)相比，這是一種全新的軟件架構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于客戶無需安裝客戶端軟件，只需要通過瀏覽器就能夠?qū)崿F(xiàn)以往需要專門軟件才能完成的功能，對(duì)于客戶端的要求大大降低。如果瀏覽器應(yīng)用發(fā)生改變，也不會(huì)給用戶造成任何的影響，大大提高了用戶的感知度。

（3）車間異構(gòu)數(shù)據(jù)采集方案硬件設(shè)計(jì)

為了解決制造業(yè)企業(yè)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的問題，根據(jù)生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)的種類，分別采取自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、加工設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段對(duì)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1）自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)包括RFID技術(shù)、條形碼技術(shù)等，通過這兩類技術(shù)能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。主要是物料采集、物料狀態(tài)、人員信息、設(shè)備信息以及零件加工信息等[8]。

2）傳感器技術(shù)。在車間生產(chǎn)過程中，外部環(huán)境會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響，傳感器技術(shù)就是通過車間工業(yè)以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，對(duì)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)車間的環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。主要是對(duì)生產(chǎn)過程中的溫度、濕度以及電磁等信息進(jìn)行采集。

3）加工設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

根據(jù)制造企業(yè)生產(chǎn)車間的實(shí)際情況，加工設(shè)備可以分為數(shù)控機(jī)床以及其他設(shè)備兩種；對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言，目前數(shù)控機(jī)床的傳輸接口有以下三類：無通訊接口、串行口以及網(wǎng)口[9]；而其他設(shè)備，例如測(cè)試設(shè)備、熱處理設(shè)備等，其傳輸接口主要是以RS-232/RJ45為主，可以直接通過不同的采集器對(duì)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

（4）系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

在數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)中，每個(gè)車間都有制造工作站、庫(kù)房等結(jié)構(gòu)，各單元的硬件設(shè)備可以通過工業(yè)以太網(wǎng)的連接形成車間局域網(wǎng)，而車間局域網(wǎng)要想連接到公司主干網(wǎng)絡(luò)就需要通過與交換機(jī)相連，通過建立通信鏈路來實(shí)現(xiàn)車間層對(duì)上層ERP服務(wù)器、CAPP/PDM數(shù)據(jù)服務(wù)器以及數(shù)據(jù)采集器的訪問。其中，對(duì)于中間件提交的EPC碼的解析是由ONS服務(wù)器負(fù)責(zé)的，與互聯(lián)網(wǎng)域名解析DNS服務(wù)有異曲同工之妙[10]。對(duì)于RFID系統(tǒng)而言，ONS服務(wù)器能夠向中間件發(fā)出指令去訪問企業(yè)內(nèi)部的服務(wù)器，而且這種服務(wù)器也算是指明了RFID中間件的產(chǎn)品存儲(chǔ)的相關(guān)信息。通過ONS服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)開環(huán)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)外協(xié)件的相關(guān)信息的查詢工作。作為數(shù)字化車間管理系統(tǒng)信息之間進(jìn)行傳遞的橋梁，工作的下機(jī)位一方面為不同的用戶提供其所需的工業(yè)頁(yè)面，受理用用戶請(qǐng)求后進(jìn)行提交，并對(duì)提交結(jié)果進(jìn)行顯示；另一方面作為軟件中間件的載體，肩負(fù)著根據(jù)用戶指令發(fā)出控制底層硬件設(shè)備的命令，與底層設(shè)備進(jìn)行連接，并將設(shè)備的處理結(jié)果反饋到上層數(shù)據(jù)處理器中[11]。而通過車間的無線網(wǎng)絡(luò)能夠使得用戶隨時(shí)能夠通過移動(dòng)終端設(shè)備訪問企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，用戶通過手機(jī)的APP軟件，也可以通過3G網(wǎng)絡(luò)與管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行相連，方便用戶能夠隨時(shí)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，掌握車間的生產(chǎn)狀況。

3 結(jié)論

總而言之，將物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用到車間數(shù)據(jù)采集中，構(gòu)建智能化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠確保數(shù)據(jù)采集的實(shí)效性和有效性，而且也能夠?yàn)槠髽I(yè)車間管理層提供更為精準(zhǔn)的生產(chǎn)能力數(shù)值。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車間業(yè)務(wù)管理、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)追溯等，在確保企業(yè)生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，也促進(jìn)了車間不斷向數(shù)字化、智能化的生產(chǎn)方式發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)的核心技術(shù)為自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)以及加工設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過這些技術(shù)能夠強(qiáng)化車間信息化管理的薄弱局勢(shì)，推動(dòng)工業(yè)制造業(yè)車間更好地與時(shí)代接軌，以此來提升企業(yè)的信息化水平，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，幫助企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中走得更遠(yuǎn)。

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Research on Data Collection and Intelligent Management of Production Site in Digital Workshop

TONG Qun

(Cixing Group Co., Ltd. Zhejiang Cixi 315300)

With the rapid development of science and technology, modern information technology, centered on the Internet of Things and computers, occupies a very important position in the industrial manufacturing industry. At present, most manufacturing workshops lack automated information exchange technology in management mode and production mode. They have problems such as low control of the production process, inaccurate data collection, and low efficiency. It is difficult to adapt to the current real-time information of manufacturing informatization. Demand. Therefore, it is necessary to vigorously apply data acquisition technology in manufacturing workshops, such as sensor technology and automatic identification technology, actively improve the insufficiency of workshop information management, and promote the establishment of a digital workshop.

Digitization; Data acquisition; Industrial manufacturing

TP23

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.036

童群(1977-)，博士研究生，工程師，研究方向：機(jī)電一體化，自動(dòng)化信息化，軟件，人工智能，智能制造技術(shù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)。

本文著錄格式：童群. 數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與智能管理研究[J]. 軟件，2018，39（8）：178-180