（陜西長嶺電子科技有限責任公司，陜西 寶雞 721006）

一、引言

以寶雞市近幾年的經(jīng)濟發(fā)展來看，機械加工企業(yè)數(shù)量增長較快，逐步形成了一定的規(guī)?；Ｍ瑫r也就促使了傳統(tǒng)機械加工企業(yè)不斷地向高效率、高精度的數(shù)控技術和管理方式改進，企業(yè)技術部門針對數(shù)控加工需求編制了大量的數(shù)控加工程序。但同時涉及這些加工程序與數(shù)控設備間的傳輸通信和科學管理等問題也逐漸暴露了出來，嚴重影響數(shù)控設備優(yōu)勢的發(fā)揮。為此，各公司也制訂了多個管理細則進行規(guī)范，但從管理技術角度來看，這些管理方法還是明顯落伍，不能適應現(xiàn)代化生產模式。所以倒逼企業(yè)需要用新的管理技術來解決這一棘手問題，特別是希望依靠數(shù)字化技術，來達到事半功倍的效果，實現(xiàn)國家倡導的以數(shù)字化、智能化帶動工業(yè)化的戰(zhàn)略目標。特別是隨著信息化技術、物聯(lián)網(wǎng)技術和數(shù)控技術等技術的不斷發(fā)展以及與制造業(yè)的不斷融合，造就了能充分體現(xiàn)并實踐“兩化融合”概念的企業(yè)數(shù)字化車間建設成為當前機械制造類企業(yè)的建設方向。而當前數(shù)字化車間的研究與實施都處在快速發(fā)展的階段，受到了社會各界的高度重視。數(shù)字化車間是數(shù)字化技術在管理者與生產車間之間集成數(shù)字化應用而形成的一種新型車間的管理模式。既從數(shù)字化的產品設計，產品檢驗，生產組織管理等方面入手，使生產車間的數(shù)控設備單元與生產管理間的信息進行集成共享。從整體上改善生產的組織與管理，提高生產車間數(shù)控設備的生產效率和設備利用率。

二、系統(tǒng)總體設計

數(shù)字化車間的最終目標是基于物聯(lián)網(wǎng)技術建立一個以太網(wǎng)的設備集成管理網(wǎng)絡系統(tǒng)，該系統(tǒng)能協(xié)助管理人員便捷的以圖形化的方式科學規(guī)劃車間生產布局、生產流程等，數(shù)字化車間的模型建立后可以進行生產調度仿真、模擬仿真各種生產調度方案、驗證各種生產布局與生產調度方案的優(yōu)劣，使數(shù)字化車間在項目投產前得到充分地實驗論證。投產后，數(shù)字化車間系統(tǒng)可以和企業(yè)既有 ERP 系統(tǒng)緊密結合，輔助管理人員高效率管理生產過程各個環(huán)節(jié)。

本文提出了如下數(shù)字化車間管理系統(tǒng)的建設方案，使用觸控輸入設備對車間的各類生產信息進行采集，通過設置不同工位的 RF 卡讀取設備以及條碼識別設備實現(xiàn)對零件和人員的快速識別，并通過對 MES 等數(shù)字化系統(tǒng)的集成，構建能夠處理全局數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各系統(tǒng)的同步更新，從而完成對車間人員、零件、設備、工具工裝等的控制功能，并通過數(shù)據(jù)庫的邏輯運算功能實現(xiàn)對不同類型的數(shù)據(jù)的分類收集與存儲，從而保證這種全局的數(shù)據(jù)庫存儲信息可以用于車間不同部門的管理與控制。如車間生產計劃的維護、生產調度管理等。數(shù)字化車間的應用要處理好企業(yè)計劃層和車間控制層之間的斷層問題。斷層問題的核心是數(shù)字化車間的生產調度問題，本課題參考國內各類研究成果引入了車間制造執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution Systems,MES），MES 系統(tǒng)的研究核心就是車間生產調度問題,生產調度主要負責對企業(yè)下發(fā)的生產任務進行詳細計劃排產,再通過分配可用生產要素資源對生產任務進行合理調度，為了保證生產執(zhí)行時間和生產成本的達到最優(yōu),依據(jù)原材料加工順序和加工時間對生產任務進行調度,通過對生產任務的合理調度，很好地控制數(shù)字化車間的生產節(jié)奏。本課題結合數(shù)字化生產車間實際需要，按照車間現(xiàn)有的生產模式研究和實現(xiàn)了基于 APS 高級計劃排程的車間生產調度系統(tǒng),用APS 自動計劃排程技術來實時指導車間生產，通過APS 高級計劃排程很大程度提高了數(shù)字化車間的生產效率，具有很高的實用價值。

三、關鍵技術

（一）APS 高級計劃排程

APS 高級計劃排程被認為是通過如遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法和神經(jīng)網(wǎng)絡等啟發(fā)式算法來解決生產制造商生產計劃排程問題的技術，目前國內最新的 ERP 系統(tǒng)已經(jīng)集成了 APS 計劃排程系統(tǒng)。APS 計劃排程工作時需要跟企業(yè) ERP 系統(tǒng)進行交互并獲得一個協(xié)同的工作流。APS 計劃排程工作過程是采用自動計劃排程與人工計劃排程相結合的方式，管理人員通過APS 計劃排程系統(tǒng)能夠更方便制定生產排程計劃，能夠更輕松應對數(shù)字化車間的復雜生產與執(zhí)行狀態(tài)情況，管理人員可以憑借生產管理經(jīng)驗接受、修改或拒絕接受 APS 自動計劃排程系統(tǒng)自動生成的排程結果。

（二） RFID 射頻識別技術

RFID 射頻識別是一種無線自動識別技術，它通過無線射頻自動識別目標物體并獲取目標物體數(shù)據(jù)，自動識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣的工業(yè)生產環(huán)境。RFID 射頻識別還可以識別運動的物體并且可以同時識別多個目標物體，操作方便快捷。RFID 短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的工業(yè)生產環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼與二維碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤目標物體。遠距離射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如高速公路 ETC 不停車收費系統(tǒng)和園區(qū)車輛管理系統(tǒng)等。

（三）基于KW21Z 微控制器的Zigbee 組網(wǎng)技術

Zig Bee 和藍牙技術一樣是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信技術。其特點是低成本、低功耗、成本低、時延短、網(wǎng)絡容量大、可靠性高。主要適合用于自動控制和無線控制領域，可以嵌入各種硬件設備。主要應用在工業(yè)4.0、智慧農業(yè)、智慧醫(yī)學、智能汽車、智能家居、智能樓宇、消費和家用自動化市場以及智慧城市方面等。KW21Z 是一款超低功耗、高集成度的單芯片器件，KW21Z 無線 MCU 集成了一個 2.4GHz 收發(fā)器，支持 O-QPSK 調制，一個 Arm Cortex -M0+處理器，高達 512KB 閃存和 128KB SRAM，802.15.4分組處理器，硬件安全和外圍設備，優(yōu)化后滿足目標應用的需求。KW21Z 是單芯片Zigbee 器件的理想解決方案，主要用于工業(yè)無線控制、家庭與樓宇控制、消費電子、電力與能源、智能計量設備無線連接等領域。

（四）條碼識別技術

早期的數(shù)字化車間存在生產效率低下，企業(yè) ERP 系統(tǒng)無法及時得到數(shù)字化車間數(shù)據(jù)、車間倉庫運行效率低，數(shù)據(jù)不精確、無法追溯產品的各類信息等。通過借助條碼識別系統(tǒng)，有效的管理人員、工單、部件、半成品、產品、工序及生產過程等信息。通過條碼掃描技術，對機械加工產品的生產過程進行識別、跟蹤與記錄，減少人工輸入產品信息導致的錯誤，提高企業(yè)生產過程信息的完整性、安全性與可追溯性。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)

建立基于瀏覽器/服務器架構的數(shù)字化車間集成平臺，以及設備和管理者網(wǎng)絡通訊、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)采集和大數(shù)據(jù)分析等方式，采用APS 高級計劃排程、RFID 射頻識別技術、基于KW21Z 微控制器的Zigbee 組網(wǎng)技術及條碼識別技術，真正實現(xiàn)數(shù)字化車間的辦公管理、綜合管理、生產管理、訂單管理、庫存管理、材料管理、檢驗管理、設備管理等方面的集成一體化智能控制系統(tǒng)。通過使用 MES 的排產報工功能對現(xiàn)場生產數(shù)據(jù)進行收集，反饋到數(shù)據(jù)庫中，對 ERP 進行同步更新，最終實現(xiàn)數(shù)字化管理系統(tǒng)的協(xié)同運作。為了保證系統(tǒng)的正常使用與維護，需要對系統(tǒng)用戶進行不同權限的設置與分配，主要設置了系統(tǒng)管理員、技術員、計劃員、生產線長、工具物料管理人員、操作工、車間管理人員等角色，不同的角色都擁有不同級別的使用權限和對應的工作職能，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫的邏輯運算可將接收到的信息進行分類，并將任務指派到不同的角色，從而實現(xiàn)生產管理工作的穩(wěn)定進行。

五、結束語

綜上所述，本研究打通了企業(yè)管理與生產整個過程中的信息孤島，利用MES 使生產車間執(zhí)行系統(tǒng)與 ERP 企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)等企業(yè)應用系統(tǒng)進行無縫銜接與集成，做到及時反映企業(yè)計劃排產情況與實時反映車間生產執(zhí)行進度；利用 APS 高級自動排產系統(tǒng)，實現(xiàn)有計劃的自動排產與人工排產相結合的快速排產，通過圖形化的技術手段，為數(shù)字化車間生產提供高效、實用與集約的生產排產計劃；通過 ERP 企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)的能力平衡流程，完成對生產設備與資源的合理調配，提高生產計劃的準確性和可執(zhí)行性。同時，由于時間、資源等客觀資源的限制，目前所做的工作還不夠全面。本項目的研究對象僅限為機械加工行業(yè)數(shù)字化車間，而對于不同的制造型企業(yè)而言，其車間的生產流程與自動化水平均是不同的，因此如何提高數(shù)字化車間的通用性與適用性，以實現(xiàn)機械加工行業(yè)信息化管理水平，需要進一步研究。