王 輝，趙紅學(xué)，紀(jì)恩龍，朱云超

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.廊坊凱博建設(shè)機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065000)

鋼筋集中加工由于其成本低、效率高、質(zhì)量好等特點(diǎn)，逐漸發(fā)展成為主要的工程鋼筋加工模式。鋼筋工廠集中加工主要是指在非施工現(xiàn)場的固定場所，采用成套自動化鋼筋加工設(shè)備和信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)行工廠化生產(chǎn)，并且投入相關(guān)人員進(jìn)行專業(yè)化、規(guī)范化管控，將鋼筋加工成工程所需鋼筋制品，配送到施工現(xiàn)場的鋼筋加工應(yīng)用模式。而近年來由于移動互聯(lián)網(wǎng)、二維碼等技術(shù)的發(fā)展，也有一些關(guān)于鋼筋加工管理信息系統(tǒng)的研究，但是整體上因信息溝通傳遞不暢，常出現(xiàn)加工錯誤、效率低、無法追溯等問題。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things，簡稱IIoT），是將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器以及泛在無線技術(shù)、移動通信、智能分析等技術(shù)不斷融入工業(yè)生產(chǎn)過程各個(gè)環(huán)節(jié)，從而大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。目前一些學(xué)者已經(jīng)展開了物聯(lián)網(wǎng)MES 系統(tǒng)的體系構(gòu)架的研究，能實(shí)現(xiàn)對制造過程進(jìn)行全方位跟蹤、分析、優(yōu)化和控制。也有一些研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在離散制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)資源和制造過程的集成管理，提高了離散制造型企業(yè)的生產(chǎn)效率。本文針對鋼筋集中加工過程中的難點(diǎn)問題展開研究，提出了基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的鋼筋骨架加工系統(tǒng)架構(gòu)，并對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1 鋼筋骨架生產(chǎn)管理中的難點(diǎn)問題

目前的鋼筋骨架生產(chǎn)管理大部分都是通過人工操作完成，管理成本高，質(zhì)量難以保證，因此，鋼筋加工企業(yè)必須向信息化、智能化管理方向轉(zhuǎn)變。目前鋼筋加工生產(chǎn)管理存在以下難點(diǎn)問題。

1） 鋼筋生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣，很多數(shù)據(jù)靠人工記憶和手工記錄費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易出差錯，給企業(yè)帶來損失，工作效率低下。

2） 現(xiàn)場有先進(jìn)的自動化加工設(shè)備，但需要人工輸入訂單數(shù)據(jù)，容易出錯，設(shè)備不能和MES 系統(tǒng)對接。每臺設(shè)備獨(dú)立工作，管理人員無法快速全面掌握生產(chǎn)動態(tài)。

3） 鋼筋原材、成品的出庫、入庫環(huán)節(jié)復(fù)雜，人工操作核驗(yàn)，易出現(xiàn)錯誤，原材和成品庫存量難以統(tǒng)計(jì)。

4） 配送揀貨過程復(fù)雜，容易裝錯車，人工核驗(yàn)耗時(shí)耗力。配送運(yùn)輸過程無法監(jiān)控車輛路線和重量，運(yùn)輸過程無法把控。

2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程和功能設(shè)計(jì)

2.1 鋼筋骨架加工業(yè)務(wù)流程

針對鋼筋骨架加工配送管理中的難點(diǎn)問題，結(jié)合ERP 系統(tǒng)的管理思想，對鋼筋加工業(yè)務(wù)工作流程進(jìn)行了重新梳理，工程鋼筋加工配送業(yè)務(wù)流程圖如圖1 所示，主要業(yè)務(wù)包括原材采購、采購原材入庫；銷售訂單、銷售發(fā)貨單；生產(chǎn)訂單、生產(chǎn)領(lǐng)料、生產(chǎn)退料、生產(chǎn)完工單；入庫單、出庫單、盤點(diǎn)單、調(diào)撥單等。

圖1 鋼筋加工配送管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

2.2 系統(tǒng)功能規(guī)劃

根據(jù)目前鋼筋加工的難點(diǎn)問題和上面對專業(yè)化鋼筋加工中心業(yè)務(wù)流程的梳理規(guī)劃，首先對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行了劃分設(shè)計(jì)，主要業(yè)務(wù)模塊包括：中央監(jiān)控、生產(chǎn)管理、原材管理、配送管理、設(shè)備管理和人員管理。然后對每一部分的模塊業(yè)務(wù)功能進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2 鋼筋加工管理系統(tǒng)功能模塊圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)方案

3.1 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)需求

通過對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)功能進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，要更好地實(shí)現(xiàn)上述功能，就要打通系統(tǒng)和系統(tǒng)、系統(tǒng)和設(shè)備、設(shè)備和物料之間的快速識別、感知和通信。而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正是研究如何將傳感器、控制器、互聯(lián)通信、智能分析等技術(shù)融入工業(yè)生產(chǎn)，提高制造效率，降低產(chǎn)品成本，因此，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)引入到鋼筋加工配送過程能夠很好地解決工程實(shí)際問題。

在工程鋼筋加工配送過程中對物聯(lián)網(wǎng)的需求如下。

1）基于物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)需要具有與ERP 等系統(tǒng)接口的能力，從而最終實(shí)現(xiàn)與工廠已建立的各系統(tǒng)的信息交互，為工廠生產(chǎn)管理和決策提供支持。

2）配送車輛安裝GPS 定位系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)連接云平臺，實(shí)時(shí)跟蹤配送車輛的行進(jìn)位置，并對每輛車的重量變化實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止中間過程作弊。

3）設(shè)備遠(yuǎn)程控制，包括設(shè)備運(yùn)行情況、故障信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，對設(shè)備生產(chǎn)、故障進(jìn)行預(yù)判，對設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，提高設(shè)備使用效率。同時(shí)為設(shè)備廠家提供設(shè)備故障數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析，改善設(shè)備質(zhì)量。提升產(chǎn)品增值服務(wù)，創(chuàng)造新的利潤點(diǎn)。

4）設(shè)備通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和MES 系統(tǒng)對接，將生產(chǎn)訂單通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程下載到設(shè)備中，同時(shí)上傳加工完成情況，實(shí)時(shí)了解加工廠完成狀態(tài)，提高工作效率。

5）智能倉儲，通過物聯(lián)網(wǎng)將揀貨車和倉儲管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)將裝車計(jì)劃信息直接傳輸?shù)綊涇嚕瑑?yōu)化裝車路徑，提高鋼筋骨架配送效率。

6）與地磅、吊裝傳感器等系統(tǒng)進(jìn)行物聯(lián)對接，通過無線LoRa 技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺數(shù)據(jù)庫，大大簡化系統(tǒng)操作，降低人工成本。

7）在物料上通過綁定RFID 芯片或者綁定二維碼標(biāo)牌，或者通過圖像識別傳感器，有效進(jìn)行物料感知，加速物料在生產(chǎn)活動中的快速準(zhǔn)確識別，提高產(chǎn)品傳遞速度，提高效率。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對鋼筋加工管理系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，系統(tǒng)主要分為：設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層，如圖3 所示。

圖3 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)平臺架構(gòu)

1）設(shè)備感知層 主要包括感知傳感器和工業(yè)設(shè)備控制器，這些都是實(shí)現(xiàn)智能模塊化功能的基礎(chǔ)。例如架構(gòu)設(shè)備、智能運(yùn)輸車、攝像頭、GPS模塊、傳感器等。

2）網(wǎng)絡(luò)層 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最重要的兩個(gè)特征是實(shí)時(shí)性和可靠性，因此網(wǎng)絡(luò)層至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)層主要是將傳感器或設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)方案主要分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)又分為短距離無線網(wǎng)絡(luò)（Zigbee、LoRa、BlueTooth）和遠(yuǎn)距離移動無線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)可以分為工業(yè)總線（CAN、RS485）和以太網(wǎng)。根據(jù)物聯(lián)需求傳輸方式、傳輸內(nèi)容（數(shù)據(jù)、文件、視頻）的不同可以使用不同的連網(wǎng)方式。

3）平臺層 平臺層分為基礎(chǔ)平臺和業(yè)務(wù)平臺，基礎(chǔ)平臺主要包括云服務(wù)器平臺、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)接口；而業(yè)務(wù)平臺又分為物聯(lián)網(wǎng)接入平臺、ERP平臺、MES平臺、智慧大腦平臺等業(yè)務(wù)平臺。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺是一個(gè)支撐物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的核心支撐平臺，向下提供連接各種物聯(lián)網(wǎng)終端等硬件設(shè)備的通信接口；向上提供一些業(yè)務(wù)基礎(chǔ)服務(wù)，例如位置服務(wù)、安全認(rèn)證等。

4）應(yīng)用層 依靠工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺層提供的服務(wù)功能，為解決各種實(shí)際業(yè)務(wù)問題的應(yīng)用程序。例如智能排產(chǎn)、遠(yuǎn)程下單、智能揀貨裝車等。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用協(xié)議

由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對通信協(xié)議實(shí)時(shí)性和可靠性的要求較高，因此需要一種實(shí)時(shí)可靠傳輸協(xié)議。而MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議）是一種構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協(xié)議，提供有序、無損、雙向連接?？捎行Х乐瓜⒅貜?fù)、丟失和網(wǎng)絡(luò)傳輸錯誤等，并且滿足實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

4.1 邊緣網(wǎng)關(guān)物聯(lián)方案

對于鋼筋設(shè)備或者其它傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)連接云平臺的方法，如圖4 所示。邊緣智能網(wǎng)關(guān)和設(shè)備之間通過Modbus 協(xié)議進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)讀取監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并可以將數(shù)據(jù)下載到設(shè)備的PLC控制器中。邊緣網(wǎng)關(guān)將從設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)或者請求，通過MQTT 協(xié)議和物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行通訊，從而最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)連接云平臺。

圖4 設(shè)備通過邊緣網(wǎng)關(guān)連接云平臺

4.2 邊緣智能網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)對邊緣智能網(wǎng)關(guān)的要求，在智能網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)上，采用NXP 的Cortex-A 系列處理器，并且為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用μCos Ⅱ的操作系統(tǒng)，進(jìn)行通訊任務(wù)調(diào)度。智能網(wǎng)關(guān)除了基本的電源電路、存儲電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、晶振意外，在通訊方面使用移遠(yuǎn)的EC20 通訊模組，保證網(wǎng)關(guān)具有4G 通訊和GPS 定位功能。此外，為保證短距離無線通訊，智能網(wǎng)關(guān)還開發(fā)了LoRa無線通訊、WiFi 通訊、RS485 通訊等功能。保證智能網(wǎng)關(guān)能夠和大多數(shù)設(shè)備控制器或者傳感器連接，保證在鋼筋加工現(xiàn)場設(shè)備都能夠連接到云平臺，如圖5 所示。

圖5 智能網(wǎng)關(guān)硬件電路模塊

4.3 服務(wù)端軟件實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)或設(shè)備和云平臺的連接，采用MQTT 協(xié)議進(jìn)行消息傳輸?；赪indows操作系統(tǒng)搭建服務(wù)器，采用Apache Apoll 環(huán)境搭建MQTT 消息代理，安裝好以后，運(yùn)行Apache Apoll，并啟用其監(jiān)聽TCP 端口。實(shí)現(xiàn)采集來自主MQTT 發(fā)布的消息。之后開發(fā)服務(wù)軟件將傳回的數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫中，或者根據(jù)數(shù)據(jù)請求查詢數(shù)據(jù)庫，返回需要的數(shù)據(jù)?；蛘邆鬏?shù)狡渌脚_進(jìn)行數(shù)據(jù)邏輯處理。通過基于VS2017對該協(xié)議的測試，證明能夠滿足鋼筋智能化加工過程中數(shù)據(jù)的傳輸需求。

5 結(jié)語

通過分析工程鋼筋加工管理中存在的一些難點(diǎn)問題，設(shè)計(jì)了ERP 和鋼筋加工管理軟件相結(jié)合的鋼筋加工配送管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)功能。而要做到真正提高效率，降低成本，就必須將生產(chǎn)管理中的工人、設(shè)備、物料等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，因此，為了打通數(shù)據(jù)隔離，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的鋼筋加工管理系統(tǒng)架構(gòu)方案，該方案利用物聯(lián)網(wǎng)精確快速識別感知能力，能實(shí)現(xiàn)對各種生產(chǎn)變化的實(shí)時(shí)掌握、快速響應(yīng)，優(yōu)化配置生產(chǎn)資源。通過對該物聯(lián)網(wǎng)方案中的互聯(lián)方法的分析研究，研發(fā)了能夠?qū)崟r(shí)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄苓吘壘W(wǎng)關(guān)物聯(lián)方案，并對智能邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和程序開發(fā)，最后基于Windows 系統(tǒng)下Apache Apoll 的MQTT 消息代理對物聯(lián)網(wǎng)方案進(jìn)行了測試，能夠滿足工程鋼筋加工配送管理系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)傳輸速度、可靠性的要求。