什么是車間物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)？

引自：《制造執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用》（作者：饒運(yùn)清）

「1. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介」

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT），是指通過(guò)信息傳感設(shè)備（如RFID、紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等），按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展，它作為物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)是物體之間的交換數(shù)據(jù)的平臺(tái)。物聯(lián)網(wǎng)不是互聯(lián)網(wǎng)，但它的基本理念來(lái)源還是互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)是人與人之間的聯(lián)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)則延伸到了任何物品之間進(jìn)行通信和信息交換。

如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層構(gòu)成。感知層用于獲取網(wǎng)絡(luò)工作所需要的信息，類似于人的五官、皮膚。在MES實(shí)際應(yīng)用的傳感設(shè)備很多，如條形碼讀寫(xiě)器、RFID、攝像頭、機(jī)床振動(dòng)傳感器、溫度傳感器等。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)中的處理器，類似于人的神經(jīng)中樞和大腦。接收采集系統(tǒng)送來(lái)數(shù)據(jù)之后，它的工作就是信息轉(zhuǎn)發(fā)或處理。應(yīng)用層是網(wǎng)絡(luò)與使用者之間溝通渠道，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者根據(jù)分析實(shí)際需要，設(shè)計(jì)滿足用戶需求的智能系統(tǒng)。

圖1 車間物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)

車間物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有：自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、設(shè)備集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)等。

（1）自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。讓機(jī)器自動(dòng)識(shí)別物體對(duì)于自動(dòng)化車間非常重要，此類物體通常包括在制品、零配件、刀輔具、人員等，條碼（包括二維碼）、RFID、機(jī)器視覺(jué)是最常見(jiàn)的三種識(shí)別方式。

（2）設(shè)備集成技術(shù)。常見(jiàn)的設(shè)備集成技術(shù)有DNC技術(shù)、OPC接口技術(shù)、設(shè)備集成平臺(tái)等。

（3）室內(nèi)定位技術(shù)。位置服務(wù)是車間物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用場(chǎng)景，車間內(nèi)部有許多物體存在定位需求，比如物料小車、在制品和零配件、刀輔具、人員等，常見(jiàn)的定位方式包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） 、RFID、超寬帶（UWB）等。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。車間的數(shù)據(jù)傳遞通常有兩種形式，一是有線局域網(wǎng)，二是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，常用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)形式包括WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等。5G技術(shù)具有更高的速率、更寬的帶寬、更高的可靠性以及更低的延時(shí)，未來(lái)能夠滿足數(shù)字化智能化車間的一些特定應(yīng)用場(chǎng)景需求。

（5）邊緣計(jì)算技術(shù)。邊緣計(jì)算就是靠近物聯(lián)網(wǎng)邊緣的計(jì)算、處理、優(yōu)化和存儲(chǔ)。基于邊緣計(jì)算技術(shù)，IoT中的許多控制將通過(guò)本地設(shè)備實(shí)現(xiàn)而無(wú)需交由云端，處理過(guò)程將在本地邊緣計(jì)算層完成，這無(wú)疑將大大提升處理效率，減輕云端的負(fù)荷，為用戶提供更快的響應(yīng)服務(wù)。

「2. 基于車間物聯(lián)網(wǎng)的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)」

基于車間物聯(lián)網(wǎng)，可以構(gòu)建一種如圖2所示的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)框架。該框架由三層組成：數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)場(chǎng)操作層、數(shù)據(jù)管理層。

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圖2 一種基于車間物聯(lián)網(wǎng)的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，初始化之后可通過(guò) ZigBee 路由器對(duì)外置式電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。在目標(biāo)對(duì)象（如物料、人員等）進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有指示功能，告知標(biāo)簽的載體已進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。操作人員在接近需操作的機(jī)臺(tái)時(shí)，有提示信息。非工作狀態(tài)時(shí)，可將電子標(biāo)簽置于休眠狀態(tài)，減小功耗。

（2）現(xiàn)場(chǎng)操作層。MES現(xiàn)場(chǎng)操作層提供現(xiàn)場(chǎng)操作平臺(tái)，具有參數(shù)配置、故障上報(bào)以及任務(wù)請(qǐng)求等功能。①操作界面：可操作機(jī)臺(tái)的運(yùn)作，查看機(jī)臺(tái)的當(dāng)前工作狀態(tài)及歷史信息。②故障上傳：如機(jī)臺(tái)停轉(zhuǎn)、產(chǎn)速異常等狀況能及時(shí)反映至上位機(jī)。③任務(wù)請(qǐng)求：機(jī)臺(tái)閑置時(shí)可申請(qǐng)下一步任務(wù)。④信息比對(duì)：當(dāng)物料或人員接近時(shí)可讀取其外置式電子標(biāo)簽信息，并判斷是否是該機(jī)臺(tái)的物料或操作人員。⑤數(shù)據(jù)寫(xiě)入：物料經(jīng)該機(jī)臺(tái)加工成半成品后，可向該半成品的外置式電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)功能，如物料為銅絲，加工后寫(xiě)為雙絞線。⑥參數(shù)配置：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，只需進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)更改和配置即可。

（3）數(shù)據(jù)管理層。上位機(jī)MES數(shù)據(jù)管理層通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中管理，以及生產(chǎn)管理的分析統(tǒng)計(jì)。具體如下：①狀態(tài)監(jiān)控：結(jié)合圖形和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示車間工作的狀態(tài)。②計(jì)劃管理：可觀察車間機(jī)臺(tái)的任務(wù)完成狀況及分配新的任務(wù)。③通信管理：對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，如 CAN 網(wǎng)絡(luò)的波特率等。④數(shù)據(jù)庫(kù)管理：保存歷史數(shù)據(jù)，支持查詢功能。⑤故障處理：觀察機(jī)臺(tái)的實(shí)時(shí)和歷史故障信息，發(fā)送故障處理指令。⑥統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)歷史記錄，對(duì)產(chǎn)品和機(jī)器等信息做出統(tǒng)計(jì)分析，以圖表的形式顯示，供管理者參考查詢。⑦日志記錄：記錄車間及系統(tǒng)每日工作狀態(tài)，生成日志。

應(yīng)用上述基于車間物聯(lián)網(wǎng)的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、物料追蹤、產(chǎn)品質(zhì)量追溯等工作。

1）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

人員數(shù)據(jù)采集方面，可通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將每個(gè)工作人員的各種信息、當(dāng)天任務(wù)、所要操作的機(jī)臺(tái)等數(shù)據(jù)存放在車間管理的數(shù)據(jù)庫(kù)里。具體可采取如下兩種采集方法：

方法一，人員的衣服上掛載ZigBee外置式電子標(biāo)簽，當(dāng)接近機(jī)臺(tái)時(shí)，與機(jī)臺(tái)的智能現(xiàn)場(chǎng)采集器互相感知。外置式電子標(biāo)簽發(fā)送該人員的工號(hào)至采集器，采集器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器發(fā)送人員工號(hào)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)CAN總線訪問(wèn)車間管理機(jī)詢問(wèn)該工號(hào)人員今天的工作任務(wù)。如果該工作人員需操作該機(jī)臺(tái)，機(jī)臺(tái)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)、機(jī)臺(tái)的計(jì)劃產(chǎn)量和任務(wù)預(yù)計(jì)完成時(shí)間等數(shù)據(jù)。

方法二，人員在進(jìn)入車間時(shí)，在車間入口處，由數(shù)據(jù)采集器告知今天的工作任務(wù)和工作機(jī)臺(tái)號(hào)等信息，信息存放在外置式電子標(biāo)簽內(nèi)。當(dāng)人員接近機(jī)臺(tái)時(shí)，機(jī)臺(tái)的智能現(xiàn)場(chǎng)采集器讀取信息。

可以繼續(xù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集。當(dāng)物料上架后，物料的電子標(biāo)簽被激活，物料的生產(chǎn)信息被傳送至現(xiàn)場(chǎng)智能采集器。當(dāng)物料的生產(chǎn)信息不符合當(dāng)前任務(wù)要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)智能采集器發(fā)出警報(bào)信息；當(dāng)該物料在該機(jī)臺(tái)加工完成后，該機(jī)臺(tái)的生產(chǎn)信息被寫(xiě)入電子標(biāo)簽，并隨電子標(biāo)簽轉(zhuǎn)入到下一工序。

還可以進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)采集。設(shè)備數(shù)據(jù)包括設(shè)備參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，譬如當(dāng)前機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、產(chǎn)品的質(zhì)量曲線、設(shè)備溫度控制以及物料的剩余數(shù)量等等。設(shè)備參數(shù)的采集是通過(guò)現(xiàn)有或新增的傳感器實(shí)現(xiàn)，設(shè)備狀態(tài)的采集是通過(guò)接入設(shè)備動(dòng)作的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)。以機(jī)器轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集為例，可采用接近開(kāi)關(guān)或編碼器實(shí)現(xiàn)機(jī)器轉(zhuǎn)速的采集。首先，接近開(kāi)關(guān)放置在機(jī)器輪軸旁邊，輪軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，接近開(kāi)關(guān)便發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)給智能采集器。智能采集器通過(guò)讀取脈沖再結(jié)合預(yù)設(shè)參數(shù)就可以計(jì)算出機(jī)器的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，智能采集器含有觸摸屏，用來(lái)顯示或輸入機(jī)器轉(zhuǎn)速。

2）產(chǎn)品質(zhì)量追溯

基于物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)智能感知的方法，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)品質(zhì)數(shù)據(jù)管理及追溯，具體方法如下：

（1）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)每種物料均采用獨(dú)立的電子標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識(shí)；

（2）當(dāng)原材料入庫(kù)后，電子標(biāo)簽記錄原材料入庫(kù)數(shù)據(jù)，包括：供應(yīng)商、日期、材料批號(hào)等；

（3）原材料進(jìn)行加工時(shí)，該原材料的電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)被傳送至現(xiàn)場(chǎng)智能數(shù)據(jù)采集器。在加工結(jié)束后，原材料數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)一起被傳送至半成品的電子標(biāo)簽中；

（4）半成品在下一道工序加工時(shí)，其電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)被傳送至現(xiàn)場(chǎng)智能數(shù)據(jù)采集器，在加工結(jié)束時(shí)可獲得的數(shù)據(jù)包括：原材料數(shù)據(jù)、本工序前的所有加工數(shù)據(jù)以及本工序加工數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳送和存儲(chǔ)到本工序的半成品的電子標(biāo)簽中；

（5）依此類推，待成品生產(chǎn)任務(wù)結(jié)束時(shí)，其電子標(biāo)簽中保存有該成品的全部生產(chǎn)信息。待成品入庫(kù)時(shí)，其電子標(biāo)簽中的信息被保存至庫(kù)存數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（6）當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，通過(guò)銷售記錄查找出庫(kù)記錄，即可查出該產(chǎn)品的全部生產(chǎn)信息，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的全過(guò)程記錄及追溯。