（机械制造及其自动化专业论文）离散制造车间数据采集及其分析处理系统研究与开发.pdf

浙江大学顾：t ：学位论文摘要 摘要 当前随着信息和网络技术的广泛运用，制造技术从以机器为特征的传统技术，向信息 化技术时代迈进。离散制造车间管理复杂，迫切需要对制造过程进行信息化管理。在构建 车间信息化的过程中，首先要解决的就是来自于车间生产现场大量的数据采集的问题。本 文研究和开发了适用于离散制造车间的数据采集及其分析处理系统，集成了条形码、 r f i d 、数控机床运行参数采集等多种数据采集方式，可以采集车间生产现场的工况数据 和数控机床的运行参数，并对这些数据进行了初步的分析处理。论文的主要内容如下： 第一章介绍了本论文的来源，研究任务和主要内容，简要叙述了相关领域的国内外研 究现状和发展趋势，最后介绍了论文的主要内容及其组织结构。 第二章介绍了离散制造车间的特点和存在的问题，离散制造车间制造执行系统以及车 间数据采集及其分析处理系统的需求，分析了离散型制造业车间的数据类型，提出了系统 的总体设计方案，建立了系统的功能模型。 第三章详细介绍离散制造车间数据采集系统的设计，包括车间无线数据采集系统、 r f i d 数据采集系统、质检台数据采集系统和数控机床运行参数采集系统等四个部分。 第四章对数据采集系统采集到的车间工况数据和数控机床的运行参数进行了分析处 理，实现车间的生产进度分析、生产质量分析以及数控车间的可视化监控。 第五章介绍本数据采集及其分析处理系统在杭汽轮叶片车间的运用。分析了叶片车间 的需求，介绍了系统在叶片车间的总体架构和各个子系统的运行情况。 第六章对本论文的研究工作和成果进行总结，并指出本系统今后需要进一步改进的地 方。 关键词：离散制造；数据采集9r f i d ；数据分析处理；车间可视化 i i 浙江人学硕一l 二学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ew i d eu s eo fn e t w o r ka n dm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yi ss t r i d i n gf o r w a r dt h ea g eo fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yf r o mt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y c h a r a c t e r i z e db ym a c h i n e t h em a n a g e m e n to fd i s c r e t em a n u f a c t u r i n gw o r k s h o pi sc o m p l e x ，s o t h e r ei sap r e s s i n gn e e dt om a n a g em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw i t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i no r d e r t or e a l i z ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，t h ed a t ai nw o r kf i e l dm u s tb ec o l l e c t e dr e a l t i m ef i r s t l y i nt h i st h e s i s ，ad a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s p r o c e s s i n gs y s t e mf o rd i s c r e t em a n u f a c t u r i n g w o r k s h o pi sd e s i g n e d ，w h i c hc a nc o l l e c tb a rc o d ed a t a ，r f i dd a t aa n do p e r a t i o np a r a m e t e r s o fc n cm a c h i n e ，a n a l y s i sa n dp r o c e s st h ed a t ac o l l e c t e d m a i nc o n t e n t si n c l u d i n g ： c h a p t e r ii n t r o d u c e st h es o u r c e ，t h et a s ka n dt h ec o n t e n t so ft h i st h e s i s t h er e s e a r c hs t a t u s o fi t sr e l a t e da r e a si sa l s od i s c u s s e da sw e l la si t sa r c h i t e c t u r e c h a p t e r i ii n t r o d u c e s t h ef e a t u r e s ，t h ep r o b l e m sa n dt h em e so fd i s c r e t em a n u f a c t u r i n g w o r k s h o p ，a n a l y s i s e st h ed a t at y p eo ft h ew o r k s h o p ，d e s i g nt h ew h o l ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n m o d e lo ft h es y s t e m c h a p t e ri i i i n t r o d u c e sf o u rp a r t so ft h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h ew i r e l e s sd a t a c o l l e c t i o ns y s t e m ，r f i dd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，t h ep r e p a r a t i o ns t a t i o nd a t ac o l l e c t i o ns y s t e m a n do p e r a t i o np a r a m e t e r so fc n cm a c h i n ec o l l e c t i o ns y s t e m c h a p t e ri va n a l y s i s e sa n dp r o c e s s e st h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，g e t t i n g t h es t a t i s t i c so ft h ep r o d u c t i o ns c h e d u l ea n dq u a l i t y , a n dv i s u a lm o n i t o r i n gt h en c w o r k s h o p c h a p t e rvi n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mi nab l a d ew o r k s h o pi nh t c ，a n a l y s i s e s t h en e e d so fb l a d et h ew o r k s h o pa n di n t r o d u c e st h eo p e r a t i o no ft h es y s t e m c h a p t e r v is u m m a r i z e st h ew h o l et h e s i sa n dl o o k sa h e a di n t of u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：d i s c r e t em a n u f a c t u r i n g ；d a t ac o l l e c t i o n ；r f i d ；d a t aa n a l y s i s p r o c e s s i n g ；v i s u a l m o n i t o r 1 1 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 果。除了文中特别加以标注和致谓十的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王矽勿芬 签字日期：歹口。年岁月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：土加安 导师签名： 签字日期：2of 口年弓月2 ，日 签字日期：1 矽加年弓月砭驴 沙加 彬 弓 t 、乙 浙江人学硕。l ：学位论文致谢 致谢 研究生两年多的学习时间，是我人生成长中非常重要的一个时期。在此阶段，我的研 究生导师方水良副教授给予了我莫大的关心与帮助，在此我衷心地感谢他。方老师渊博的 知识、丰富的经验、创新的思路和严谨的工作作风给了我深深的启迪和影响。从方老师那 里我不仅学到了丰富的知识以及学习和科研的方法，而且我还学会了为人、治学的道理。 论文的完成更是离不开方老师的悉心指导。 感谢机械工程学系的各位老师给我传授理论知识和实践经验，感谢项目课题组中的潘 晓弘教授、唐任仲教授和王正肖副教授给予我的宝贵的指导意见。 感谢实验室各位同学的热心帮助，他们是：陈彩丽、李正祥、姚嫣菲、屠蔚蓝、赵诗 奎、付伟和郑继旺，以及已经毕业的高丽禅、付林云和杨维学，感谢他们在项目上的热心 帮忙与支持。 感谢我的父母和我的姐姐，谢谢他们对我的养育之恩，以及一直以来对我的谆谆教诲， 是他们的乐观、信任与鼓励给了我永往直前、不断拼搏的信心与勇气。感谢所有亲人的爱 给予我的力量。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多 少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 衷心感谢在百忙之中抽出宝贵时间对本文进行评阅的专家和老师们。 王加兴于浙大求是园 2 0 1 0 年1 月 浙江人学硕i ：学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 引言 目前中国制造业迅速崛起，类似于第二次工业革命时期的美国和2 0 世纪6 0 年代的日 本，中国正在逐步成为世界制造中心。当前随着以互联网为代表的信息和网络技术的广泛 运用，制造技术也从以机器为特征的传统技术，向信息化技术时代迈进【l 】。制造业信息化 是大势所趋，已经成为制造企业提高其竞争力的重要方式。 制造业信息化就是用信息化技术装备制造企业。制造业信息化的内涵是将信息技术、 自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新、企业管 理模式的创新、企业间协作关系的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过 程控制的智能化、制造装备的数控化、咨询服务的网络化【2 1 ，全面提升制造业的竞争力。 随着制造业信息化的不断深入，生产管理从观念到生产方式的采用都发生了重大的变 革，这一切都导致了现代生产管理理论的出现，具有代表性的如物料需求计划( m a t e r i a l r e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ，m r p ) 、制造资源计划( m a n u f a c t u r er e s o u r c ep l a n n i n g ，m r pi i ) ， 企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) 、准时制造生产方式( j u s ti nt i m e ，j i t ) 、 最优生产技术( o p t i m i z e dp r o d u c t i o nt e c h n i q u e ，o p t ) 、计算机集成制造系统( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m ，c i m s ) 、敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ，a m ) 等相继出现。 尽管e r p 、j i t 、o p t 等理论和方法以及基于这些理论的生产管理系统为企业的生产管理 提供了有效地解决方法和工具，但是由于车间生产管理强调生产计划的执行以及生产现场 数据的采集和反馈，而e r p 等强调企业的计划性，因此，在车间生产管理和控制上，e r p 、 等就显得力不从心。为了解决生产计划的适应性以及增加底层生产过程的信息流动，提高 计划的实时性和灵活性，提出了制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s ，m e s ) 概念【3 】。当前，制造业信息化技术发生了很大的变化，其内涵不断丰富，外延不断扩大， 其发展趋势如下：集成和协同是制造业信息化技术发展的主旋律；绿色制造成为制造业信 息化技术发展的重要特征；智能制造加速了制造业信息化技术的发展；网络化制造改变了 企业的运作方式；大批量定制提高了企业的快速应变能力 4 - 6 1 。 在构建企业信息化的过程中，首先要解决的就是来自于生产现场的大量的数据采集的 问题，只有将这些生产和管理过程中的产生大量底层数据完整、及时的采集到数据中心， 才能实现对生产设备，工作人员，加工过程，生产计划，产品质量等的有效管理和监控。 可见，完整、实时的数据采集及其分析处理系统在m e s 中起着极其重要的作用，是企业 浙江人学硕j j 学位论文绪论 信息化能否成功的重要因素。 1 2 论文研究任务和技术要求 1 2 1 论文来源和研究任务 论文研究的课题来源于浙江省重大科技攻关项目离散制造业生产过程信息智能监控 系统的研发和应用。旨在通过该项目的攻关，在示范企业杭汽轮叶片分厂建立先进的“离 散制造过程可视化实时在线监测与控制系统”，并对省内其他相似的离散型制造企业起到 示范作用。本论文在研究面向离散制造业制造执行系统的基础上，分析了车间的数据类型， 集成多种数据采集方法，建立了一整套适合于离散型制造业的车间生产过程数据采集及其 分析处理系统，并在项目应用示范企业杭州汽轮机有限责任公司进行实施应用。 项目中“研究开发基于r f i d 、o p c 、p l c ( 可编程序控制器) 、网络、条形码、企业 信息化系统等多种数据实时采集、提取、输入的车间生产过程数据采集系统，实时反映设 备、加工过程、车间物流、质量、人员等的状态”是该项目的一个重要组成部分，也是本 论文的研究任务，主要包含以下3 个方面的内容： ( 1 ) 制造设备运行参数采集系统 制造设备运行数据采集内容主要是数控设备运行过程的有关信息的采集，主要包括： 机床设备的状态：运行、准备、停机、空闲等；当前班次设备的操作工号、设备 - s 前 加工的零件、程序名称、程序启动时间、程序停止时间、工件实际加工时间、 - s 前刀具号、 主轴转速、进给速度、故障情况等等。 ( 2 ) 工况数据采集系统 所采集的数据包括：被加工零件的种类、名称等；每个零件加工时闻；在一段时间内， 加工某类零件的数量；操作员工的信息，如工号、姓名、工具的状态信息等。 数据采集方法包括：人工数据采集、无线数据采集、基于条形码的数据采集、基于 r f i d 的数据采集等。 ( 3 ) 车间数据分析与处理 对数据采集系统所采集的车间生产现场的工况数据和制造设备运行参数进行分析处 理，实现车间的生产进度分析、生产质量分析以及数控车间的可视化监控。 1 2 2 系统的技术要求 ( 1 ) 融合多种数据采集模式的实时数据获取技术。数据采集方式有多种，如基于 r f i d 、p l c ( 可编程逻辑控制器) 、d n c 、条形码、手工输入等数据采集方式。 2 浙江人学硕+ i ：学位论文绪论 ( 2 ) 在研究离散制造车间需求的前提下，设计一个完整实时的离散车间数据采集及 其分析系统，为车间管理提供数据基础。系统具有以下特点： 完整性能够完整的采集车间中所需的各种数据、员工数据、工件数据和制造设备 运行参数，并建立完整的网络结构。 实时性采集的过程必须要具有实时性，采集的信息要能够迅速地传递到车间数据 服务器进行分析和统计。 高效性采集过程要集合多种采集方式，以求能够高效地采集数据信息，运用条形 码等采集方式，以及机床自动采集方式等。 l - 3 相关研究的国内外情况 2 0 世纪9 0 年代初期，美国先进制造研究机构( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ， a m r ) 通过对大量企业的调查发现，完善的企业生产管理系统，普遍由以下三种软件构 成：以e r p 、m r pi i 为代表的企业管理软件，以s c a d a ( 数据采集与监视) 、h m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 为代表的生产过程监控软件，以及实现操作过程自动化、支持企业全 面集成的m e s 软件。根据调查结果，a m r 于1 9 9 2 年提出了三层的企业集成模型【7 罐1 ，如 图1 1 所示。 ( 1 ) 计划层强调企业的计划性，通常是m r p i i 和e r p 等系统，其作用是管理企业 内的各种资源，降低库存，提高企业效益。 ( 2 ) 执行层强调计划的执行和控制，面向制造工厂管理的生产调度、设备管理、 质量管理、物料跟踪等系统，在企业的三层结构中起着承上启下，填补计划层和控制层之 间的空白的作用。 ( 3 ) 控制层强调设备的控制，主要包括d c s ( 分布式控制系统) 、d n c ( 分布式数控 系统) 、p l c ( 可编程逻辑控制器) ，s c a d a ( 数据采集与监视控制系统) 等系统，其作用是对 生产过程和生产设备的实时控制。 本论文的研究主要集中在执行层和控制层，并与计划层有信息集成的内容，如图1 1 所示。 浙江大学硕l ：学位论文 绪论 图1 1a m r 的三层企业集成模型 本论文涉及的主要研究技术有制造执行系统( m e s ) 、制造设备运行参数实时采集技 术、工况的实时采集技术、制造设备运行参数和工况的可视化监控技术、智能化生产调度 等。各部分的国内外发展现状与趋势分别介绍如下： 1 3 1 制造执行系统( m e s ) 的国内外发展现状与趋势 2 0 世纪9 0 年代美国a m r 提出了m e s 概念，以解决生产计划的适应性以及加强车间 底层生产过程的信息流动，提高计划的实时性和灵活性。1 9 9 2 年，国际m e s 协会( m e s a ， m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n ) 成立。 m e s 与制造过程智能监控系统关系密切，虽然关于m e s 的定义存在几种不同的表述， 但都包含了以下的几点共识【9 】： ( 1 ) m e s 在企业信息化集成系统中起着承上启下的作用，是生产现场与管理活动信 息沟通的桥梁。 ( 2 ) m e s 采集从订单到最终成品的各种数据和状态信息，用来优化企业管理活动。 它强调的是单前视角，即精确的实时数据。 ( 3 ) m e s 强调实时性，如果说控制层要求的实时的时间系数为1 ，那么m e s 的时 间系数为1 0 ，e r p 的时间系数为1 0 0 t 1 0 l 。 按照国际m e s 协会的定义，m e s 共有1 1 个功能模块，包括：生产调度管理模块；人 力资源管理模块；数据采集模块；工序级详细生产计划模块；资源配置和状态模块；产品 跟踪和产品数据管理模块；生产过程管理模块；质量管理模块；性能分析模块；生产设备 管理模块；文档控制模块 i h 2 。 虽然m e s 的发展历史比m r p i i ，c a d c a m 等要短，但它是企业实施敏捷化制造战 4 浙江人学硕i j 学位论文绪论 略，实现车间生产敏捷化的基本技术手段。由于m e s 强调控制和协调，使计划系统和执 行系统实现了集成，所以短短几年间m e s 在国外的企业中迅速推广开来，给企业带来了 巨大的经济效益，对国外的管理界产生了深远的影响。 近l o 多年来，我国通过8 6 3 c i m s 应用的研究和推广，大大提高了企业的竞争力， 使我国的制造业水平上了一个崭新的台阶，但与发达国家相比还有较大的差距，面向制造 执行层的m e s 软件的开发与应用还比较薄弱。我国的许多高等院校、科研院所都在从事 这方面的研究与应用开发工作。在理论研究方面，加入了并行工程、敏捷制造、网络化制 造、可重构系统等一些先进思想和技术，在系统设计方面采用面向对象、构件、代理等技 术，取得了不少有益的成果。随着行业和经济的发展，会有相当部分的i t 厂商与自动化 厂商、制造型企业合并或者紧密合作，m e s 技术和手段也必然将日趋成熟。 1 3 2 制造设备运行参数实时采集技术的国内外发展现状与趋势 任何一个企业都有大量的生产与技术数据。数据必须经过加工、处理才能产生有用的 信息提供给决策者使用。因此，这些原始数据如何准确、及时、快速、可靠地送入计算机 系统是至关重要的。经验证明，数据缺乏准确性和及时性是某些企业推行信息系统失败的 重要原因。目前在工业企业中应用较为广泛的是s c a d a ( 数据采集与监控控制) 系统， 车间监控与数据采集系统s c a d a 链接工厂车间每一个独立运行的工具设备与工厂制造 执行系统m e s 之间的通信，自动采集数据并实时反馈【1 3 】，对机床的开停、加工运行状态 进行实时采集，为计划控制和动态调度提供及时、准确的信息支持，使车间管理与控制真 正做到基于企业的实时信息。 目前，在一个企业中，特别是在自动化程度比较高的大中型制造企业中，存在着多种 不同层次的制造设备，有基于o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，用于处理控制的对象的链 接和嵌入) 标准的高层次设备，也有基于以太网，现场总线等等的设备，并且不同厂家的 通讯协议也不尽相同，这为车间级实时信息的监控数据获取带来了难度。对于支持o p c 的设备，采用基于o p c 的状态信息采集方案，通过标准的o p c 接口和必要的软件配置， 直接读取机床的各种状态信息，这种方法可以达到不同硬件设备的数据采集的实时性和可 靠性要求；对于不支持o p c 的数控设备开关机与运行状态信息采集，要通过测量数控设 备中的控制面板、机床电气控制电路中有关点的模拟信号及其变化，并进行适当的转换， 再利用d n c 接口上的i o 接口来实现。对于一个企业来说，硬件设备的多样性决定了这 种方法的工作量非常大，而且对于大多数硬件厂商来说，已有的通信协议很多是不公开的， 进行程序开发的费用很高。因此需要一种融合多种设备数据采集的技术，充分利用企业现 气 浙江大学硕：i ：学位论文绪论 有的设备数据获取方式，实现低成本的实时数据采集。 受加工设备工况与运行环境的复杂性和大数据量信息实时传输等限制，目前对加工设 备远程监控的研究主要集中在信息感知、信息处理及系统工作环境状况的信息等【1 4 】。 d i m e n s i o n 公司针对企业的现状和需求，客户化地开发设备数据自动采集模块，实现直接 与机器设备集成，灵活采集多个部件的数据，并自动采集到数据库中，从而实现实时在线 监控和控制。美国麻省理工大学以i n t e m e t 为基础开展了以网络监控为主的网络加工和装 配单元一体化研究；澳大利亚开发了利用i n t e m e t 的异地加工工况信息集成与控制系统； 德国亚琛大学建立了切削过程网络监控的演示系统；上海宝钢建立了基于w e b 的轧机状 态监测与故障诊断系统。近年来，s o l t r a n 、b e n t l y 、e n t e k 等大型国际公司也将他 们设备数据采集与状态监测产品推向中国市场，在一定程度上促进了我国制造业信息化的 发展。 制造设备运行参数实时采集根据不同的设备条件，可有不同的数据采集方法。上海交 通大学采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 x x x a 系列d s p 控制芯片实现了机床的信号采集和处 理，该控制芯片功耗小，拥有4 0 m i p s 的指令执行速度，指令执行周期缩短到2 5 n s ，实时 采集性能很好，多达4 1 个i o 端口，实现电路简单，可采集到几百路的数据信号；同 济大学利用西门子公司的机床通讯软件s i n c o m 实现与机床内部数据的交换，成功采集到 所需要的机床状态数据【1 6 1 。 1 3 3 工况的实时采集技术的国内外发展现状与趋势 车间生产现场所需要实时采集的工况包括：工人、工件、加工设备、刀具、物料等的 工作状态信息。 生产过程中工况数据的采集主要经历了手工采集、条形码方式的数据采集技术、磁卡 技术的数据采集技术和现在研究较多的r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，无线射频识别) 技术。 条形码技术能够快速准确的采集数据，是目前自动识别技术中最成熟，应用最广泛的 技术。条码符号制作容易，扫描操作简单，信息采集速度快，设备结构简单，成本低，与 计算机、网络通信等一起构成了现代商业自动化的基础，在大型超市和物流系统中有着广 泛的运用。 有别于传统的条形码、磁卡以及i c 卡，r f i d 技术是一种非接触式的自动识别技术。 它通过r f 信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预。通常，电子 标签、读写器( 包括天线) 和r f i d 应用支撑软件构成了最简单的r f i d 系统。 6 浙江大学硕：j = 学位论文 绪论 r f i d 技术是一种突破性技术，拥有诸多优点【1 7 1 ： 采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息； 可同时读取多个r f i d 电子标签，而条形码一次只能扫描一次，而且可以写入和 存取数据，写入和读取数据； 电子标签不受尺寸大小与形状的限制，且具有很强的抗污染能力和耐久性； 储存的信息量非常大； 电子标签可以重复使用，修改、删除标签内储存的数据，随时更新信息。 r f i d 正在进入制造过程的核心。通过在工厂车间层逐步采用r f i d 技术，制造商可 以无缝且不间断地获取从r f i d 捕获的信息并链接到现有的、已验证和工业控制系统的基 础结构，与配置r f i d 功能的供应链协调，从而达到不需要更新已有的制造执行系统 ( m e s ) 和制造信息系统( m i s ) ，就可以发送准确、可靠的实时信息流，从而创造附加 值，提高生产率和大幅度地节省投资。 r f i d 典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交 通运输领域用于高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以 及宠物、野生动物跟踪；在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪。9 在制造业 用于零部件与库存的可视化管理；r f i d 还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位 与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域【1 8 】。 以下是一些r f i d 的应用案例： 在汽车行业中，由于完全依据订单进行生产，并且几乎没有两辆完全一样的订购 汽车，因此自动化的材料跟踪是顺利生产的前提条件。对于每道生产工序，必须 要对汽车进行明确的识别，以避免诸如错误安装了空调、调漆颜色不对等问题。 在装配流水线上应用r f i d 技术以尽可能大量地生产用户定制的汽车，是基于用 户提出的要求式样而生产的，用户可以从上万种内部和外部选项中选定自己所需 要的颜色、引擎型号等，这样汽车装配流水线上就得装配上百种样式的汽车，如 果没有一个高度组织的、复杂的空盒子系统是很难完成这样复杂的任务的。在装 配流水线上配有r f i d 系统，使用可重复使用的电子标签，该标签上可带有详细 的汽车所需的所有信息，在每个工作点都有r f i d 读写器，这样可以保证汽车在 各个流水线位置处能毫不出错的完成装配任务。利用现代化的识别技术，可以实 现一种产品的多种变形或是最小批量为l 的不同产品的生产。 英国的f i gl e a v e s 时装公司开始在其产品上安装t i 的被动式射频识别标签，他们 7 浙江大学学位论z 的目标是利用实时和精确数据减少因送错货物造成的退货，并期望提高装箱和发 货流程速度。 著名坦克制造商美国通用动力陆地系统公司( g d l s ) 利用r f i d 技术对价值 较高的生产工具进行追踪监管，这些生产工具都“身价不菲”，比如一个制造坦克 用的扳手，价值就超过了几千美元。g d l s 在制造间存放坦克制造工具的门禁处 安装了一个r f i d 读写器，在每一个需要跟踪的工具设备上安装了r f i d 无源标 签，并且车间工人的工具包里也嵌有r f i d 标签。工人需要使用工具的时候，就 将工具包放在读写器前，读写器就会自动扫描r f i d 标签，并记录工人信息；当 工人归还工具时，读写器会再次扫描标签并做好记录。 此外，为了随时随地采集数据，还有一种手持式数据采集嚣，可实现现场数据的灵活 采集以及与车间数据采集服务器的实时通信。c i p h e r l a b c p t - 8 0 0 0 c l 数据采集器即是 一种典型的手持式数据采集器该数据采集器，如图1 2 所示，是一种体积轻巧的便携式 数据采集终端，可使用多种高级语言进行二次开发，集成条码扫描模块，具有红外线串 行接口多种可选传输方式，并且抗摔、抗震、抗干扰能力强。 图1 2c i p h 刊：a bc p t - 8 0 0 0 c l 数据采集器 浙江人学顾一 ：学位论文绪论 表1 1 为三种实时采集方法和技术手段的比较。 表1 1 三种实时采集方法和技术手段的比较 r f i d 标签 条形码 手持无线数据采集 远距离直接读取信 随时随地采集信息 息，修改标签中的近距离直接读取 优点无线发送 信息；装卸方便9 。信息 实时性强 可存入的信息量大 金属对信息传递有容易被污染，导致信息量有限 缺点屏蔽作用；难以随 无法读取信息；不 采集速度较慢 零件装入产品能修改信息无线距离有限 可在零件箱外贴 不适宜直接粘贴 在零件管理 附、大叶片非加工零件上，可打印在可以使用 中的应用 面上直接贴附工票上 在工装管理可以贴附在工装的不适宜直接粘贴 可以使用 中的应用非使用面上 工装上 在员工管理可以粘贴在员工的可以打印在员工 可以使用 中的应用工号牌上 的工号牌上 1 3 4 制造设备运行参数和工况的可视化监控技术的国内外发展现状与趋势 对现场采集的设备运行参数和工况进行可视化，可以帮助管理者对车间设备的状态， 工况等进行实时监控，从而快速高效地解决设备故障，做出设备维护决策和及时的维护行 动，并成为车间实时动态环境智能化生产调度的重要辅助手段。目前国内外已经有多种商 业化的实时设备运行状况监控管理工程软件，提供适应各个行业的组态模块，可以快速地 开发友好的监控软件。可视化监控系统除了能够实时动态显示下层数据采集系统提供的各 类设备运行参数和工况外，一般还需要拥有创建报表、查询和处理信息的能力，比如可以 对报警故障点的信息生成故障报警表，对设备的工作时间，零件状态等进行归档。 日本k a z u om u t o 研究使用x m l 系统集成各种设备【l9 1 。通过x m l 系统，在任何地 方的用户通过浏览器，不仅可以看到设备信息，而且可以操作这些设备，如数控机床。在 x m l 系统中，建立了一个企业管理网站收集和显示设备信息。k a z u om u t o 为集成的这些 设备赋予了一些特性。机床都是可视化监控的，具有监视特性，机床都具有调度管理特性， 9 浙江火学硕士学位论文绪论 还有数据分析特性。x m l 系统可以快速，灵活的和公司内外建立连接，通过信息交换达 到设备监控与可视化共享。这个项目和日本m o i l ( m a n u f a c t u r i n go p e r a t i o ni n f o r m a t i o n i m e r f a c e ) 正一同进行。 何苗等基于w i n c c 组态软件开发了一套港口起重机移动监控系统，该系统基于以太 网实现各类集装箱起重机p l c 系统的数据采集，软件接口采用o p c 技术，并采用c s 、 b s 混合软件网络体系结构，实现快速远程浏览口0 1 。贺睿等基于s v g 开发了一套s c a d a 监控画面生成软件，通过该套软件，软件开发者和调度员可以更加方便地生成监控画面， 同时完成数据库的录入，同时针对某个具体应用行业，可以开发对应的图元，这拓展了该 软件的应用空间。刘三等以大型半导体制造企业为应用背景，应用在线设备监测系统 t f m ，对生产中心的生产设备运作信息进行实时集成和同步反馈，实现设备运行状态数 据的显示，设备维护计划的查询和决策、设备生产效率的比较分析。 将虚拟现实技术引入到可视化领域，可大大提高三维可视化的水平。f l e x s i m 、 e m p l a n t 、w i t n e s s 等离散系统仿真软件采用了虚拟现实技术，能够导入多种三维模型数据， 添加光源、雾等特效，还可以定义多种虚拟漫游模式。芬兰的3 d c r e a t e 仿真软件在同一 个平台中将离散事件和机器人仿真结合起来，对制造系统进行完整的仿真和显示，用户通 过使用分层的软件产品和可重用的组件来创建3 d 仿真模型，只需将组件放置到一起就可 以构成新的布局图。监控系统中虚拟现实技术的引入已引起了国内外的广泛关注。贺庆等 研究了变电站仿真系统中实时后台监控程序和虚拟现实场景两者之间数据通讯的方法，使 虚拟现实场景与后台监控程序上的操作同步反应，实现了交互式变电站仿真系统。易军等 基于虚拟现实的网络监控技术为传统的工业监控提供了一种新的测控方式，对三维可视化 界面系统进行了功能描述，分析了虚拟现实网络监控系统中的一些关键技术和难点。目前 引入的虚拟现实技术还未实现真正的立体显示、车间级大数据量实时漫游仿真等。随着虚 拟现实技术的发展，制造系统的可视化将更加完善。 1 4 论文主要内容 根据项目要求以及国内外相关的研究现状，本论文分六章进行研究开发。论文组织结 构如图1 3 所示，各章内容简单介绍如下： 第一章，绪论 介绍了论文的来源，研究任务和主要内容，简要叙述了制造执行系统，制造设备运行 参数采集、工况数据采集以及其数据分析处理等相关领域的国内外研究现状和发展趋势， l o 浙江大学硕士学位论文绪论 最后介绍了论文的组织结构。 第二章，离散制造车间数据采集及其分析处理系统总体设计 介绍了离散制造车间的特点和存在的问题，离散制造车间制造执行系统以及车间数据 采集及其分析处理系统的需求，分析了离散型制造业车间的数据类型，提出了系统的总体 设计方案，建立了系统的功能模型。 第三章，车间数据采集系统的研究开发 分别从车间无线数据采集系统、r f i d 数据采集、质检台数据采集系统、数控机床数 据采集系统等四个方面，详细介绍离散制造车间数据采集系统的设计和开发。 第四章，车间数据分析处理系统 对数据采集系统采集到的车问工况数据和数控机床的运行参数进行了分析处理，实现 车间的生产进度分析、生产质量分析以及数控车间的可视化监控。 第五章，系统应用实例 介绍本数据采集系统在示范企业杭州汽轮机股份公司叶片车间的运用。分析叶片车间 的需求，介绍了在叶片车间的总体架构和各个子系统的运行情况。 第六章，总结与展望 对本文的研究工作和成果进行总结，并指出离散制造车间数据采集及其分析处理系统 今后需要进一步改进的地方。 图1 3 本论文的组织结构 1 l 浙江人学硕上学位论文绪论 1 5 小结 本章介绍了本论文的来源、研究任务和主要内容，阐述了论文的相关技术：制造执行 系统、制造设备运行参数实时采集技术、工况的实时采集技术、制造设备运行参数和工况 的可视化监控技术等方面的国内外发展现状及其发展趋势，最后介绍了本论文的组织结 构。 1 2 浙江大学硕i = 学位论文离散制造车间数据采集及j 分析处理系统总体设计 第二章离散制造车间数据采集及其分析处理系统总体设计 2 1 引言 离散制造业涉及面非常广泛，包括汽车、机床、计算机、日用电子消费品等。目前在 大中型的离散制造企业中，管理信息化和设计信息化已经得到了一定的应用并取得了较好 的效益，但对于大部分离散制造企业，车间信息化是一个薄弱环节，车间生产的信息很难 准确及时地反馈到企业的管理层，极大地影响了企业决策的及时性和科学性2 。 与流程制造业相比，离散制造车间管理过程要复杂得多，生产计划难以预测，产品工 艺流程差异大，设备自动化水平较低，现场单据多，作业繁琐，不易掌控等。这些特点都 反映了离散制造车间迫切需要对制造过程进行信息化管理。建立一个完整高效的离散制造 车间数据采集及其分析处理系统是实现离散车间信息化的基础。数据采集及其分析处理系 统的主要功能就是将车间的各种离散数据完整实时的采集到车间数据库中，并进行初步的 分析处理，将车间生产的信息实时准确的反馈到车间的管理层，加强管理人员对车间生产 现场的监控和管理，并为企业管理人员制定生产计划提供依据。 2 2 离散制造车间特性 从产品类型和生产工艺组织方式上对企业进行分类，企业可划分为流程( 连续) 生产 行业和离散( 加工装配) 制造行业。 离散制造业主要是通过对原材料物理形状的改变、组装，使其成为产品并实现增值。 典型的离散制造行业主要包括汽车、机床、计算机、日用电子消费品等。与流程制造业相 比，离散制造车间管理过程要复杂得多，具有以下几个特点【2 2 1 ： ( 1 ) 产品结构 离散制造企业的产品结构，如图2 1 所示，可以用树的概念进行描述一一其最终产品 一定是由固定个数的零件或部件组成，这些关系明确并且固定。在离散制造行业中，一般 使用物料单( b o m ) 表示这种关系，生产信息的传递一般都构建在b o m 上。 图2 1 离散制造车间产品结构图示例 浙江人学硕上学位论文离散制造车问数据采集及分析处理系统总体设计 ( 2 ) 生产计划管理 离散制造企业主要从事单件和批量生产，由于难以预测订单的到达时间和批量，同时 由于产品的工艺路线经常变更，因此需要良好的计划能力。只要应用得当，离散制造业在 生产计划系统方面投资所产生的效益可以相当高。 ( 3 ) 工艺流程 面向订单的离散制造业，其特点是多品种和小批量。因此，生产设备的布置有可能不 是按产品而是按照工艺进行布置的。例如，离散制造车间往往要按车、铣、刨、磨、钳等 工艺过程，或者按照典型工艺过程来安排机床的位置。因为每个产品具体的工艺都可能不 一样，而且可以进行同一种加工工艺的机床有多台，因此，离散制造业需要对所加工的物 料进行调度，并且往往中间品需要进行搬运。离散制造企业的原材料主要是固体，产品也 为固体形状，因此，存储多为室内仓库或室外露天仓库。 ( 4 ) 设备及其自动化水平 离散制造车间自动化主要在单元级，例如数控机床、柔性制造单元。由于是离散加工， 产品的质量和生产率很大程度依赖工人的技术水平，因此，离散制造企业一般自动化水平 相对较低，需要人员的大量介入。 ( 5 ) 生产现场 离散车间现场单据多，在制品多，作业繁琐，生产状况复杂，现场不易掌控。 离散制造车间的这些特点反映了离散制造车间迫切需要对制造过程进行信息化管理， 以实现车间制造过程的实时化和集成化运行。 结合离散制造车间生产管理的特点，参照m e s a 的m e s 参考模型，面向离散制造车 间的m e s 系统可分为实时数据采集层、m e s 业务功能层、数据层和系统集成层四层框架 组成 2 3 - 2 5 l ，其框架结构如图2 2 所示。 1 4 浙江大学硕士学位论文 离散制造车间数据采集及j e 分析处理系统总体设计 一穗兰 q 翻嫱 摊 操作员 n 椭 摊 检验员 图2 2 离散制造车间制造执行系统框架结构图 ( 1 ) 实时数据采集层：提供多种数据采集方式，支持条形码、p d a 、r f i d 等多种数据 采集方式，可以实时快速的采集车间生产过程产生的各种数据。 ( 2 ) m e s 业务功能层：m e s 业务功能层是车间制造执行系统的核心，该层包含了车间 制造管理系统的业务管理功能模块。车间制造管理的功能和业务流程都在这里实现，包括 车间物料管理，车间生产过程数据的分析处理，生产进度统计与预测，在线质量管理，生 产过程的可视化监控，综合查询与分析等。 ( 3 ) 数据层：车间的数据存储层，数据采集层所采集数据的汇集地，主要由当前主流 的管理数据库系统组成。 ( 4 ) 系统集成框架：通过系统集成接口能有效地实现与企业其他信息系统，如生产计 划系统，人力资源管理系统，工装管理系统，产品工艺设计系统，产品项目管理系统等的 集成，并且能够根据实际的需要有效地集成第三方的应用构件和软件服务。 2 3 离散制造车间现场数据类型分析 2 3 1 离散制造车间现场数据类型 离散制造车间生产过程中的数据包括车间人员、物料、加工设备、工票、工装、加工 过程、