【《基于工业物联网的离散型制造业中小企业智能车间建设探究》6600字】

绪论1.1研究背景近年来，我国军工企业普遍采用ERP、MES等技术，PDM等技术，PDM等技术，加强了企业的信息化建设，但成效并不显著，原因在于ERP系统强调了企业的计划性，PDM系统只管理大量的设计与工艺基础数据，对于车间在生产管理与控制方面显得无能为力，尽管已有MES系统具有车间运行实时状态监控，生产过程控制等特点，但是其系统底层数据获取主要靠现场工人手动填写，它的数据来源在实时性和准确性上都大大降低，因而其高层各项统计与管理功能实现难以有效保证。这就意味着，在生产过程中，如何准确、及时地采集到各种资源、在产品的使用情况和运行情况，对整个生产车间的管理起到了至关重要的作用。物联网的出现，为解决这个问题提供了一个很好的解决办法，即利用各种感知技术，实时采集车间生产的生产过程，然后利用高效率的数据传送，将生产现场的生产数据准确地传送到数据处理单元，无需人工干预，即可实现现场生产数据的采集。文章重点阐述了目前世界上以物联网为基础的军事离散制造业的现状、存在的问题和发展方向，并对其发展趋势进行了展望。尤其是RFID技术作为物联网的核心技术，其在性能上的优越性，已为众多企业和工厂所广泛采用，因此，本文就如何利用RFID技术，最大程度地发挥其资源的潜能，改变传统的生产管理方式，以达到对现场数据的全面监控。1.2研究目的及意义车间主任把大量的工作时间和精力花在对大量的纸质工作单数据的统计与分析上。由于数据来源的准确性和时间都存在着严重的缺陷，并且由于统计分析无法准确、及时、有效地反映生产现场的实际情况，导致车间管理者无法准确地了解目前和将来的车间条件和公司车间的产品加工过程。在生产过程中，很容易出现设备负载失衡、人员配备不合理、设备闲置的现象。同时，由于人为因素的影响，使得生产具有较强的随机性，无法确保按时完成生产。产生上述问题的根本原因在于生产工艺的实时采集、传输和处理。生产车间生产的生产资料对象包含车间内的全部生产要素，例如：材料，在制品，设备，工具，辅助设备，车间，相关的生产和管理。利用RFID技术，对生产对象进行了实时采集。同时，利用数据管理平台对车间生产过程进行管理、统计、分析，并将各车间的生产数据以可视化的方式传送到车间管理人员和车间管理人员，从而达到了工厂的透明、无纸化生产。在现场生产数据的基础上，对生产现场的生产数据进行统计和分析，以提高生产车间的灵活性和灵活性。1.3研究现状RFID技术是目前国际上最先进的信息收集与识别技术，是21世纪最重要的十大技术之一。国内外许多学者对RFID技术的应用进行了较为深入的探讨。国外已有不少学者将RFID技术引入到工厂中来，以强化车间的生产流程和控制，以增强工厂的透明度。c.saygin在库存管理中引入RFID技术，并建立了一个基于跟踪和运输能力的三个层次的存货管理模式；FaguiLiu等对RFID技术进行了深入的研究，并对其体系结构进行了设计，重点对其在陶瓷工业中的应用进行了探讨；DuncanMcFarlane等对RFID技术在制造车间中的自动化进行了研究，并将RFID技术用于制造智能产品，并通过对产品的智能信息进行实时采集，为企业的生产决策提供支持；本文介绍了基于RFID技术的无线制造系统，实现了工厂的物料跟踪，为企业的决策提供了必要的支撑；申龙等为制管业产业链较长、产品设计、生产、储存、安装、检验等环节难以追踪的特性，采用RFID技术设计了一套自动追踪系统；黄国强等对生产车间管理中使用的颈瓶进行了分析，探讨了采用无线技术进行生产车间管理的方法。在国内，关于RFID技术在生产企业中的应用也有很多的研究。香港大学黄哥、张映峰等人将RFID技术、无线网络通讯技术Zigbee等技术引入到生产车间中，通过建立“车间智能对象”（SmartObject)，提出了一种新的先进制造技术——WM(Wirelessmanufacturing)；并将无线技术引入到生产车间中，实现产品的实时调度、生产现场作业点的固定作业人员的移动组装管理。2工业物联网的离散型制造车间智能车间结构2.1离散制造车间现场管理需求与流式（连续）生产相比，分立生产主要是处理原材料，改变其物理形态，生产出的零件最终被应用到组装产品中。在实际生产中，分散式制造技术的发展越来越引起人们的注意。离散化生产具有以下特点：离散化生产中的产品可以用BOM树来清晰地描述构成产品的各部分；在分立生产车间内，各产品的生产流程各不相同，同一时间，车间内的设备布局也没有固定的方式，工序间的物料搬运需要管理者进行宏观的安排；人口密集、机械化程度低，生产的质量和生产力取决于生产工人的技术水平；在生产流程中，由于信息流通不顺畅，很容易造成生产计划和设备维护等方面的混乱。在离散化的生产现场，由于物流与信息的交织，使得生产环境的复杂性和难以控制。在此背景下，传统的工场经营模式已经不能适应现代企业的发展。针对离散制造车间的以上特性，并针对当前车间中的问题，进行了现场制造数据管理系统的设计，以解决当前的问题和规避，使车间的产品品质得到改善，生产效率更高。通过对现有车间信息的现状及系统的功能要求的分析，提出了整个系统的总体设计方案，并对该系统作了较为详尽的说明。该系统采用了车间智能制造目标，实现了车间内各个生产单位的局部优化，优化了车间生产流程，改变了传统车间生产模式，实时控制和管理由车间作业计划下到最后产品竣工检验入库整个过程中实时数据采集、数据流程控制等、数据统计分析等等，实现了离散制造车间数据综合管理，对所收集的实时数据进行合理优化，提高了数据处理的效率，从而提高了车间的生产能力，保证了交货时间。2.2物联网车间数据管理系统该系统的体系结构包括：现场制造数据采集层、现场制造数据模型层、数据管理系统核心功能层、紧密集成接口层、系统支持层、用户接口层。RFID车间的现场生产数据采集系统是以RFID装置为基础，利用分布在车间内的手持式多功能数据采集终端，实现了对车间现场生产的实时数据的采集。该终端具有条形码、二维码、电子RFID标签、手工键盘等多种输入方式，并能在终端上对员工、车间主管进行可视化指导，使数据管理系统的功能和应用范围由办公管理延伸到生产现场。利用物联网技术对车间生产数据进行数据融合，从不同的数据源中筛选出多余的异常数据、噪声数据、故障数据，并从生产数据中抽取出有效的生产数据。建立一个统一的数据模型，对工厂的基础和实时采集数据进行管理，为数据中心的功能层提供实时、高效的数据。2.3物联网车间管理功能框架通过对离散制造车间现场制造数据管理需求的分析，结合物联网车间数据管理系统的体系结构，设计了物联网车间数据管理系统的功能模块，包括数据采集、数据管理、数据分析、数据接口和系统维护等，建立了各个功能模块的功能结构树，如图所示。图2-1物联网车间系统管理图在此基础上，通过对工厂中的设备进行数据采集，对设备的参数进行管理，并对设备进行了系统的配置，并对车间中的RFID设备和读写机进行了统一的管理。数据管理实现了对车间内的全部生产数据的编码，其中包含生产计划，材料信息，员工信息，机床信息，模具信息，工艺文件，质量文件，BOM,2D,3D图形，数据模板，数据模型，数据结构，数据结构的重新定义，灵活的配置，数据的添加，删除，编辑，简单的查询，以及更高级的查询。通过对数据的分析，可以对人员、设备、在制品、工位、车间环境、品质数据进行监控。在此基础上，运用Agent中间件技术，通过封装的方式，构建了一个智能的代理模型，有效地控制了生产过程中产生的数据，并对其进行了追踪和发布。数据追踪是指在时间上进行数据监测的持续过程，它是通过对工艺过程中的实时状态数据进行采集，从而实现对底层数据的处理，从而为数据的追溯提供数据支撑。基于综合的基本资料，可以实现计划进度统计，员工工时统计，设备利用率统计，任务成本分析，车间产能分析。多视图分析是STEP数据的实时视图、过程视图、统计视图、历史视图的映射，从而提高了数据处理的效率和使用的质量。在此基础上，本文提出了一种基于XML技术的基于XML的数据模型的XML表示方法。利用RS232、RS485、802.11B&802.11G通信协议，与电子版的可视界面和RFID读取装置进行了交互。系统的维护包括角色配置、权限配置、密码服务、操作日志管理、备份和恢复、数据安全等，为用户的安全操作提供了基础操作支撑。3工业物联网的离散型制造车间建设模型3.1物联网车间数据模型物联网车间的生产数据是动态的、实时的，它的数据模型不仅要描述车间生产资源的类型、工艺参数等固有的静态特征，而且要描述各个车间资源的状态，并对其物理、状态、能量域等进行全面的描述。基于IGES技术的传统STEP标准是ISO标准，它是一种对数字产品工程数据进行描述和表示的国际标准。STEP技术能够实现多个计算机系统间的数据的交流，并以一种通用的方法来表示和传递生产数据，从而提高了生产数据的可扩展性和集成度。STEP是以EXPRESS语言为基础的，它可以将所需的工程数据结构和正确条件形式化地表示出来，它不但可以对数据结构进行描述，而且可以对数据的限制进行表述，从而成为一个明确的标准。以EXPRESS语言为例，以EXPRESS语言为基础，用EXPRESS语言对车间数据进行了描述。3.2物联网车间数据模型本模型将车间数据模型的整体结构划分为任务数据模型、工艺数据模型、质量数据模型、资源数据模型（机床数据模型、模具数据模型、人员数据模型）、在产品数据模型中，利用EXPRESS语言对其物理域、状态域、能力域进行了描述和表示，并通过EXPRESS语言进行了描述和表示，从而构建了标准化的数据模型，提高了数据的处理和交换效率，并为上层的功能实现提供了一个有效的数据平台。图3-1物联网车间数据模型3.3质量数据模型在此基础上，对车间质量检验标准进行了分层结构描述，确定了产品的质量标准。在生产车间的各个生产阶段，分层确定成品质检标准、零件质检标准、零件质检标准，并对每个工艺过程的品质检查进行标准化描述，从而对车间生产的各个环节进行质量数据的表达。在工艺质检方面，通过定义质检状态，将质检人员、质检仪器、质检时间、质检结果相关联，实现对物联网车间实时质检数据元的动态结构化描述。同时，针对各工艺的质量检验标准，规定质量检验规则和不合格处理规则，并将现场生产的检验结果标准化，从而使返工、报废等不合格的检验处理成一个统一的数据结构。图3-2质量数据模型3.4在制品数据模型在产品数据模型中，在产品数据模型中继承了产品的基本数据，包括零件的图号、材料、零件的规格等，并对产品的数据进行了结构化的描述，其中，还包括了生产过程中的工作状态、工艺状态、过程状态、质检状态以及质检数据的定义，从而实现了车间生产现场的实时制造数据元与实时质检数据元的在系统中在制品要素的动态描述，为在产品状态的实时监控和质量追溯提供完整的数据结构的支撑。图3-3在制品数据模型4工业物联网的离散型制造整体建设4.1RFID的制造车间智能对象RFID技术，简称RFID技术，是一种通过射频信号来自动识别被测物体，从而自动提取出被测物体上的信息。该系统具有与目标物体的双向非接触式通讯，在没有任何接触或人为干扰的情况下，能实现对目标物体的自动识别，并能同时支持唯读操作方式，也能实现双向读、读、写两种工作方式，克服了无接触、被动等问题，是21世纪自动识别技术的重大突破[9]。RFID系统包括一个电子标签和一个读取设备，它的构成原理见图4.1。图4-1RFID系统组成原理图在电子标签与读取设备之间，利用电感耦合器件，实现了无线射频信号的空间耦合，由读取器的天线发出特定频率的RF信号，然后，在电子标签到达读取器的工作区时，该电子标签内部的感应线圈启动，将该标记内部的电子代码通过自己的天线发射，由读取器的天线接收到该信号，然后由控制模块将接收到的信号进行解码，从而使该信号能够被系统所利用，最终传输至数据管理系统进行数据处理。4.2RFID的制造车间智能制造RFID技术将传统的车间生产资源（人员、机床、材料、模具等）进行识别，从而实现对周边环境的自动感知，并对生产状况进行实时反馈，从而实现精确的追踪和追踪，而不是单纯的静态、被动地参与到生产中。车间智能化生产的目标特征：信息交互：在RFID基础上，利用RFID技术，利用电子标签和读卡机之间的电磁感应，将自己的状态信息传递给使用者，并从使用者那里接收到来自外界的信息。加工过程的记忆：能够实时地保存自己的加工状态，并能记住每一秒的加工状态和其他加工目标的信息。主动反馈：当工厂的智能生产目标进入读取和写入的区域时，就会自动反馈自己的信息，告诉系统自己是谁，做了什么，需要做什么。逻辑判定：在生产过程中，如果发生错误操作，会发出警报，提醒生产过程中的正确操作。4.3工业物联网离散型车间数据离散生产车间的数据来自两个方面：各个车间生产资源的属性和生产过程中的生产状况。车间的生产资源包括在产品，员工，机床，模具，工艺文件，质量文件，BOM表，图纸等，这些属性数据是固定的，不会随着车间的生产而改变，但是状态数据是实时的，因此，对每一种生产资源的状态信息都是实时监测的。在产品的状态信息最为复杂，变化较大，而在产品的状态信息则主要是在产品状态的监控，通过对物联网车间内的产品状态进行统计和分析，可以了解车间的生产进度和产品的质量，这对于企业信息化的整体管理有着非常重要的作用。在产品从进料状态到成品的进料状态，每一个加工工位都要进行工艺和工艺检查，并利用智能制造目标技术，将机床、工人、模具的状态信息进行分析，并将在产品状态下的状态进行数据传输。总结随着物联网技术的发展，实现了对生产过程中的实时数据的收集与传递，RFID技术作为物联网的核心技术，以其独特的性能优势，已被大量的企业、工厂所采用。本论文以应用RFID技术为基础，建立了基于RFID技术的车间生产数据管理系统。本文针对离散生产车间的特点，对生产现场生产的数据进行了分析，提出了基于该模型的企业信息化建设方案。本文在分析RFID技术的优越性的基础上，提出了一种基于RFID技术的制造车间智能对象的概念，并在此基础上，建立了面向物联网车间的生产流程的形式化定义，并给出了实时状态数据元和实时质量数据元的定义，并对工艺