基于物联网的精密铰链智能制造系统

0 引言

    30多年来我国通过改革开发政策和依赖丰富优质的人力资源，给全世界生产巨量物美价廉的产品，自身也成为了制造业大国。随着人口红利的耗尽，目前我国制造业遭遇了新的困境。特别是中小企业潜在的制造技术水平低、生产管理模式落后、效率低和产品质量管控不严格等问题充分暴露，已经严重制约着我国制造业的持续发展。传统制造业的产业技术升级迫在眉睫。目前，工业4.0的生产制造新时代和智能工厂以及智能制造的思想正在萌动。RFID物联网技术在库存等物料监控使用以及在产品制造过程的追踪已经成功利用，例如在卷烟滤棒工业和物料传送系统中。

    门窗铰链是现代建筑的重要五件构件，是影响门窗质量和安全性的关键部件。作者所在企业生产高端铰链，出口70多个国家。其制造加工过程是多工序离散型过程，产品规格型号多达1000多种。目前生产自动化水平较低低，相当多的工序仍然依靠人工操作，生产管理信息化程度低，严重制约产能和质量提升。针对企业技术升级，一方面大量引进自动化设备，另一方面对生产经营管理进行信息化改造。通过产学研合作，按照新型信息化模式建造智能型工厂。实施ERP系统与MES系统结合。MES系统中应用RFID物联网技术实现网络化、智能化的管理模式，构成闭环生产管理，把现场实时采集的数据通过网络传送，达到实时信息共享，及时掌控生产现状以及对异常问题作出及时处理。通过对生产数据大数据分析，发现车间现场的一些问题，指导现场的作业。同时，保存的数据也可作为历史追溯的依据。

    本文介绍该智能系统的总体结构和一部分关键技术的设计和实施。

    1 系统整体架构设计

    1.1 系统网络结构

    针对铰链制造生产线的实际情况，为保证系统的可靠性，采用分布式结构。在车间的每条生产线设置了工控机作为该生产线的服务器，通过现场总线与各主要设备互联，采集和设置工艺参数。同时在该生产线各个工位安装了嵌入式小主机、显示器和带无线WiFi接口的RFID读写器，并将各种网络设备全部与生产线服务器链接。各生产线服务器接入公司局域网，实现了公司办公室通过局域网与现场车间信息的相互传递。系统的网络结构如图1所示。

图1 系统网络结构图

    1.2 服务器端结构设计

    系统采用SOA架构，以SQL Server2005为后台数据库管理系统，采用分布式数据库，总服务器与车间工控机服务器之间通过发布与订阅的方式实现数据共享。各车间服务器只需管理自己控制的产线的数据，当网络空闲后，通过队列等候方式，将数据发送给总服务器，同时同步更新总服务器的数据到本台工控机上。通过分布式数据库的管理，大大提高了数据处理能力。车间现场的数据直接传给工控机，不需要直接与总服务器对接，这样减少了网络负荷，同时挺高了数据存储的可靠性。

    服务器除了管理数据库外，还负责管理作业指导书的图片文件。客户端、服务器和生产线小主机这三者通过FTP协议对图片文件进行传输。服务器作为中间存储设备，接受来自客户端上传的图片并分类保存，然后提供给生产线小主机下载显示，实现作业指导书从技术部办公室准确快速下发到车间现场。

    1.3 客户端软件功能设计

    针对铰链实际生产情况，分析了铰链制造过程中从接受生产订单，对订单进行生产排程，到生产过程数据的采集，以及订单完成后的数据统计的各个生产环节，设计切合实际需求的智能管理系统。主要包括编码管理、物料管理、生产管理、数据分析四个模块。编码管理子系统是按照一定的编码规则完成对各种料件的编码，物料管理负责设置产品和工艺的设置以及BOM的管理，生产管理子系统负责订单设置和生产排程的安排，数据分析子系统则为了统计产出数据及生成各种报表。软件架构如图2所示。

图2 系统软件功能结构图

    2 系统关键技术

    2.1 RFID读写器与服务器之间的通信协议

    RFID读写器通过无线WiFi与服务器相连，在服务器端运行读写器后台程序，后台程序采用Windows Sockets网络编程接口，负责服务器与读写器之间的数据通信管理。每个读写器都有自己的IP地址，后台程序可以通过IP地址唯一识别各台读写器，可以利用广播方式或者点对点传输方式完成数据的传输。

    读写器向服务器发送数据协议，每次都按固定长度83字节发送，帧格式如图3所示。

    图3 读写器发送数据帧格式

开始符为“~”，结束符为“|”。服务器端接收到一帧数据后，对数据进行拆解，然后把有用的数据存入数据库以供系统客户端读取。服务器接收到的数据中，针对不同的Flag，需要反馈的信息类型如表1所示。

表1 接收Flag信息类型对照表

    服务器向读写器发送数据协议：

    服务器向读写器发送数据主要分为两类，一类是反馈型数据，如读写器向服务器请求信息后，服务器就需要向读写器发送反馈信息。另一类是服务器主动将消息数据发送给读写器。无论是哪一类数据，服务器向读写器发送数据，都采用固定帧格式发送。服务器发送数据帧格式如图4所示。

图4 服务器发送数据帧格式

    字节1至50为数据消息，设为data[50]的字节数组，即一帧数据可以表示为“~data[50]|”，“~”为开始符，“|”为结束符。根据data[0]的内容来区分消息类型，对应的说明如表2所示。

表2 data[0]的内容对照表

    2.2 反馈型实时生产调度

    在生产管理中，管理人员虽然对生产线的产能节拍和订单任务的生产能耗有一定的评估，但都是建立在工作经验的基础上。但是现实生产中存在着诸多不确定因素使得预期的生产排程与实际生产的进度会出现偏差。一方面，有可能预料不足，即在预期完成生产的时间内任务任然没有按时完成导致不能按时出货；另一方面，有可能预料有余，即实际生产过程中提前完成了预期安排的生产任务导致时间的闲置。传统的ERP系统对于生产管理模块只能做到预先的排产设置，当计划与实际出现偏差时，没有提出及时的处理方式。本系统利用物联网的优势，可以实时采集到车间生产数据，对实际情况做出合理分析后，对生产排程中出现的问题作出适应性的调整以减少计划与实际的偏差，形成一个具有反馈机制的闭环管理系统。反馈型生产调度原理如图5所示。

图5 反馈型生产调度原理

    在实际调度过程中，生产管理人员可以预先设定各生产任务的开始和结束时间。在实际生产过程中系统会将生产线生产数据第一时间通过网络反馈到监控界面，管理人员主要考虑如下几种情形。

    情形一：预料不足。由于各种原因导致规定时间内完成率不能达到100%时，应该考虑将该批次剩余未完成部分任务分派到其余有空闲时间的生产线并行加工，或者考虑通过加班来缩短完工时间，否则只能推迟下一批次生产任务的开始时间实现适应性重新排程。

    情形二：预料有余。当预期的生产任务提前完成时，应该考虑其他不能按时完成任务的生产线，通过分摊他们的任务以达到完工时间的平衡，或者将下一生产任务的开始时间提前，以实现产出效率最大化。

3 结语

    在工业4.0与两化融合的先进思想指引下，工厂的智能化、生产信息化改造的进程将进一步向前推进。当前还处在工业3.0时代，能否投入更大量的计算机，部署更健全的工业生产网络，使用更多机器人，提高生产信息化管理水平会直接影响到我国未来制造业的发展速度。面对能耗大，离散程度高种类繁多等制约因素，利用RFID标签识别物件，通过网络实现物物相联，拉近管理人员与被管理物件之间的距离，达到发现更直观，处理更方便，监管更及时的效果。实践证明，对于铰链制造企业，通过物联网+的智能生产管理系统的运行可以减轻工人负担，对整个生产流程信息的清楚掌控使得生产管理更精细，生产调度更精准。