基于物联网的车间制造系统实时信息提取与控制*

刘旭东 ，孙文磊，崔权维

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐　830047)



基于物联网的车间制造系统实时信息提取与控制*

刘旭东 ，孙文磊，崔权维

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐830047)

摘要：激烈的竞争环境以及信息技术的迅速发展促进了企业车间数字化制造系统的不断升级，文章提出了一种基于车间制造执行系统实时信息提取与控制方法。主要包括网络DNC模块，管理模块，监控模块和统计分析模块的功能，详细地阐述了各个模块的工作原理，并将它与现有的其他系统做了比较说明。该系统以物联网技术为基础综合了“数字化工厂”与MES系统的优点，极大地提高了产品生产过程中的透明性和可控性。

关键词：物联网；实时信息 ；制造执行系统；信息提取

0引言

智慧工厂的迅速发展和工业4.0的蓬勃兴起使得现代制造业正经历着一场巨大的产业革命。Internet在改变信息传递方式的同时也改变着企业组织管理方式，使以满足全球化市场用户需求为核心的快速、智能化制造活动成为可能。从制造业信息化进程可看出，随着物联网技术、信息技术、计算机技术的迅速发展，未来的制造业在某种意义上将成为一种信息产业，信息将成为制造业的决定因素，用信息技术促进未来制造业已成为时代潮流[1]。以物联网为基础的数字化工厂和MES(制造执行系统)就是信息技术与车间生产管理相结合的典型代表。但现有文献中所提到的“数字化工厂”其实质往往更倾向于“虚拟制造”，是产品计划、设计、模拟生产以及管理全过程的协同工作[2-4]，而“车间制造执行系统”更侧重与对车间真实产品生产过程的管理[5-6]。基于实时信息的车间制造执行系统(Based on the Real-time information MES, BRTI-MES)综合了“数字化工厂”和“制造执行系统”的各方面优点，使得产品在整个生产制造过程中透明度更高，可控性更好。

1国内外研究现状

目前，国内外的制造企业都积极地将资金投入到物联网研究的各个环节中，利用数字化制造提升企业综合竞争力已经成为全球制造企业的共识。基于物联网的数字化制造技术的研究也已成为国内外相关领域的研究热点。制造执行系统(MES系统)是美国AMR公司在20世纪90年代初提出的，目的在于加强物料需求计划MRP的执行功能，把MRP计划同车间作业现场控制，通过执行系统联系起来[7]。Tecnomatix 公司 CAPE 软件 eMPower 是对一个完整的工厂从生产线、加工单元到工序操作的所有层次进行设计、仿真和优化的集成计算机环境[8]。它的目标主要是生产计划、工艺管理、生产过程组织等领域的设计和优化问题。我国对物联网尤其是MES的研究起步较晚，在理论方面目前主要停留在对其内涵及有关单一技术(如工序调度)研究方面。在制造执行系统应用方面，大多侧重于软件开发及其建模，而且应用水平基本只达到MES技术的早期阶段(专用MES和集成化MES)，也缺乏具体实际工程应用研究。与西方发达国家相比，无论是在技术深度与应用广度上都存在较大差距[9]。

2BRTI-MES体系结构

基于实时信息的车间制造系统位于企业的执行层，是上层计划层 MRPII/ERP 和底层设备控制系统 (Device Control System, DCS)之间的桥梁[10]。上层计划层综合PDM数据向制造执行系统传递指令任务和物料信息，包括工艺BOM，工艺规程，设计图纸，生产计划，工时定额等。制造执行系统通过有效地利用、控制和管理信息流、工作流和资源流，实现组织内所有成员之间的资源共享和高度协同工作，实时向计划层反馈任务执行结果和物料使用信息等。底层控制系统通过DNC(Distributed Numerical Control)解决数控机床在企业中“信息孤岛”的地位,实现数控机床内资源信息的共享。BRTI-MES通过与DNC接口向DNC下达任务指令，再由DNC分发到各单位机床执行操作。DNC向BRTI-MES实时反馈指令下达成功与否、产品的加工状态以及设备信息。BRTI-MES的体系结构如图1所示。

图1　BRTI-MES体系结构

3BRTI-MES与现有MES系统之间的比较

现有的MES系统其关注的信息主要是通过物联网底层的感知与标识技术对半成品或成品的信息以扫描或感知等方式得来的数据，中间人为干预的环节较多，使得生产过程中的不可控因素增多。在一个生产企业中，MES的主要功能是对所有成品或半成品包括原材料在内的信息通过统一扫码进行信息统计，并汇集成最终信息将其制成最终条码以达到对成品的生产过程的监控作用。在整个过程中，MES发挥的指导，监控作用较为微弱。基于实时信息的制造执行系统则相对地对整个设计，生产，监控，分析过程有较全面的作用。计划层和执行层可以实时通话，对产品设计图纸和工艺以及生产计划等可以随时更改，以求最优化生产。底层控制层则实时向上反馈产品加工状态和各种设备信息，务求使计划层实时的掌控全局。

4BRTI-MES的构成与实现

基于实时信息的车间制造系统是由网络DNC模块，管理模块以及监控模块和统计分析模块组成的。网络DNC模块处于物联网的数据层，主要负责底层数据的采集和上层指令的传送。管理模块处于物联网的控制层，是对所有的PDM数据和信息流、工作流和资源流进行综合控制和协调管理，以达到资源的最优化利用和企业利益最大化。监控模块和统计分析模块属于物联网的知识层，是将采集到的数据结合其他PDM数据进行综合、分析、对比、反馈，是计划层了解生产和管理状况的依据，也是计划层进一步优化管理的数据和理论支撑。下面将对上述模块进行逐一详细地介绍。

4.1网络DNC模块与实现

DNC又分为DNC采集模块、DNC通信模块和DNC管理模块。DNC标准数据采集模块为大规模多级分布式采集架构,采用这样的系统接口组成结构后,无论是网卡采集的机床,还是利用传感器进行采集的机床,或者是直接使用串口代码反馈的机床,都可以将采集到的数据写入统一数据库中,并在计算处理后提供给BRTI-MES使用[11]。BRTI-MES将指令计划通过BRTI-MES与DNC接口传送给DNC系统，再由DNC管理模块将NC程序传递给DNC通讯模块。当DNC通讯模块向机床传递失败时会及时通知DNC管理模块。其通讯模型如图2所示。

图2　DNC模块通讯模型

网络DNC模块主要负责任务的传输与在线监控，上层指令可以通过选择发送、选择自动、选择停止、选择重启、发送文件、断点续传、接收文件、自动传输、终止传输、继续传输、暂停传输等功能安全及时抵达接受终端。在生产任务重、数控加工量大的情况下可以降低企业主干网络的负担，并保证数控机床能够及时获得加工所需数据；消除了网络拥堵造成的机床下载迟滞问题以及企业主干网突发中断造成的加工中断问题；获得了生产加工数据的多级冗余，保证了企业数据安全。在线检测能将机床的生产状态及时地反馈给BRTI-MES，为BRTI-MES的工序加工计划提供可靠依据。模块界面截图如图3所示。

图3　网络DNC模块界面截图

4.2管理模块与实现

管理模块主要是对与产品相关的各种PDM数据进行管理，主要管理对象为人员，任务流，产品设计图纸(2D或3D)，工艺文档以及零件与装配件等。人员管理对企业中的每个人都设定了扮演的角色、所属部门以及所有权限。通过人员管理，每一个特定的零部件、装配件或一项特定的任务只有指定的人或部门可以参与、查看或修改，从而可以大大提高产品生产效率和资料安全性。零件和装配件管理向人员管理传输相应信息，包括图纸、工艺和装配情况等信息。任务管理向人员管理反馈任务执行情况，使得计划层可以实时了解生产情况，也可以实时修改生产计划以达到市场或客户要求，最大限度地优化资源配置、节约成本。零件和装配管理与任务管理相互反馈图纸、工艺、文档和生产装配等信息，二者将实时更新的数据及时相互反馈以避免因市场需求变化带来的生产过剩或生产错误等不利因素的产生。DNC模块数据采集是基础，采集到的数据准确、及时地反馈给BRTI-MES管理模块使其内部成员之间资源共享和高度协同工作。其逻辑模型如图4所示。

图4　管理模块逻辑模型

每一个零件或装配件都有图纸列表、工艺文档、3D文档和零件DNC文档等对象信息，当新的计划生产的零件或装配件已经存在时可以直接将相关信息调出并下传DNC开始作业，有效的节约了人力成本和时间成本。通过一定的权限对每个对象都可以执行导入、导出、借用、删除、编辑修改、打印、发布、增加下级、复制、剪切等操作。例如以序号、名称、文件状态、文件类型和文件大小的格式显示的图纸， 2D或3D的图纸都可以直接在线浏览查看。如果市场需求或设计要求有所变化，管理人员可以实时地对图纸进行修改、完善，并对其对应的工艺文档和NC程序等做出相应的调整，从而在很大程度上提高了底层制造一线对市场变化的应变能力。人员管理与零件和装配件管理之间的互动让任务的可控性更好，在按程序有条不紊执行的基础上使得人力资源的优势进一步得到发挥。模块界面如图5所示。

图5　管理模块界面

4.3监控模块和统计分析模块与实现

统计分析的对象包括设备监控、设备日志、统计图标、对比分析、效率报表、设备故障等。BRTI-MES通过设备监控与数据采集功能收集了大量的实际生产过程信息，并将这些信息存储于后台统一的数据库中，这些存储的大量数据一方面反映了企业当时的实际运行状况，另一方面又形成了一种宝贵的信息资源，通过这些信息资源可以有效地对企业的生产运行过程进行分析研究，并在研究的基础上加以改善。

通过设备状态监控与信息采集将当天参与和未参与生产的的设备按编号、名称、状态、类型、日期、操作者等信息制成统计图表并形成设备日志，将设备日志存档，有故障的设备及时报修。统计图表实现对数据库中各种数据的分类汇总和统计分析，结合先进的设备管理理论模型计算用户关心的统计指标，完善计划管理和设备管理方法，辅助决策。统计之后的数据及时存储到系统数据库中形成效率报表并存档，将分析结果和效率报表一起上传给BRTI-MES管理模块供其做出有利的判断去执行下一步操作。维修管理向BRTI-MES管理模块反馈设备维护情况，BRTI-MES管理模块根据设备故障和维修情况给维修模块下发进一步的维修计划，通过二者的协调管理实现“设备的综合效率最高”的技术指标。统计分析模块流程图如图6所示。

图6　统计分析模块流程图

设备监控是将设备统一编号、命名、分类，监控其当前状态和操作者等信息。采集到的数据以设备编号、设备名称、班次、开始时间、结束时间、开机率、利用率的格式制成统计图表，同时形成生产、运行、报警、通讯等设备日志和工作曲线。设备日志存档，并和统计图表一起存入数据库为对比分析和效率报表提供数据支持。把数据按设备编号、设备名称、组别、设备类型、班次、开机率、利用率、开机时间、加工时间、待机时间等重新整合后做对比分析，将分析结果形成效率报表上传BRTI-MES管理层辅助其决策。模块界面如图7所示。

图7　统计分析模块界面

5总结

BRTI-MES系统是国内物联网产业发展的新航标。它是上层计划层与底层控制层联系的关键，其作用在于收集生产中大量的实时数据，与计划层和控制层保持双向信息通讯，实时处理生产过程中出现的突发状况，消除企业信息流的断层现象，是对整个生产过程的优化。BRTI-MES系统在实现产品数字化制造，提高产品制造能力，缩短产品制造周期，降低制造成

本方面效果显著，从本质上提高了企业竞争能力。

[参考文献]

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[9] 李淑霞. 复杂信息环境下MES若干关键技术研究[D].武汉：华中科技大学机械科学与工程学院，2004.

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[11].陈明泽. 数字化车间DNC网络管理系统的研究[D].长沙：湖南师范大学工程与设计学院，2011.

(编辑李秀敏)

The Real-time Information Extraction and Control of Workshop Manufacturing System Based on IOT

LIU Xu-dong ,SUN Wen-lei，CUI Quan-wei

(School of Mechanical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047,China)

Abstract：The increasingly fierce competitive environment and rapid development of information technology have promoted the development of digital manufacturing system of enterprises, this paper proposed a kind of real-time information extraction and control method which based on the manufacturing execution system. In this paper we introduces the function of Netwok DNC Module, Management Module, Monitoring Module and Statistical Analysis Module which make up the whole system, expounds the working principle of each module in detail, and compares it with other existing systems systematically. This system which based on the internet of things takes advantages of the "digital factory" and MES, and improves the transparency and control in the production process greatly.

Key words：internet of things (IOT);real-time information; MES; information extraction

中图分类号：TH165;TG659

文献标识码：A

作者简介：刘旭东(1987—)，男，甘肃定西人，新疆大学硕士研究生，研究方向为基于实时信息的车间制造系统，(E-mail)linhushouqiu@126.com；通讯作者：孙文磊(1962—)，男，乌鲁木齐人，新疆大学教授，博士生导师，研究方向为制造业信息化关键技术与软件开发，(E-mail) sunwenxj@163.com。

*基金项目：新疆科技重点专项项目(201130110)；新疆科技支疆项目(2013911032);新疆维吾尔自治区高技术研究发展项目(201513102)

收稿日期：2015-04-17

文章编号：1001-2265(2016)03-0154-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.043