基于工业物联网的智慧车间研究

柴俊 范崇源

摘 要 提出一个基于工业物联网的智慧车间。工业物联网系统可以收集实时数据，然后将其转换成动态反馈反送回系统。工业物联网包括很多服务系统，在这些服务的帮助下，工业物联网能够在传统的生产系统以及可视化的制造控制和管理方面实现多项优势。工业物联网实施后，通过充分利用收集的数据，对车间生产和物流进行简化以及优化。

关键词 工业物联网；智慧车间；RFID

中图分类号：G712 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）02-0001-04

1 引言

工业物联网（Industrial Internet of Things，IIOT）系统是一种开放的全球物流系统，通过封装和接口协议，基于物理、数字和运营互连以取代当前的后勤模型。在全球供应链中应用IIOT获得巨大成功之后，这一概念得到广泛应用，IIOT可以将目前的供应链升级为达到智能化水平的供应链。

大规模定制（MC）生产是指通过灵活的流程以高利润、低成本提供定制的产品或服务。最近，以客户为导向的制造业在MC生产中起着主要作用，这是一种全方位遵从客户选择[1]的系统化的方法，涉及产品销售、开发、生产和交付的各个方面。车间制造是MC企业发展的瓶颈之一[2-3]。由于MC车间面临许多挑战，因此对生产周期的影响很大。

首先，劳动力成本和材料成本核算能力的提高是车间生产所要解決的困难之一。这种核算能力基于MC工厂的大量生产计划，但是这些数据都只能记录在文件中，当主要文件丢失时，对企业而言将是致命的。

其次，信息通信实际上取决于电话和电子邮件，大多数关于制造业的信息在客户发生变化时会被延迟[4]；当更改或修改一些细节参数时，电话和电子邮件也会发生错误。然后，MC车间的后勤就会出现错误，因为没有有效的方法跟踪材料。

最后，工人不知道该怎么办、怎么做，哪里可以拿到材料？他们可以拿到多少钱？随着任务的分配，车间工作人员失去与其他人交往的热情[5]。因此，MC车间的制造生产受到很大限制。

MC车间遇到的以上问题严重阻碍了机械生产能力和生产效率。

应对这些挑战，基于IIOT的系统是解决MC车间问题的最合适的方法[6]。一些信息系统侧重于解决规划和调度等上层决策问题，诸如ERP（企业资源规划）之类的系统，但这种系统缺乏车间管理能力。另一些系统是辅助性的，可以帮助企业进行技术设计和提供敏捷的客户管理，如CAD[7]；但当客户发生紧急变化时，这些系统很难直接向工厂内的工作人员提供相关信息。

本文介绍一个用于MC车间的工业物联网（IIOT）。首先，诸如读取器和RFID设备被部署在各种制造对象上以产生拥有普适性的生产环境；其次，采用433 MHz标准的无线通信网络，用于在Intranet或Internet内传输数据；最后，设计和建立一个基于SOA的架构，用于使各种服务能够插入系统框架中，以便各种最终用户能够使用这些服务来促进他们的日常运作。

2 工业物联网系统

案例分析 案例来自分布式大规模定制的生产企业，其生产压力容器和其他电气与机械大规模集成设备。图1显示了生产过程。有两个主要工厂位于不同的地区，距离约10 km，每个工厂都有几个车间配备了几台机器。根据客户的定制产品，一些组件外包，一些主要组件在车间制作。制造生产由生产部、质量部、机械部、技术部和助理部组织进行。助理部门主要处理一些特殊流程，如流程无法在企业中实现。所有组件完成后，将发送到装配车间。

因为订单插入、修改和取消的频繁变化，使得车间生产很难控制。尽管企业已经建立SAP ERP、PDM、OA和CAPP，但它们无法控制车间制造。因此，计划和执行的不一致是一个很严峻的问题。在此列出几个详细的问题：

1）没有车间的数据，导致生产能力不明确，难以衡量；

2）车间数据手动管理；

3）车间出现大量不同的产品需求，导致经常重新规划和重新调度；

4）由于缺乏生产数据，绩效管理难以建立；

5）因为制造车间没有采用最佳方法，所以生产效率受到限制。

为了解决这些问题，IIOT使用RFID和433 MHz无线通信在车间收集实时数据；RFID读写器被设计和开发为IDT（智能数据终端），以捕获实时生产数据，并使操作员能够方便地进行日常操作。

智能车间 在车间里，机器被分为不同组。每个IDT拥有与机器相关的相同地址，并且可以在服务中配置IDT和机器之间的绑定关系。IDT不仅识别机器，而且识别携带标签的工人和材料。每名工作人员都有一张支持RFID的工作人员卡作为身份证[8]。这种方法是通过使用RFID技术将工作人员、材料、IDT和机器集成在一起。一些关键信息可以在系统中设置，如机器属于哪个组，哪个IDT与机器相关联的工作人员将操作多少类型的机器。为了跟踪物流，每批材料都有一个标签，用于识别材料，并可以回收。

3 设计和开发

如图2所示，为了简化设计和开发，工业物联网智能车间分为四个层次：车间层、IIOT层、接口层和应用层。车间层主要包含位于车间的IDT、BS（基站）、433 MHz无线网络和其他设备，它们是这个系统的主要硬件。IIOT层包含几个主要服务，即通信控制服务、生产决策服务和可视化服务，它们在硬件的配合下完成主要功能。接口层设计为中间件的服务，可以通过预定义的规范数据结构与其他信息系统通信，因此，可以实现每个系统之间的定时和实时数据互通。应用层由一些管理系统和辅助信息系统组成，如ERP、CAPP、PDM、CRM、OA等。在IIOT车间中，所有数据都从一个标准接口传递到其他应用系统，这些系统能够使用车间的实时数据进行高级决策。

4 案例学习

案例来自一个典型的MC企业，专注于生产来自全球客户的MC产品，专业生产压力容器、换热器、反应釜、节能环保等大型机械和技术装置。公司根据客户的要求生产这类产品。由于车间层次复杂，管理水平薄弱，产品成本超高，因此需要一个车间级IT系统，并为此设计和开发了基于IIOT的智慧车间。

IIOT在从原材料开始到车间一级成品的整个生产管理周期中起着重要作用。实施IIOT后，实现生产管理的大幅度改善。

首先，根据IIOT基础设施，决策层次发生深刻变化。图3所示为IIOT如何在程序架构更改后改进了决策。新的程序架构可以适应跟踪、监控、收集、规划、调度和执行等复杂制造环境。

其次，在MC车间部署所有的IDT和BS之后，生产和物流业务被实时控制，从而可以捕获和收集相应的数据。因此，IIOT通过IDT管理所有车间和缓冲区。

最后，IIOT在案例公司的MC车间已经实施六个月，经过一个月的追踪，数据存储达到600多个，这些数据包括质量检查、员工行为、物流数据等。存储的大量数据显示了MC车间的生产数据，并且这些数据对于最终形成先进的生产决策是非常宝贵的。表1所示为MC车间生产能力提高的统计情况，这些比例来自于收集的数据。

从表1中可以知道，IIOT实施后，通过充分利用捕获的数据，精简和优化了该企业的车间生产，以支持车间生产和物流。企业员工评论道：“基于IIOT的智能车间是一个灵活的系统，能够响应不同需求，并提供我们长期需要的便捷生产，这对我们来说最重要。”生产部门的一名雇员在使用该系统时引用了这一点：“它使我们能够在不增加成本的情况下满足更高的销售量，监督人员能够通过来自生产车间的可靠信息及时做出决策。具体来说，该系统通过插入订单和更合理地锁定日程安排来提供生产计划和调度。”质量部门的人员说：“通过IDT收集大量的质量数据，因此，跟踪和监控质量很方便。”

5 结语

本文讨论了基于工业物联网（IIOT）的智能车间，IIOT基本上依赖RFID和无线通信网络来收集和同步实时数据。在进行实际应用案例研究之后，表明IIOT能够进行生产管理、质量监控、实时数据采集和设备监控。IIOT已经在大型机械制造和装配企业以及高校和高等职业技术院校中得到应用，取得很好的表现。

此外，需要改进两个限制。首先，通信稳定性主要取决于BS，BS占用频道频率，因为不同的信道频率，由该BS控制的IDT不能与其他BS进行通信；其次是BS和IDT之间的非法通信通道，IDT无法选择最近的BS进行自动通信。这种沟通模式的变化应该由专业工作者重新配置。

因为IIOT是非常值得推广的，所以进一步的研究和改进就是必要的。首先，CEP（复杂事件处理）的引入可以高效解决问题并发现更多可操作的信息，CEP在IIOT中的应用是提高效率的可能，应是进一步的研究方向。CEP可能在企业信息系统中构建解耦和多对多通信系统，这很重要。其次，需要使用Oracle数据库来满足日益增长的数据量。再次，IIOT缺乏有效的自动数据分析和数据挖掘工具，依旧需要人工做出决策，因此可以进一步研究数据分析模型。最后，B/S架构因為其网络应用的辉煌业绩而备受欢迎，未来的工作结合B/S和RFID正在发展，特别是运用云技术的MC车间。

参考文献

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