基于物联网的钢筋加工管理系统研究与实现

王 辉，赵红学，纪恩龙，朱云超

(1.中国建筑科学研究院有限公司 建筑机械化研究分院，河北 廊坊 065000；2.廊坊凯博建设机械科技有限公司，河北 廊坊 065000)

钢筋集中加工由于其成本低、效率高、质量好等特点，逐渐发展成为主要的工程钢筋加工模式。钢筋工厂集中加工主要是指在非施工现场的固定场所，采用成套自动化钢筋加工设备和信息化生产管理系统，实行工厂化生产，并且投入相关人员进行专业化、规范化管控，将钢筋加工成工程所需钢筋制品，配送到施工现场的钢筋加工应用模式。而近年来由于移动互联网、二维码等技术的发展，也有一些关于钢筋加工管理信息系统的研究，但是整体上因信息沟通传递不畅，常出现加工错误、效率低、无法追溯等问题。

工业物联网（Industrial Internet of Things，简称IIoT），是将具有感知、监控能力的各类采集、控制传感器或控制器以及泛在无线技术、移动通信、智能分析等技术不断融入工业生产过程各个环节，从而大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，最终实现将传统工业提升到智能化的新阶段。目前一些学者已经展开了物联网MES 系统的体系构架的研究，能实现对制造过程进行全方位跟踪、分析、优化和控制。也有一些研究基于物联网技术在离散制造业中实现了对生产资源和制造过程的集成管理，提高了离散制造型企业的生产效率。本文针对钢筋集中加工过程中的难点问题展开研究，提出了基于工业物联网的钢筋骨架加工系统架构，并对系统进行实现。

1 钢筋骨架生产管理中的难点问题

目前的钢筋骨架生产管理大部分都是通过人工操作完成，管理成本高，质量难以保证，因此，钢筋加工企业必须向信息化、智能化管理方向转变。目前钢筋加工生产管理存在以下难点问题。

1） 钢筋生产过程中数据复杂多样，很多数据靠人工记忆和手工记录费时费力，易出差错，给企业带来损失，工作效率低下。

2） 现场有先进的自动化加工设备，但需要人工输入订单数据，容易出错，设备不能和MES 系统对接。每台设备独立工作，管理人员无法快速全面掌握生产动态。

3） 钢筋原材、成品的出库、入库环节复杂，人工操作核验，易出现错误，原材和成品库存量难以统计。

4） 配送拣货过程复杂，容易装错车，人工核验耗时耗力。配送运输过程无法监控车辆路线和重量，运输过程无法把控。

2 系统业务流程和功能设计

2.1 钢筋骨架加工业务流程

针对钢筋骨架加工配送管理中的难点问题，结合ERP 系统的管理思想，对钢筋加工业务工作流程进行了重新梳理，工程钢筋加工配送业务流程图如图1 所示，主要业务包括原材采购、采购原材入库；销售订单、销售发货单；生产订单、生产领料、生产退料、生产完工单；入库单、出库单、盘点单、调拨单等。

图1 钢筋加工配送管理系统业务流程图

2.2 系统功能规划

根据目前钢筋加工的难点问题和上面对专业化钢筋加工中心业务流程的梳理规划，首先对系统的业务模块进行了划分设计，主要业务模块包括：中央监控、生产管理、原材管理、配送管理、设备管理和人员管理。然后对每一部分的模块业务功能进行了进一步详细设计（图2）。

图2 钢筋加工管理系统功能模块图

3 基于物联网的系统架构方案

3.1 系统物联网需求

通过对系统的业务流程和业务功能进行规划设计，要更好地实现上述功能，就要打通系统和系统、系统和设备、设备和物料之间的快速识别、感知和通信。而工业物联网正是研究如何将传感器、控制器、互联通信、智能分析等技术融入工业生产，提高制造效率，降低产品成本，因此，将工业物联网引入到钢筋加工配送过程能够很好地解决工程实际问题。

在工程钢筋加工配送过程中对物联网的需求如下。

1）基于物联网的系统架构需要具有与ERP 等系统接口的能力，从而最终实现与工厂已建立的各系统的信息交互，为工厂生产管理和决策提供支持。

2）配送车辆安装GPS 定位系统，通过物联网实时连接云平台，实时跟踪配送车辆的行进位置，并对每辆车的重量变化实时监控，防止中间过程作弊。

3）设备远程控制，包括设备运行情况、故障信息实时监测，对设备生产、故障进行预判，对设备进行预测性维护，提高设备使用效率。同时为设备厂家提供设备故障数据，通过统计分析，改善设备质量。提升产品增值服务，创造新的利润点。

4）设备通过工业物联网和MES 系统对接，将生产订单通过物联网远程下载到设备中，同时上传加工完成情况，实时了解加工厂完成状态，提高工作效率。

5）智能仓储，通过物联网将拣货车和仓储管理系统联网，实现将装车计划信息直接传输到拣货车，优化装车路径，提高钢筋骨架配送效率。

6）与地磅、吊装传感器等系统进行物联对接，通过无线LoRa 技术实现业务数据直接传输到系统平台数据库，大大简化系统操作，降低人工成本。

7）在物料上通过绑定RFID 芯片或者绑定二维码标牌，或者通过图像识别传感器，有效进行物料感知，加速物料在生产活动中的快速准确识别，提高产品传递速度，提高效率。

3.2 系统架构方案

基于物联网技术对钢筋加工管理系统架构进行规划，系统主要分为：设备感知层、网络层、平台层、应用层，如图3 所示。

图3 基于工业物联网的系统平台架构

1）设备感知层 主要包括感知传感器和工业设备控制器，这些都是实现智能模块化功能的基础。例如架构设备、智能运输车、摄像头、GPS模块、传感器等。

2）网络层 工业物联网最重要的两个特征是实时性和可靠性，因此网络层至关重要。网络层主要是将传感器或设备和物联网应用平台进行数据互联。网络方案主要分为有线网络和无线网络，无线网络又分为短距离无线网络（Zigbee、LoRa、BlueTooth）和远距离移动无线网络。有线网络可以分为工业总线（CAN、RS485）和以太网。根据物联需求传输方式、传输内容（数据、文件、视频）的不同可以使用不同的连网方式。

3）平台层 平台层分为基础平台和业务平台，基础平台主要包括云服务器平台、物联网服务接口；而业务平台又分为物联网接入平台、ERP平台、MES平台、智慧大脑平台等业务平台。物联网应用平台是一个支撑物联网应用的核心支撑平台，向下提供连接各种物联网终端等硬件设备的通信接口；向上提供一些业务基础服务，例如位置服务、安全认证等。

4）应用层 依靠工业物联网平台层提供的服务功能，为解决各种实际业务问题的应用程序。例如智能排产、远程下单、智能拣货装车等。

3.3 物联网通信应用协议

由于工业物联网对通信协议实时性和可靠性的要求较高，因此需要一种实时可靠传输协议。而MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种构建于TCP/IP协议上基于发布/订阅（publish/subscribe）模式的“轻量级”通讯协议，提供有序、无损、双向连接。可有效防止消息重复、丢失和网络传输错误等，并且满足实时性和可靠性要求。

4 工业物联网平台软硬件设计和实现

4.1 边缘网关物联方案

对于钢筋设备或者其它传感器通过物联网连接云平台的方法，如图4 所示。边缘智能网关和设备之间通过Modbus 协议进行通讯，实时读取监控设备状态，并可以将数据下载到设备的PLC控制器中。边缘网关将从设备接收到的数据或者请求，通过MQTT 协议和物联网平台进行通讯，从而最终实现了设备物联网连接云平台。

图4 设备通过边缘网关连接云平台

4.2 边缘智能网关硬件电路设计

根据对边缘智能网关的要求，在智能网关硬件电路设计上，采用NXP 的Cortex-A 系列处理器，并且为了保证系统的实时性，采用μCos Ⅱ的操作系统，进行通讯任务调度。智能网关除了基本的电源电路、存储电路、实时时钟电路、晶振意外，在通讯方面使用移远的EC20 通讯模组，保证网关具有4G 通讯和GPS 定位功能。此外，为保证短距离无线通讯，智能网关还开发了LoRa无线通讯、WiFi 通讯、RS485 通讯等功能。保证智能网关能够和大多数设备控制器或者传感器连接，保证在钢筋加工现场设备都能够连接到云平台，如图5 所示。

图5 智能网关硬件电路模块

4.3 服务端软件实现

为了实现智能网关或设备和云平台的连接，采用MQTT 协议进行消息传输。基于Windows操作系统搭建服务器，采用Apache Apoll 环境搭建MQTT 消息代理，安装好以后，运行Apache Apoll，并启用其监听TCP 端口。实现采集来自主MQTT 发布的消息。之后开发服务软件将传回的数据插入到数据库中，或者根据数据请求查询数据库，返回需要的数据。或者传输到其它平台进行数据逻辑处理。通过基于VS2017对该协议的测试，证明能够满足钢筋智能化加工过程中数据的传输需求。

5 结语

通过分析工程钢筋加工管理中存在的一些难点问题，设计了ERP 和钢筋加工管理软件相结合的钢筋加工配送管理系统的业务流程和系统功能。而要做到真正提高效率，降低成本，就必须将生产管理中的工人、设备、物料等数据进行数据连接，因此，为了打通数据隔离，设计了基于物联网的钢筋加工管理系统架构方案，该方案利用物联网精确快速识别感知能力，能实现对各种生产变化的实时掌握、快速响应，优化配置生产资源。通过对该物联网方案中的互联方法的分析研究，研发了能够实时可靠数据传输的智能边缘网关物联方案，并对智能边缘网关进行电路设计和程序开发，最后基于Windows 系统下Apache Apoll 的MQTT 消息代理对物联网方案进行了测试，能够满足工程钢筋加工配送管理系统对物联网传输速度、可靠性的要求。