引自：《制造執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用》（作者：饒運清）

「1. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介」

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT），是指通過信息傳感設(shè)備（如RFID、紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等），按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展，它作為物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)是物體之間的交換數(shù)據(jù)的平臺。物聯(lián)網(wǎng)不是互聯(lián)網(wǎng)，但它的基本理念來源還是互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)是人與人之間的聯(lián)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)則延伸到了任何物品之間進行通信和信息交換。

如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層構(gòu)成。感知層用于獲取網(wǎng)絡(luò)工作所需要的信息，類似于人的五官、皮膚。在MES實際應(yīng)用的傳感設(shè)備很多，如條形碼讀寫器、RFID、攝像頭、機床振動傳感器、溫度傳感器等。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)中的處理器，類似于人的神經(jīng)中樞和大腦。接收采集系統(tǒng)送來數(shù)據(jù)之后，它的工作就是信息轉(zhuǎn)發(fā)或處理。應(yīng)用層是網(wǎng)絡(luò)與使用者之間溝通渠道，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者根據(jù)分析實際需要，設(shè)計滿足用戶需求的智能系統(tǒng)。

圖1 車間物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)

車間物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有：自動識別技術(shù)、設(shè)備集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)、邊緣計算技術(shù)等。

（1）自動識別技術(shù)。讓機器自動識別物體對于自動化車間非常重要，此類物體通常包括在制品、零配件、刀輔具、人員等，條碼（包括二維碼）、RFID、機器視覺是最常見的三種識別方式。

（2）設(shè)備集成技術(shù)。常見的設(shè)備集成技術(shù)有DNC技術(shù)、OPC接口技術(shù)、設(shè)備集成平臺等。

（3）室內(nèi)定位技術(shù)。位置服務(wù)是車間物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用場景，車間內(nèi)部有許多物體存在定位需求，比如物料小車、在制品和零配件、刀輔具、人員等，常見的定位方式包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） 、RFID、超寬帶（UWB）等。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。車間的數(shù)據(jù)傳遞通常有兩種形式，一是有線局域網(wǎng)，二是無線網(wǎng)絡(luò)，常用的無線網(wǎng)絡(luò)形式包括WiFi、藍牙、ZigBee等。5G技術(shù)具有更高的速率、更寬的帶寬、更高的可靠性以及更低的延時，未來能夠滿足數(shù)字化智能化車間的一些特定應(yīng)用場景需求。

（5）邊緣計算技術(shù)。邊緣計算就是靠近物聯(lián)網(wǎng)邊緣的計算、處理、優(yōu)化和存儲?；谶吘売嬎慵夹g(shù)，IoT中的許多控制將通過本地設(shè)備實現(xiàn)而無需交由云端，處理過程將在本地邊緣計算層完成，這無疑將大大提升處理效率，減輕云端的負荷，為用戶提供更快的響應(yīng)服務(wù)。

「2. 基于車間物聯(lián)網(wǎng)的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)」

基于車間物聯(lián)網(wǎng)，可以構(gòu)建一種如圖2所示的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)框架。該框架由三層組成：數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)場操作層、數(shù)據(jù)管理層。

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圖2 一種基于車間物聯(lián)網(wǎng)的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)采集層。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，初始化之后可通過 ZigBee 路由器對外置式電子標簽的數(shù)據(jù)進行讀寫操作。在目標對象（如物料、人員等）進入網(wǎng)絡(luò)時，有指示功能，告知標簽的載體已進入網(wǎng)絡(luò)。操作人員在接近需操作的機臺時，有提示信息。非工作狀態(tài)時，可將電子標簽置于休眠狀態(tài)，減小功耗。

（2）現(xiàn)場操作層。MES現(xiàn)場操作層提供現(xiàn)場操作平臺，具有參數(shù)配置、故障上報以及任務(wù)請求等功能。①操作界面：可操作機臺的運作，查看機臺的當前工作狀態(tài)及歷史信息。②故障上傳：如機臺停轉(zhuǎn)、產(chǎn)速異常等狀況能及時反映至上位機。③任務(wù)請求：機臺閑置時可申請下一步任務(wù)。④信息比對：當物料或人員接近時可讀取其外置式電子標簽信息，并判斷是否是該機臺的物料或操作人員。⑤數(shù)據(jù)寫入：物料經(jīng)該機臺加工成半成品后，可向該半成品的外置式電子標簽進行讀寫功能，如物料為銅絲，加工后寫為雙絞線。⑥參數(shù)配置：當現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化時，只需進行相應(yīng)的參數(shù)更改和配置即可。

（3）數(shù)據(jù)管理層。上位機MES數(shù)據(jù)管理層通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集中管理，以及生產(chǎn)管理的分析統(tǒng)計。具體如下：①狀態(tài)監(jiān)控：結(jié)合圖形和數(shù)據(jù)，實時顯示車間工作的狀態(tài)。②計劃管理：可觀察車間機臺的任務(wù)完成狀況及分配新的任務(wù)。③通信管理：對網(wǎng)絡(luò)進行配置，如 CAN 網(wǎng)絡(luò)的波特率等。④數(shù)據(jù)庫管理：保存歷史數(shù)據(jù)，支持查詢功能。⑤故障處理：觀察機臺的實時和歷史故障信息，發(fā)送故障處理指令。⑥統(tǒng)計分析：根據(jù)歷史記錄，對產(chǎn)品和機器等信息做出統(tǒng)計分析，以圖表的形式顯示，供管理者參考查詢。⑦日志記錄：記錄車間及系統(tǒng)每日工作狀態(tài)，生成日志。

應(yīng)用上述基于車間物聯(lián)網(wǎng)的MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，可以進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、物料追蹤、產(chǎn)品質(zhì)量追溯等工作。

1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

人員數(shù)據(jù)采集方面，可通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將每個工作人員的各種信息、當天任務(wù)、所要操作的機臺等數(shù)據(jù)存放在車間管理的數(shù)據(jù)庫里。具體可采取如下兩種采集方法：

方法一，人員的衣服上掛載ZigBee外置式電子標簽，當接近機臺時，與機臺的智能現(xiàn)場采集器互相感知。外置式電子標簽發(fā)送該人員的工號至采集器，采集器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器發(fā)送人員工號給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過CAN總線訪問車間管理機詢問該工號人員今天的工作任務(wù)。如果該工作人員需操作該機臺，機臺實時顯示當前生產(chǎn)任務(wù)、機臺的計劃產(chǎn)量和任務(wù)預(yù)計完成時間等數(shù)據(jù)。

方法二，人員在進入車間時，在車間入口處，由數(shù)據(jù)采集器告知今天的工作任務(wù)和工作機臺號等信息，信息存放在外置式電子標簽內(nèi)。當人員接近機臺時，機臺的智能現(xiàn)場采集器讀取信息。

可以繼續(xù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集。當物料上架后，物料的電子標簽被激活，物料的生產(chǎn)信息被傳送至現(xiàn)場智能采集器。當物料的生產(chǎn)信息不符合當前任務(wù)要求時，現(xiàn)場智能采集器發(fā)出警報信息；當該物料在該機臺加工完成后，該機臺的生產(chǎn)信息被寫入電子標簽，并隨電子標簽轉(zhuǎn)入到下一工序。

還可以進行設(shè)備數(shù)據(jù)采集。設(shè)備數(shù)據(jù)包括設(shè)備參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，譬如當前機器的運轉(zhuǎn)速度、產(chǎn)品的質(zhì)量曲線、設(shè)備溫度控制以及物料的剩余數(shù)量等等。設(shè)備參數(shù)的采集是通過現(xiàn)有或新增的傳感器實現(xiàn)，設(shè)備狀態(tài)的采集是通過接入設(shè)備動作的開關(guān)觸點信號實現(xiàn)。以機器轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集為例，可采用接近開關(guān)或編碼器實現(xiàn)機器轉(zhuǎn)速的采集。首先，接近開關(guān)放置在機器輪軸旁邊，輪軸每轉(zhuǎn)動一圈，接近開關(guān)便發(fā)送一個脈沖信號給智能采集器。智能采集器通過讀取脈沖再結(jié)合預(yù)設(shè)參數(shù)就可以計算出機器的當前轉(zhuǎn)速，智能采集器含有觸摸屏，用來顯示或輸入機器轉(zhuǎn)速。

2）產(chǎn)品質(zhì)量追溯

基于物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場智能感知的方法，可實現(xiàn)生產(chǎn)品質(zhì)數(shù)據(jù)管理及追溯，具體方法如下：

（1）生產(chǎn)現(xiàn)場每種物料均采用獨立的電子標簽進行標識；

（2）當原材料入庫后，電子標簽記錄原材料入庫數(shù)據(jù)，包括：供應(yīng)商、日期、材料批號等；

（3）原材料進行加工時，該原材料的電子標簽中的數(shù)據(jù)被傳送至現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)采集器。在加工結(jié)束后，原材料數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)一起被傳送至半成品的電子標簽中；

（4）半成品在下一道工序加工時，其電子標簽數(shù)據(jù)被傳送至現(xiàn)場智能數(shù)據(jù)采集器，在加工結(jié)束時可獲得的數(shù)據(jù)包括：原材料數(shù)據(jù)、本工序前的所有加工數(shù)據(jù)以及本工序加工數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被傳送和存儲到本工序的半成品的電子標簽中；

（5）依此類推，待成品生產(chǎn)任務(wù)結(jié)束時，其電子標簽中保存有該成品的全部生產(chǎn)信息。待成品入庫時，其電子標簽中的信息被保存至庫存數(shù)據(jù)庫中；

（6）當產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時，通過銷售記錄查找出庫記錄，即可查出該產(chǎn)品的全部生產(chǎn)信息，從而實現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的全過程記錄及追溯。