基于物联网技术的制造（智慧制造）
2021-10-19 来源： 智造苑
物联网，顾名思义，即将软、硬件等物理事物连接起来的网络。物联网通过智能传感器采集设备数据，在网络中交互数据，并可以控制网络中的对象，实现了物理真实世界与计算机系统的整合。因此，物联网技术是实现信息物理系统、云制造、大数据分析的基础。国家科技部在《“十二五”制造业信息化科技工程规划》中明确提出了基于物联网技术的智能制造新模式，以增强对制造过程与服务过程的管控，提高生产制造技术水平。目前许多研究都在探索物联网技术在工业的应用，并且其已经对产业的发展有了重大影响。物联网技术是智能工厂和实现智能制造的关键技术，可应用于构建企业制造信息系统、设备整合管理、物流系统创新、供应链整合等方面。在业界，UPS都已经使用了支持物联网的运输追踪技术来降低供应链的成本并提高效率。
「 1. 基于物联网技术的数控机床管理 」
数控机床具有加工精度高、自动化程度高、能实现复杂形状零件的大批量生产的优势。因此，数控机床如今已经成为了现代制造工厂的主要生产制造设备。数控机床的科学管理是高质量产品、高生产效率的重要保障。随着企业对产品质量和生产效率方面要求的不断提高，亟需提高数控机床的智能控制程度。
数控机床有两种控制方式，一种控制方式分为集中式控制，另一种方式为分布式控制。两种控制方式相比，集中式控制比分布式控制风险高，因此分布式控制方式成为了更为主要的控制方式。M.Mor提出了通过手机通讯设备接收和发送数控机床信息，进行远程的监控和系统维护。该系统中，机床开关信息、错误警报、运行状态信息存储在数控机床的缓冲区，当内存满、运行一定时间或发生特定事件之后，存储的信息将通过移动通讯设备发送给设备生产商。Li Yao提出了一种基于物联网和多传感器的在线监测系统，在数控加工过程中“感知”各种信号特征，以“感知”状态。通过建立智能数控加工系统，实现加工参数的优化。同时通过数据实时采集以及不同系统之间数据的共享，大大提高了预测精度，预测准确率超过了99.8%。
基于物联网的数控机床管理系统包含了三层构架体系。
（1）感知层：作为数据采集器，其主要功能为获取机床数据。感知层由于不同数控机床的需要，可能由条码和二维码与射频识别系统，红外感应器、激光扫描器等传感设备组成。
（2）传输层：位于感知层与应用层的中间，它的作用在于连接感知层与应用层，实现信息地高质量传输，保证传输的通畅、安全、可靠。传输层的技术支撑包括有线通信技术、无线通讯技术及互联网技术等。
（3）应用层：通过与行业专业技术的融合，利用经过分析处理的感知数据，设计数控机床管理系统，实现对数控机床的信息管理、状态监控与控制。
以下介绍一种数控机床的分布式控制系统（图1）。该系统是为支持新的结构设计、远程控制、远程服务、动态可重构性和基于符号的信息系统领域的研究而开发的。其中，感知层是由几个在制造网络中互连的实验自主单元（EAC）组成。每个EAC由两台台式CNC雕刻机LakOS 150和支持基础设施如控制器计算机和网络摄像机组成。CNC机床能够对由轻质材料制成的小工件进行2D或3D雕刻、铣削和钻孔操作。应用层包含了谷歌地图用户界面和3D界面。谷歌地图用户界面可以显示代理的地理位置。3D界面能够实时显示机床的3D模型以及正在执行的过程信息。传输层实际是一个包含了多个代理的网络，代理之间不具有层级关系，各代理通过虚拟层接口管理它们的虚拟层。此外，由于不同的规则集、本体定义或通信协议，虚拟层可用于连接多个网络与不兼容的数字层。
图1 虚拟层谷歌地图用户界面与3D界面
「 2. 基于物联网技术的自动排产管理 」
随着网络技术、物联网技术的发展，智能制造模式下仅仅对数控机床开发高端数控系统已经不能满足企业的需求，更需要融合设多种软硬件设备的生产管理系统，针对企业资源、计划，进行智能的排产管理，以提高设备利用率、实现管理精细化成为企业的迫切需求。近年来，研究者对于生产系统一直在不断提出创新，制造业企业生产管理系统的范式包括以下五个阶段：
（1）取代纯手工操作的自动化设备；
（2）组成刚性自动化生产线的各种自动化设备；
（3）在引入制造执行系统之后，将出现企业的整个生产过程的自动化；
（4）自动化覆盖生产系统（即，柔性或可重构制造系统）和企业的商业系统，用于不可预测的、高频的市场变化；
（5）信息集成和资源共享在不同行业和企业之间进行推广，以适应个性化定制的需求。
基于物联网技术发展起来的制造物联网络使得快速获取生产信息，并根据市场需求和生产状态进行自动排产成为可能。基于物联网的自动排产管理具有如下优势：
（1）排产系统可获取所有的生产资源信息，因此可以优化作业计划编制。结合对设备运行情况信息、设备能力信息、工序要求信息、支持设施与人员信息、质量要求等，实现快速编制作业。由于掌握了非常全面的信息，因此制定的作业计划相较于以前更加科学、可实现。在编制计划时，也可提前发现系统中存在的能力不足等问题。
（2）生产管理部可以合理安排订单的生产日期，使得制造系统更加敏捷、柔性。当在实际生产发生了异常情况时，可以及时获取异常情况信息，并快速地根据实际情况做出合理的调整。由于可以统筹全面的资源，因此快速的计划调整也能够使得生产各个工序得到有序的衔接，保证整个生产线以及生产线之间的流畅、稳定。
（3）生产过程中的产生的数据又能促进下一步的决策优化。决策者可以根据历史数据，了解生产系统保证性、响应性。基于历史数据，可以采用大数据、深度学习等方法，实现更优决策。
基于物联网技术的智能生产线具有如下的技术特征，如表1所示。
表1 智能生产线与传统生产线技术特征对比
基于物联网的自动排产管理在学术界已经被广泛研究，许多成熟的制造执行系统（MES）已经应用于制造业企业，其具有根据企业资源信息系统的生产订单或长期计划进行自动排产的功能。并且，制造执行系统功能中的计划排产与执行调度模块（advanced planning and scheduling，APS）越发突出的推广普及，它是MES的核心。Cheng等人介绍了一种分布式面向对象技术，开发了一个开放的、模块化的、分布式的、可配置的、互操作的计算机集成制造执行系统框架。Monostori等研究了实时制造执行系统来控制车间的大规模定制生产活动，同时证明了实时制造执行系统在实际中的可行性。Candido等在纺织业中结合了RFID和制造执行系统进行实时决策。Brusey在制造执行系统中也提出了基于RFID的智能产品，用来实现生产、控制的决策。
一种基于物联网技术的MES系统构架如图2所示，主要由五部分构成。物物互感主要通过配置各类传感器和无线网络，将实现物理制造资源相互联系起来，从而能够保证制造过程中，实时、准确、可靠获取自信息。对象感知能够为各类传感器主动地感知和传输信息提供服务。信息整合的作用是实现多源异构的数据的标准化。系统中来自不同传感器的数据需要经过标准化，才能够被决策系统利用。应用服务主要面向制造企业的不同用户，决策者可以进行动态调度，物流支持部门可以优化其服务以支持生产部门的运作，生产人员可是实时监控工作质量等。
图2 基于物联网的制造执行系统构架
「 3. 基于物联网技术的仓储管理 」
物联网技术还渗入到了物流等仓储管理的很多领域，其中应用最为广泛的则是射频识别技术（RFID）。RFID可以在不接触的情况下，通过无线通讯直接连接到数据库。RFID在仓库中可以方便快捷的实现货物识别，对传统的仓储管理模式进行了革新。原有的仓储管理需要大量的人力去清点库存，才用纸质记录库存情况，然后将数据录入数据库系统中。采用RFID技术后，可以实现无纸化办公，大大减少了工作人员的工作量，提高工作效率。结合RFID技术，可以实现从材料入库到出库整个生命周期的信息化，工作人员亦可实时查询库存信息，大大提高了仓库运转效率。
基于物联网技术的智能仓储管理系统在国内外都已经得到了广泛的实际应用。Intell Track公司推出了自己的智能仓储管理系统。其仓储管理系统结合RFID进行货物的识别，利用无线网络将终端数据传输到系统中，进行仓位管理，同时可以实现冲突报警。RFID的使用，大大提高了仓储系统的智能性。Unified Barcode & RFID公司也研发了一个基于FRID的仓储管理系统，进行货物的全全程监管控制。智能仓库管理系统不仅减少人力，同时还可以减少人为的错误，减少管理成本，提高管理效率。
具体来看，智能仓储管理系统一般将FRID技术集成在手持设备中，以通过手持设备方便获取准确的仓位信息、库存信息等。在任何环节，工作人员均可通过手持设备对货物的信息进行更新，以确保信息的及时性、准确性。整个工作环节包括以下几步：第一步，手持设备通过射频信号来收集目标对象的相关数据；第二步，集成在手持设备中的功能可以实现利用Restful Web Service接口，将收集到的信息传输到后台数据库系统中。
以下将介绍一种基于RFID的智能仓储系统结构。基于RFID的仓储系统能够实现仓库的高效管理和货物进出的高速自记。仓储管理系统将采用RFID作为支撑平台，涵盖货物接收、仓储、拣选、匹配、取货、退货、叉车定位和调度等多个流程包。
（1）前端系统：由RFID标签、手持式单元、固定天线、车辆单元等组成。根据应用要求的不同可以采用不同的RFID标签，具体包含商品标签、仓库位置标签、托盘标签等。手持单元用来收集数据并发送到管理系统中。手持单元包含以下部分：手持电子标签、集成的移动手持设备、手持设备的电子识别码。固定天线可以实现多路或者高散射环境中的信号调整，它包含了包括全向天线、垂直天线、水平面天线。车辆单元可以在恶劣的工作环境进行信息传输。具体地，它包括了带有卡车识别电子代码的车辆电子标签、阅读器、识别天线、车辆控制计算机显示器等，通过某些信息采集硬件（图3），可以更快地进行信息交互。
图3 自动检测货物高度并动态推荐货位
（2）后端系统：可以对数据进行采集、过滤、整理、封装和重传等操作，是仓库管理系统的操作支持系统。后端系统无缝地集成了所有功能包，使得不同功能或流量包的数据在整个平台上运行顺畅。后端系统可以支持不同功能的运行，可以与管理信息系统、仿真系统、企业信息管理系统等其他系统进行数据交换，并为仓储的智能优化管理和可视化分析提供数据支撑。
（3）仓储设施：在智能仓储系统中，仓库将被划分为几个不同的货物位置。每个货物位置都有相应的电子代码。货物位置的电子代码将被输入到货物位置标识电子标签中，该电子标签将被读入到相应的货物位置导航指示器中。整个仓库将由无线局域网覆盖，以实现信息的快速共享。
引自：《未来制造新模式——理论、模式及实践》（作者：江志斌，林文进，王康周，李乐飞，涂金）
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