1. 物聯網技術簡介
物(wu)(wu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)（internet of things，IoT），是指通過信息(xi)(xi)傳感設備（如(ru)RFID、紅外感應器、GPS、激光掃(sao)描器等），按照約(yue)定(ding)的(de)(de)(de)協議(yi)，把(ba)任何物(wu)(wu)品與互(hu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)連接(jie)起(qi)來，進(jin)行(xing)信息(xi)(xi)交換(huan)(huan)和(he)通信，以實現智能化識別(bie)、定(ding)位、跟蹤、監(jian)控和(he)管理的(de)(de)(de)一種網(wang)絡(luo)。物(wu)(wu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)是在互(hu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)基礎上的(de)(de)(de)延(yan)伸(shen)和(he)擴(kuo)展，它作(zuo)為(wei)物(wu)(wu)與物(wu)(wu)相連的(de)(de)(de)互(hu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)，物(wu)(wu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)是物(wu)(wu)體之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)交換(huan)(huan)數據的(de)(de)(de)平(ping)臺。物(wu)(wu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)不是互(hu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)，但它的(de)(de)(de)基本理念來源還是互(hu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)。互(hu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)是人與人之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)聯(lian)(lian)(lian)(lian)絡(luo)，而物(wu)(wu)聯(lian)(lian)(lian)(lian)網(wang)則延(yan)伸(shen)到了(le)任何物(wu)(wu)品之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)通信和(he)信息(xi)(xi)交換(huan)(huan)。
如(ru)圖1所示，物(wu)聯(lian)網由感(gan)(gan)知層(ceng)(ceng)、網絡(luo)層(ceng)(ceng)、應(ying)用(yong)(yong)(yong)層(ceng)(ceng)構成(cheng)。感(gan)(gan)知層(ceng)(ceng)用(yong)(yong)(yong)于獲取網絡(luo)工(gong)作所需要的(de)(de)信息，類(lei)似(si)于人的(de)(de)五官、皮(pi)膚。在MES實(shi)際(ji)(ji)應(ying)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan)設備很多，如(ru)條形碼讀寫(xie)器(qi)、RFID、攝像頭、機床振(zhen)動(dong)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)、溫度傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)等。網絡(luo)層(ceng)(ceng)是物(wu)聯(lian)網中(zhong)的(de)(de)處理(li)器(qi)，類(lei)似(si)于人的(de)(de)神經中(zhong)樞和(he)大腦。接(jie)收采集系(xi)統送來數據之后，它的(de)(de)工(gong)作就是信息轉發(fa)或處理(li)。應(ying)用(yong)(yong)(yong)層(ceng)(ceng)是網絡(luo)與使用(yong)(yong)(yong)者(zhe)(zhe)之間溝通渠道，網絡(luo)設計者(zhe)(zhe)根據分(fen)析實(shi)際(ji)(ji)需要，設計滿(man)足用(yong)(yong)(yong)戶需求的(de)(de)智能系(xi)統。
圖1 車間(jian)物(wu)聯網的三層結構(gou)
車間物聯網(wang)的關鍵技術(shu)有(you)：自動(dong)識別技術(shu)、設(she)備集(ji)成(cheng)技術(shu)、網(wang)絡通信(xin)技術(shu)、室內定位(wei)技術(shu)、邊緣計算技術(shu)等。
（1）自動識別技術。讓機器自(zi)動識別(bie)物體(ti)對于自(zi)動化(hua)車間非常(chang)重要，此類物體(ti)通常(chang)包(bao)括在制品、零配件、刀(dao)輔具、人員等，條碼（包(bao)括二維碼）、RFID、機器視覺是(shi)最常(chang)見(jian)的(de)三種識別(bie)方(fang)式。
（2）設備集成技術。常見(jian)的設(she)備(bei)集(ji)成技術有DNC技術、OPC接口技術、設(she)備(bei)集(ji)成平臺等。
（3）室內定位技術。位置服務是車(che)間物聯(lian)網的重要應用場景，車(che)間內部有許多物體(ti)存在定位需求(qiu)，比(bi)如物料小車(che)、在制品和零配件(jian)、刀輔具、人員等(deng)，常(chang)見的定位方式包括無線(xian)傳(chuan)感器網絡（WSN） 、RFID、超(chao)寬帶（UWB）等(deng)。
（4）網絡通信技術。車(che)(che)間的數據傳遞(di)通常有兩種形式，一是有線局域(yu)網(wang)，二是無線網(wang)絡，常用(yong)的無線網(wang)絡形式包括(kuo)WiFi、藍(lan)牙、ZigBee等。5G技術具有更(geng)高的速率、更(geng)寬的帶寬、更(geng)高的可靠性以(yi)及更(geng)低的延時，未來能夠滿足(zu)數字化(hua)智能化(hua)車(che)(che)間的一些特定(ding)應(ying)用(yong)場景(jing)需求。
（5）邊緣計算技術。邊(bian)(bian)緣計(ji)算就是靠近物聯網邊(bian)(bian)緣的計(ji)算、處(chu)(chu)理(li)(li)、優化(hua)和存儲。基于邊(bian)(bian)緣計(ji)算技術，IoT中的許多控(kong)制將通過本地設備實(shi)現(xian)而(er)無(wu)需(xu)交由云端，處(chu)(chu)理(li)(li)過程(cheng)將在本地邊(bian)(bian)緣計(ji)算層完成，這(zhe)無(wu)疑將大(da)大(da)提升處(chu)(chu)理(li)(li)效率，減輕云端的負荷(he)，為用戶提供更(geng)快的響應服(fu)務。
2. 基于車間物聯網的MES生產監控系統
基于車(che)間物聯(lian)網，可以(yi)構建一種如圖2所示的MES生產(chan)監(jian)控系統(tong)框架(jia)。該框架(jia)由三層(ceng)組成：數據采集層(ceng)、現場操作層(ceng)、數據管(guan)理層(ceng)。
圖2 一種基于車(che)間物聯網的MES生產監控系(xi)統
（1）數據采集層。數(shu)(shu)據(ju)采(cai)集(ji)系統實(shi)現(xian)數(shu)(shu)據(ju)采(cai)集(ji)，初始化之后可通過 ZigBee 路由(you)器對外置(zhi)式電(dian)子(zi)標簽(qian)的數(shu)(shu)據(ju)進行讀寫操作。在目標對象（如物料、人員等(deng)）進入網絡(luo)時(shi)，有指示功能，告知標簽(qian)的載體已(yi)進入網絡(luo)。操作人員在接近需操作的機臺(tai)時(shi)，有提示信息(xi)。非工(gong)作狀(zhuang)態(tai)時(shi)，可將電(dian)子(zi)標簽(qian)置(zhi)于(yu)休眠狀(zhuang)態(tai)，減小功耗。
（2）現場操作層。MES現場(chang)操作層提(ti)供現場(chang)操作平臺(tai)(tai)(tai)，具有參(can)(can)數(shu)配置(zhi)(zhi)、故(gu)障上報以及(ji)任(ren)務請(qing)求等功能(neng)。①操作界(jie)面(mian)：可(ke)操作機(ji)(ji)臺(tai)(tai)(tai)的(de)運作，查看機(ji)(ji)臺(tai)(tai)(tai)的(de)當(dang)前工作狀態及(ji)歷史信(xin)息。②故(gu)障上傳：如(ru)(ru)機(ji)(ji)臺(tai)(tai)(tai)停轉、產(chan)速異常等狀況能(neng)及(ji)時(shi)反映至上位機(ji)(ji)。③任(ren)務請(qing)求：機(ji)(ji)臺(tai)(tai)(tai)閑(xian)置(zhi)(zhi)時(shi)可(ke)申(shen)請(qing)下一步任(ren)務。④信(xin)息比對：當(dang)物(wu)料或(huo)人員接近時(shi)可(ke)讀取(qu)其(qi)外置(zhi)(zhi)式電子(zi)標簽信(xin)息，并判斷是(shi)否是(shi)該機(ji)(ji)臺(tai)(tai)(tai)的(de)物(wu)料或(huo)操作人員。⑤數(shu)據(ju)寫(xie)入(ru)：物(wu)料經(jing)該機(ji)(ji)臺(tai)(tai)(tai)加(jia)工成(cheng)半成(cheng)品后，可(ke)向該半成(cheng)品的(de)外置(zhi)(zhi)式電子(zi)標簽進行(xing)讀寫(xie)功能(neng)，如(ru)(ru)物(wu)料為銅絲(si)，加(jia)工后寫(xie)為雙絞線(xian)。⑥參(can)(can)數(shu)配置(zhi)(zhi)：當(dang)現場(chang)生(sheng)產(chan)環境發生(sheng)變化時(shi)，只需進行(xing)相應的(de)參(can)(can)數(shu)更改(gai)和配置(zhi)(zhi)即(ji)可(ke)。
（3）數據管理層。上位機(ji)(ji)MES數(shu)據(ju)(ju)管理(li)(li)(li)(li)(li)層通過數(shu)據(ju)(ju)庫實現生產(chan)數(shu)據(ju)(ju)的(de)(de)(de)集中(zhong)管理(li)(li)(li)(li)(li)，以及(ji)生產(chan)管理(li)(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)統(tong)計(ji)。具體(ti)如下(xia)：①狀態(tai)監控：結(jie)合圖(tu)形和數(shu)據(ju)(ju)，實時顯示車間(jian)(jian)工(gong)作的(de)(de)(de)狀態(tai)。②計(ji)劃(hua)管理(li)(li)(li)(li)(li)：可觀(guan)察車間(jian)(jian)機(ji)(ji)臺(tai)的(de)(de)(de)任務完成狀況及(ji)分(fen)(fen)配新的(de)(de)(de)任務。③通信(xin)管理(li)(li)(li)(li)(li)：對網絡進行配置，如 CAN 網絡的(de)(de)(de)波特(te)率等。④數(shu)據(ju)(ju)庫管理(li)(li)(li)(li)(li)：保存歷(li)史(shi)數(shu)據(ju)(ju)，支持(chi)查(cha)詢功能。⑤故障處理(li)(li)(li)(li)(li)：觀(guan)察機(ji)(ji)臺(tai)的(de)(de)(de)實時和歷(li)史(shi)故障信(xin)息，發送(song)故障處理(li)(li)(li)(li)(li)指(zhi)令(ling)。⑥統(tong)計(ji)分(fen)(fen)析(xi)：根(gen)據(ju)(ju)歷(li)史(shi)記(ji)(ji)錄，對產(chan)品和機(ji)(ji)器等信(xin)息做出(chu)統(tong)計(ji)分(fen)(fen)析(xi)，以圖(tu)表(biao)的(de)(de)(de)形式顯示，供管理(li)(li)(li)(li)(li)者(zhe)參考查(cha)詢。⑦日志記(ji)(ji)錄：記(ji)(ji)錄車間(jian)(jian)及(ji)系統(tong)每日工(gong)作狀態(tai)，生成日志。
應用(yong)上述基于車間物聯(lian)網的MES生產監控系(xi)統，可以(yi)進行現(xian)場數(shu)據(ju)采集、物料(liao)追(zhui)蹤、產品(pin)質量追(zhui)溯(su)等工(gong)作。
1）現場數據采集
人(ren)員數(shu)(shu)據(ju)采集(ji)方面，可通過(guo)數(shu)(shu)據(ju)采集(ji)系統將每個工作人(ren)員的各種信息、當(dang)天任務、所要操作的機臺等(deng)數(shu)(shu)據(ju)存放在車(che)間管理的數(shu)(shu)據(ju)庫里。具體可采取如下兩種采集(ji)方法：
方法一(yi)，人(ren)(ren)員的衣服上掛載ZigBee外(wai)置(zhi)式(shi)電子標(biao)簽，當(dang)接近機(ji)臺時，與機(ji)臺的智能現場采(cai)(cai)集(ji)(ji)器(qi)互相感知。外(wai)置(zhi)式(shi)電子標(biao)簽發(fa)送(song)該人(ren)(ren)員的工(gong)號(hao)(hao)至采(cai)(cai)集(ji)(ji)器(qi)，采(cai)(cai)集(ji)(ji)器(qi)作(zuo)為ZigBee網絡(luo)的路(lu)由器(qi)發(fa)送(song)人(ren)(ren)員工(gong)號(hao)(hao)給(gei)協(xie)調(diao)器(qi)，協(xie)調(diao)器(qi)通過(guo)CAN總(zong)線訪(fang)問(wen)車間管(guan)理機(ji)詢問(wen)該工(gong)號(hao)(hao)人(ren)(ren)員今天的工(gong)作(zuo)任(ren)務。如(ru)果該工(gong)作(zuo)人(ren)(ren)員需操作(zuo)該機(ji)臺，機(ji)臺實時顯(xian)示當(dang)前生(sheng)產任(ren)務、機(ji)臺的計劃產量和任(ren)務預(yu)計完成時間等數據。
方(fang)法(fa)二，人員在進(jin)入(ru)車(che)間(jian)時，在車(che)間(jian)入(ru)口處，由數據采集器(qi)告知今天的工作(zuo)任務和工作(zuo)機臺號等信息，信息存放在外置(zhi)式電(dian)子標簽(qian)內。當人員接(jie)近機臺時，機臺的智能現(xian)場采集器(qi)讀取信息
可以(yi)繼(ji)續產(chan)品數據采(cai)集(ji)(ji)(ji)。當物料(liao)上架后，物料(liao)的(de)電(dian)子(zi)(zi)標簽(qian)被激活，物料(liao)的(de)生產(chan)信息(xi)被傳(chuan)送至現(xian)場智(zhi)能采(cai)集(ji)(ji)(ji)器(qi)。當物料(liao)的(de)生產(chan)信息(xi)不符合當前任務(wu)要求時，現(xian)場智(zhi)能采(cai)集(ji)(ji)(ji)器(qi)發(fa)出警報信息(xi)；當該物料(liao)在該機(ji)臺(tai)加(jia)工完成后，該機(ji)臺(tai)的(de)生產(chan)信息(xi)被寫入(ru)電(dian)子(zi)(zi)標簽(qian)，并隨(sui)電(dian)子(zi)(zi)標簽(qian)轉(zhuan)入(ru)到(dao)下(xia)一工序。
還(huan)可以進行設(she)(she)備(bei)數(shu)據采(cai)集(ji)(ji)。設(she)(she)備(bei)數(shu)據包(bao)括設(she)(she)備(bei)參數(shu)和(he)設(she)(she)備(bei)狀態(tai)，譬(pi)如當前(qian)機(ji)器(qi)(qi)的(de)(de)運轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速度(du)、產品的(de)(de)質量(liang)(liang)曲線、設(she)(she)備(bei)溫度(du)控(kong)制以及物料的(de)(de)剩(sheng)余(yu)數(shu)量(liang)(liang)等(deng)等(deng)。設(she)(she)備(bei)參數(shu)的(de)(de)采(cai)集(ji)(ji)是通過(guo)現有或新增的(de)(de)傳感器(qi)(qi)實(shi)現，設(she)(she)備(bei)狀態(tai)的(de)(de)采(cai)集(ji)(ji)是通過(guo)接(jie)(jie)入設(she)(she)備(bei)動作的(de)(de)開(kai)關觸點信號實(shi)現。以機(ji)器(qi)(qi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速數(shu)據的(de)(de)采(cai)集(ji)(ji)為例，可采(cai)用接(jie)(jie)近(jin)開(kai)關或編碼器(qi)(qi)實(shi)現機(ji)器(qi)(qi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速的(de)(de)采(cai)集(ji)(ji)。首先，接(jie)(jie)近(jin)開(kai)關放(fang)置在機(ji)器(qi)(qi)輪(lun)軸(zhou)旁邊，輪(lun)軸(zhou)每轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動一(yi)(yi)圈(quan)，接(jie)(jie)近(jin)開(kai)關便發送一(yi)(yi)個脈沖信號給智能(neng)(neng)采(cai)集(ji)(ji)器(qi)(qi)。智能(neng)(neng)采(cai)集(ji)(ji)器(qi)(qi)通過(guo)讀取脈沖再結合預設(she)(she)參數(shu)就可以計算出機(ji)器(qi)(qi)的(de)(de)當前(qian)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速，智能(neng)(neng)采(cai)集(ji)(ji)器(qi)(qi)含有觸摸(mo)屏，用來顯示或輸入機(ji)器(qi)(qi)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)速。
2）產品質量追溯
基于物聯網現場智能感知的方(fang)法，可實現生產(chan)品質數據管理及追溯，具體(ti)方(fang)法如下：
（1）生產(chan)現場每種(zhong)物料均采用獨立的電(dian)子標簽進行(xing)標識；
（2）當原材(cai)料(liao)入庫后，電子(zi)標(biao)簽記(ji)錄原材(cai)料(liao)入庫數據，包括：供應商、日期、材(cai)料(liao)批號(hao)等；
（3）原(yuan)材料進行(xing)加工(gong)時，該原(yuan)材料的電子標(biao)簽中的數(shu)(shu)(shu)據被傳送至(zhi)現場(chang)智能數(shu)(shu)(shu)據采(cai)集器。在(zai)加工(gong)結束后，原(yuan)材料數(shu)(shu)(shu)據和加工(gong)數(shu)(shu)(shu)據一起被傳送至(zhi)半成品(pin)的電子標(biao)簽中；
（4）半(ban)成(cheng)品(pin)在下一道工(gong)(gong)(gong)序(xu)加工(gong)(gong)(gong)時(shi)，其電(dian)子標簽數(shu)(shu)據(ju)被傳送至現場智能數(shu)(shu)據(ju)采集器，在加工(gong)(gong)(gong)結(jie)束(shu)時(shi)可獲(huo)得的(de)數(shu)(shu)據(ju)包括(kuo)：原材(cai)料數(shu)(shu)據(ju)、本(ben)(ben)工(gong)(gong)(gong)序(xu)前的(de)所有加工(gong)(gong)(gong)數(shu)(shu)據(ju)以及本(ben)(ben)工(gong)(gong)(gong)序(xu)加工(gong)(gong)(gong)數(shu)(shu)據(ju)，這些數(shu)(shu)據(ju)被傳送和(he)存儲到本(ben)(ben)工(gong)(gong)(gong)序(xu)的(de)半(ban)成(cheng)品(pin)的(de)電(dian)子標簽中；
（5）依此類推(tui)，待成(cheng)品生產任務(wu)結束時，其(qi)電子(zi)標簽中保存(cun)有該成(cheng)品的全部生產信息(xi)(xi)。待成(cheng)品入庫時，其(qi)電子(zi)標簽中的信息(xi)(xi)被保存(cun)至庫存(cun)數(shu)據(ju)庫中；
（6）當(dang)產(chan)(chan)品出現質量(liang)問題時，通過銷售(shou)記錄(lu)查找出庫記錄(lu)，即(ji)可(ke)查出該產(chan)(chan)品的全部生產(chan)(chan)信息，從而實現產(chan)(chan)品品質的全過程記錄(lu)及追溯。
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