0 引言

    30多年來我國通過改革開發政策和依賴豐富優質的人力資源，給全世界生產巨量物美價廉的產品，自身也成為了制造業大國。隨著人口紅利的耗盡，目前我國制造業遭遇了新的困境。特別是中小企業潛在的制造技術水平低、生產管理模式落后、效率低和產品質量管控不嚴格等問題充分暴露，已經嚴重制約著我國制造業的持續發展。傳統制造業的產業技術升級迫在眉睫。目前，工業4.0的生產制造新時代和智能工廠以及智能制造的思想正在萌動。RFID物聯網技術在庫存等物料監控使用以及在產品制造過程的追蹤已經成功利用，例如在卷煙濾棒工業和物料傳送系統中。

    門窗鉸鏈是現代建筑的重要五件構件，是影響門窗質量和安全性的關鍵部件。作者所在企業生產高端鉸鏈，出口70多個國家。其制造加工過程是多工序離散型過程，產品規格型號多達1000多種。目前生產自動化水平較低低，相當多的工序仍然依靠人工操作，生產管理信息化程度低，嚴重制約產能和質量提升。針對企業技術升級，一方面大量引進自動化設備，另一方面對生產經營管理進行信息化改造。通過產學研合作，按照新型信息化模式建造智能型工廠。實施ERP系統與MES系統結合。MES系統中應用RFID物聯網技術實現網絡化、智能化的管理模式，構成閉環生產管理，把現場實時采集的數據通過網絡傳送，達到實時信息共享，及時掌控生產現狀以及對異常問題作出及時處理。通過對生產數據大數據分析，發現車間現場的一些問題，指導現場的作業。同時，保存的數據也可作為歷史追溯的依據。

    本文介紹該智能系統的總體結構和一部分關鍵技術的設計和實施。

    1 系統整體架構設計

    1.1 系統網絡結構

    針對鉸鏈制造生產線的實際情況，為保證系統的可靠性，采用分布式結構。在車間的每條生產線設置了工控機作為該生產線的服務器，通過現場總線與各主要設備互聯，采集和設置工藝參數。同時在該生產線各個工位安裝了嵌入式小主機、顯示器和帶無線WiFi接口的RFID讀寫器，并將各種網絡設備全部與生產線服務器鏈接。各生產線服務器接入公司局域網，實現了公司辦公室通過局域網與現場車間信息的相互傳遞。系統的網絡結構如圖1所示。

圖1 系統網絡結構圖

    1.2 服務器端結構設計

    系統采用SOA架構，以SQL Server2005為后臺數據庫管理系統，采用分布式數據庫，總服務器與車間工控機服務器之間通過發布與訂閱的方式實現數據共享。各車間服務器只需管理自己控制的產線的數據，當網絡空閑后，通過隊列等候方式，將數據發送給總服務器，同時同步更新總服務器的數據到本臺工控機上。通過分布式數據庫的管理，大大提高了數據處理能力。車間現場的數據直接傳給工控機，不需要直接與總服務器對接，這樣減少了網絡負荷，同時挺高了數據存儲的可靠性。

    服務器除了管理數據庫外，還負責管理作業指導書的圖片文件。客戶端、服務器和生產線小主機這三者通過FTP協議對圖片文件進行傳輸。服務器作為中間存儲設備，接受來自客戶端上傳的圖片并分類保存，然后提供給生產線小主機下載顯示，實現作業指導書從技術部辦公室準確快速下發到車間現場。

    1.3 客戶端軟件功能設計

    針對鉸鏈實際生產情況，分析了鉸鏈制造過程中從接受生產訂單，對訂單進行生產排程，到生產過程數據的采集，以及訂單完成后的數據統計的各個生產環節，設計切合實際需求的智能管理系統。主要包括編碼管理、物料管理、生產管理、數據分析四個模塊。編碼管理子系統是按照一定的編碼規則完成對各種料件的編碼，物料管理負責設置產品和工藝的設置以及BOM的管理，生產管理子系統負責訂單設置和生產排程的安排，數據分析子系統則為了統計產出數據及生成各種報表。軟件架構如圖2所示。

圖2 系統軟件功能結構圖

    2 系統關鍵技術

    2.1 RFID讀寫器與服務器之間的通信協議

    RFID讀寫器通過無線WiFi與服務器相連，在服務器端運行讀寫器后臺程序，后臺程序采用Windows Sockets網絡編程接口，負責服務器與讀寫器之間的數據通信管理。每個讀寫器都有自己的IP地址，后臺程序可以通過IP地址唯一識別各臺讀寫器，可以利用廣播方式或者點對點傳輸方式完成數據的傳輸。

    讀寫器向服務器發送數據協議，每次都按固定長度83字節發送，幀格式如圖3所示。

    圖3 讀寫器發送數據幀格式

開始符為“~”，結束符為“|”。服務器端接收到一幀數據后，對數據進行拆解，然后把有用的數據存入數據庫以供系統客戶端讀取。服務器接收到的數據中，針對不同的Flag，需要反饋的信息類型如表1所示。

表1 接收Flag信息類型對照表

    服務器向讀寫器發送數據協議：

    服務器向讀寫器發送數據主要分為兩類，一類是反饋型數據，如讀寫器向服務器請求信息后，服務器就需要向讀寫器發送反饋信息。另一類是服務器主動將消息數據發送給讀寫器。無論是哪一類數據，服務器向讀寫器發送數據，都采用固定幀格式發送。服務器發送數據幀格式如圖4所示。

圖4 服務器發送數據幀格式

    字節1至50為數據消息，設為data[50]的字節數組，即一幀數據可以表示為“~data[50]|”，“~”為開始符，“|”為結束符。根據data[0]的內容來區分消息類型，對應的說明如表2所示。

表2 data[0]的內容對照表

    2.2 反饋型實時生產調度

    在生產管理中，管理人員雖然對生產線的產能節拍和訂單任務的生產能耗有一定的評估，但都是建立在工作經驗的基礎上。但是現實生產中存在著諸多不確定因素使得預期的生產排程與實際生產的進度會出現偏差。一方面，有可能預料不足，即在預期完成生產的時間內任務任然沒有按時完成導致不能按時出貨；另一方面，有可能預料有余，即實際生產過程中提前完成了預期安排的生產任務導致時間的閑置。傳統的ERP系統對于生產管理模塊只能做到預先的排產設置，當計劃與實際出現偏差時，沒有提出及時的處理方式。本系統利用物聯網的優勢，可以實時采集到車間生產數據，對實際情況做出合理分析后，對生產排程中出現的問題作出適應性的調整以減少計劃與實際的偏差，形成一個具有反饋機制的閉環管理系統。反饋型生產調度原理如圖5所示。

圖5 反饋型生產調度原理

    在實際調度過程中，生產管理人員可以預先設定各生產任務的開始和結束時間。在實際生產過程中系統會將生產線生產數據第一時間通過網絡反饋到監控界面，管理人員主要考慮如下幾種情形。

    情形一：預料不足。由于各種原因導致規定時間內完成率不能達到100%時，應該考慮將該批次剩余未完成部分任務分派到其余有空閑時間的生產線并行加工，或者考慮通過加班來縮短完工時間，否則只能推遲下一批次生產任務的開始時間實現適應性重新排程。

    情形二：預料有余。當預期的生產任務提前完成時，應該考慮其他不能按時完成任務的生產線，通過分攤他們的任務以達到完工時間的平衡，或者將下一生產任務的開始時間提前，以實現產出效率最大化。

3 結語

    在工業4.0與兩化融合的先進思想指引下，工廠的智能化、生產信息化改造的進程將進一步向前推進。當前還處在工業3.0時代，能否投入更大量的計算機，部署更健全的工業生產網絡，使用更多機器人，提高生產信息化管理水平會直接影響到我國未來制造業的發展速度。面對能耗大，離散程度高種類繁多等制約因素，利用RFID標簽識別物件，通過網絡實現物物相聯，拉近管理人員與被管理物件之間的距離，達到發現更直觀，處理更方便，監管更及時的效果。實踐證明，對于鉸鏈制造企業，通過物聯網+的智能生產管理系統的運行可以減輕工人負擔，對整個生產流程信息的清楚掌控使得生產管理更精細，生產調度更精準。