機械加工行業(yè)數(shù)字化車間的開發(fā)與研究

劉書倫　申玉霞

摘? 要：針對濟源市機械加工企業(yè)生產(chǎn)中存在的問題，構(gòu)建了機械加工行業(yè)數(shù)字化車間管理系統(tǒng)，提出了具體的APS高級計劃排程，并利用RFID結(jié)合KW21Z技術(shù)具體設(shè)計出了制造車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺，研究開發(fā)適應(yīng)機械加工行業(yè)車間生產(chǎn)特點的數(shù)字化車間管理系統(tǒng)，實現(xiàn)機械加工行業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)字化，全面提高車間生產(chǎn)效率，優(yōu)化生產(chǎn)工序，降低了物料消耗和企業(yè)成本，促進了信息化和工業(yè)化深度融合。

關(guān)鍵詞：機械加工;RFID;KW21Z;數(shù)字化;APS

中圖分類號：TH16 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）31-0099-03

Abstract： In view of the problems existing in the production of machining enterprises in Jiyuan City， the digital workshop management system of machining industry is constructed， and the concrete APS advanced planning and scheduling is put forward. By using RFID and KW21Z technology， the system platform of Internet of things in manufacturing workshop is designed， and the digital workshop management system which adapts to the production characteristics of machining industry is developed to realize the digitization of production process in machining industry. It comprehensively improves the production efficiency of the workshop， optimizes the production process， reduces the material consumption and enterprise cost， and promotes the deep integration of information and industrialization.

Keywords： machining; RFID; KW21Z; digitization; APS

1 概述

隨著濟源市經(jīng)濟的發(fā)展，濟源市的機械加工企業(yè)數(shù)量增長較快，逐步形成了規(guī)模化。這些變化促使傳統(tǒng)機械加工工藝大規(guī)模地向高效率、高精度的數(shù)控工藝改進，企業(yè)技術(shù)部門利用數(shù)控機床編制了大量的數(shù)控加工程序。與此同時，這些加工程序的管理問題與數(shù)控設(shè)備通信的方面存在的問題也逐漸暴露了出來，嚴重影響數(shù)控設(shè)備優(yōu)勢的發(fā)揮。為此，各公司也制訂了多個企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范，但從管理技術(shù)角度來看，這些管理方法明顯落伍，不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)模式。企業(yè)迫切需要用新的管理技術(shù)來解決這一棘手問題，特別是希望依靠數(shù)字化技術(shù)，來達到事半功倍的效果，實現(xiàn)國家倡導(dǎo)的以數(shù)字化智能化帶動工業(yè)化的戰(zhàn)略[1]。

隨著信息化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等技術(shù)的不斷發(fā)展以及與制造業(yè)的不斷結(jié)合，能充分體現(xiàn)并實踐“兩化融合”概念的數(shù)字化車間建設(shè)應(yīng)成為當(dāng)前制造業(yè)的建設(shè)方向[2]。數(shù)字化車間的研究與實施都處在快速發(fā)展的階段，受到了社會各界的高度重視。數(shù)字化車間是數(shù)字化技術(shù)在制造與加工車間集成數(shù)字化應(yīng)用而形成的一種新型車間的管理模式。既從數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計，產(chǎn)品檢驗，生產(chǎn)組織管理等方面入手，將制造與加工車間中的數(shù)字化設(shè)備與生產(chǎn)管理的信息進行集成。從整體上改善生產(chǎn)的組織與管理，提高車間設(shè)備的生產(chǎn)效率。

本研究針對濟源市機械加工企業(yè)生產(chǎn)中存在的問題，構(gòu)建了機械加工行業(yè)數(shù)字化車間管理系統(tǒng)，針對機械加工行業(yè)數(shù)字化車間等典型的離散類制造車間進行分析，提出了具體的APS高級計劃排程，并利用RFID結(jié)合KW21Z技術(shù)具體設(shè)計出了制造車間物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)平臺，研究開發(fā)適應(yīng)機械加工行業(yè)車間生產(chǎn)特點的數(shù)字化集成管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控化的生產(chǎn)設(shè)備的互聯(lián)與集中監(jiān)控、分散式加工任務(wù)集中批量處理，面向訂單的計劃排產(chǎn)及車間生產(chǎn)資源管理，實現(xiàn)了機械加工行業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)字化，全面提高車間生產(chǎn)效率，優(yōu)化生產(chǎn)工序，降低了物料消耗和企業(yè)成本，促進信息化和工業(yè)化深度融合。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)字化車間系統(tǒng)的最終目標(biāo)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立一個基于原有制造與加工車間設(shè)備的數(shù)字化車間，該系統(tǒng)能協(xié)助管理人員便捷的以圖形化的方式科學(xué)規(guī)劃車間生產(chǎn)布局、生產(chǎn)流程等，數(shù)字化車間的模型建立后可以進行生產(chǎn)調(diào)度仿真、模擬仿真各種生產(chǎn)調(diào)度方案、驗證各種生產(chǎn)布局與生產(chǎn)調(diào)度方案的優(yōu)劣，使數(shù)字化車間在項目投產(chǎn)前得到充分地實驗論證。投產(chǎn)后，數(shù)字化車間系統(tǒng)可以和企業(yè)既有ERP系統(tǒng)緊密結(jié)合，輔助管理人員高效率管理生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)[3]。

本文提出了如下數(shù)字化車間管理系統(tǒng)的建設(shè)方案，使用觸控輸入設(shè)備對車間的各類生產(chǎn)信息進行采集，通過設(shè)置不同工位的RF卡讀取設(shè)備以及條碼識別設(shè)備實現(xiàn)對零件和人員的快速識別，并通過對MES等數(shù)字化系統(tǒng)的集成，構(gòu)建能夠處理全局數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各系統(tǒng)的同步更新，從而完成對車間人員、零件、設(shè)備、工具工裝等的控制功能，并通過數(shù)據(jù)庫的邏輯運算功能實現(xiàn)對不同類型的數(shù)據(jù)的分類收集與存儲，從而保證這種全局的數(shù)據(jù)庫存儲信息可以用于車間不同部門的管理與控制。如車間生產(chǎn)計劃的維護、生產(chǎn)調(diào)度管理等。

數(shù)字化車間的應(yīng)用要處理好企業(yè)計劃層和車間控制層之間的斷層問題。斷層問題的核心是數(shù)字化車間的生產(chǎn)調(diào)度問題，本課題參考國內(nèi)各類研究成果引入了車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution Systems， MES），MES系統(tǒng)的研究核心就是車間生產(chǎn)調(diào)度問題，生產(chǎn)調(diào)度主要負責(zé)對企業(yè)下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)進行詳細計劃排產(chǎn)，再通過分配可用生產(chǎn)要素資源對生產(chǎn)任務(wù)進行合理調(diào)度，為了保證生產(chǎn)執(zhí)行時間和生產(chǎn)成本的達到最優(yōu)，依據(jù)原材料加工順序和加工時間對生產(chǎn)任務(wù)進行調(diào)度，通過對生產(chǎn)任務(wù)的合理調(diào)度，很好地控制數(shù)字化車間的生產(chǎn)節(jié)奏。本課題結(jié)合數(shù)字化生產(chǎn)車間實際需要，按照車間現(xiàn)有的生產(chǎn)模式研究和實現(xiàn)了基于APS高級計劃排程的車間生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，用APS自動計劃排程技術(shù)來實時指導(dǎo)車間生產(chǎn)，通過APS高級計劃排程很大程度提高了數(shù)字化車間的生產(chǎn)效率，具有很高的實用價值[4]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）APS高級計劃排程

APS高級計劃排程被認為是通過如遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等啟發(fā)式算法來解決生產(chǎn)制造商生產(chǎn)計劃排程問題的技術(shù)，目前國內(nèi)最新的ERP系統(tǒng)已經(jīng)集成了APS計劃排程系統(tǒng)。APS計劃排程工作時需要跟企業(yè)ERP系統(tǒng)進行交互并獲得一個協(xié)同的工作流。APS計劃排程工作過程是采用自動計劃排程與人工計劃排程相結(jié)合的方式，管理人員通過APS計劃排程系統(tǒng)能夠更方便制定生產(chǎn)排程計劃，能夠更輕松應(yīng)對數(shù)字化車間的復(fù)雜生產(chǎn)與執(zhí)行狀態(tài)情況，管理人員可以憑借生產(chǎn)管理經(jīng)驗接受、修改或拒絕接受APS自動計劃排程系統(tǒng)自動生成的排程結(jié)果。APS計劃排程系統(tǒng)與其它的輔助生產(chǎn)管理的系統(tǒng)的關(guān)系如圖1 所示。

（2）RFID射頻識別技術(shù)

RFID射頻識別是一種無線自動識別技術(shù)，它通過無線射頻自動識別目標(biāo)物體并獲取目標(biāo)物體數(shù)據(jù)，自動識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。RFID射頻識別還可以識別運動的物體并且可以同時識別多個目標(biāo)物體，操作方便快捷。RFID短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼與二維碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤目標(biāo)物體。遠距離射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如高速公路ETC不停車收費系統(tǒng)和園區(qū)車輛管理系統(tǒng)等。

（3）基于 KW21Z微控制器的Zigbee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee和藍牙技術(shù)一樣是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信技術(shù)。其特點是低成本、低功耗、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高。主要適合用于自動控制和無線控制領(lǐng)域，可以嵌入各種硬件設(shè)備。主要應(yīng)用在工業(yè)4.0、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)學(xué)、智能汽車、智能家居、智能樓宇、消費和家用自動化市場以及智慧城市方面等。

KW21Z是一款超低功耗、高集成度的單芯片器件，KW21Z無線MCU集成了一個2.4GHz收發(fā)器，支持O-QPSK調(diào)制，一個Arm? Cortex? -M0+處理器，高達512KB閃存和128KB SRAM，802.15.4分組處理器，硬件安全和外圍設(shè)備，優(yōu)化后滿足目標(biāo)應(yīng)用的需求。KW21Z是單芯片Zigbee器件的理想解決方案，主要用于工業(yè)無線控制、家庭與樓宇控制、消費電子、電力與能源、智能計量設(shè)備無線連接等領(lǐng)域。

（4）條碼識別技術(shù)

早期的數(shù)字化車間存在生產(chǎn)效率低下，企業(yè)ERP系統(tǒng)無法及時得到數(shù)字化車間數(shù)據(jù)、車間倉庫運行效率低，數(shù)據(jù)不精確、無法追溯產(chǎn)品的各類信息等。通過借助條碼識別系統(tǒng)， 有效的管理人員、工單、部件、半成品、產(chǎn)品、工序及生產(chǎn)過程等信息。通過條碼掃描技術(shù)， 對機械加工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行識別、跟蹤與記錄，減少人工輸入產(chǎn)品信息導(dǎo)致的錯誤，提高企業(yè)生產(chǎn)過程信息的完整性、安全性與可追溯性。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

建立基于瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)的數(shù)字化車間集成平臺，可以實現(xiàn)數(shù)字化車間的辦公管理、綜合管理、生產(chǎn)管理、訂單管理、庫存管理、材料管理、檢驗管理、設(shè)備管理等。