机械加工行业数字化车间的开发与研究

计划排程，并利用RFID结合KW21Z技术具体设计出了制造车间物联网系统平台，研究开发适应机械加工行业车间生产特点的数字化车间管理系统，实现机械加工行业生产过程的数字化，全面提高车间生产效率，优化生产工序，降低了物料消耗和企业成本，促进了信息化和工业化深度融合。

关键词：机械加工;RFID;KW21Z;数字化;APS

中图分类号：TH16 文献标志码：A 文章编号：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

隨着济源市经济的发展，济源市的机械加工企业数量增长较快，逐步形成了规模化。这些变化促使传统机械加工工艺大规模地向高效率、高精度的数控工艺改进，企业技术部门利用数控机床编制了大量的数控加工程序。与此同时，这些加工程序的管理问题与数控设备通信的方面存在的问题也逐渐暴露了出来，严重影响数控设备优势的发挥。为此，各公司也制订了多个企业标准进行规范，但从管理技术角度来看，这些管理方法明显落伍，不能适应现代化生产模式。企业迫切需要用新的管理技术来解决这一棘手问题，特别是希望依靠数字化技术，来达到事半功倍的效果，实现国家倡导的以数字化智能化带动工业化的战略[1]。

随着信息化技术、物联网技术和数控技术等技术的不断发展以及与制造业的不断结合，能充分体现并实践“两化融合”概念的数字化车间建设应成为当前制造业的建设方向[2]。数字化车间的研究与实施都处在快速发展的阶段，受到了社会各界的高度重视。数字化车间是数字化技术在制造与加工车间集成数字化应用而形成的一种新型车间的管理模式。既从数字化的产品设计，产品检验，生产组织管理等方面入手，将制造与加工车间中的数字化设备与生产管理的信息进行集成。从整体上改善生产的组织与管理，提高车间设备的生产效率。

本研究针对济源市机械加工企业生产中存在的问题，构建了机械加工行业数字化车间管理系统，针对机械加工行业数字化车间等典型的离散类制造车间进行分析，提出了具体的APS高级计划排程，并利用RFID结合KW21Z技术具体设计出了制造车间物联网系统平台，研究开发适应机械加工行业车间生产特点的数字化集成管理系统，实现数控化的生产设备的互联与集中监控、分散式加工任务集中批量处理，面向订单的计划排产及车间生产资源管理，实现了机械加工行业生产过程的数字化，全面提高车间生产效率，优化生产工序，降低了物料消耗和企业成本，促进信息化和工业化深度融合。

2 系统总体设计

数字化车间系统的最终目标是基于物联网技术建立一个基于原有制造与加工车间设备的数字化车间，该系统能协助管理人员便捷的以图形化的方式科学规划车间生产布局、生产流程等，数字化车间的模型建立后可以进行生产调度仿真、模拟仿真各种生产调度方案、验证各种生产布局与生产调度方案的优劣，使数字化车间在项目投产前得到充分地实验论证。投产后，数字化车间系统可以和企业既有ERP系统紧密结合，辅助管理人员高效率管理生产过程各个环节[3]。

本文提出了如下数字化车间管理系统的建设方案，使用触控输入设备对车间的各类生产信息进行采集，通过设置不同工位的RF卡读取设备以及条码识别设备实现对零件和人员的快速识别，并通过对MES等数字化系统的集成，构建能够处理全局数据的数据库管理系统，实现各系统的同步更新，从而完成对车间人员、零件、设备、工具工装等的控制功能，并通过数据库的逻辑运算功能实现对不同类型的数据的分类收集与存储，从而保证这种全局的数据库存储信息可以用于车间不同部门的管理与控制。如车间生产计划的维护、生产调度管理等。

数字化车间的应用要处理好企业计划层和车间控制层之间的断层问题。断层问题的核心是数字化车间的生产调度问题，本课题参考国内各类研究成果引入了车间制造执行系统（Manufacturing Execution Systems， MES），MES系统的研究核心就是车间生产调度问题，生产调度主要负责对企业下发的生产任务进行详细计划排产，再通过分配可用生产要素资源对生产任务进行合理调度，为了保证生产执行时间和生产成本的达到最优，依据原材料加工顺序和加工时间对生产任务进行调度，通过对生产任务的合理调度，很好地控制数字化车间的生产节奏。本课题结合数字化生产车间实际需要，按照车间现有的生产模式研究和实现了基于APS高级计划排程的车间生产调度系统，用APS自动计划排程技术来实时指导车间生产，通过APS高级计划排程很大程度提高了数字化车间的生产效率，具有很高的实用价值[4]。

3 关键技术

（1）APS高级计划排程

APS高级计划排程被认为是通过如遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法和神经网络等启发式算法來解决生产制造商生产计划排程问题的技术，目前国内最新的ERP系统已经集成了APS计划排程系统。APS计划排程工作时需要跟企业ERP系统进行交互并获得一个协同的工作流。APS计划排程工作过程是采用自动计划排程与人工计划排程相结合的方式，管理人员通过APS计划排程系统能够更方便制定生产排程计划，能够更轻松应对数字化车间的复杂生产与执行状态情况，管理人员可以凭借生产管理经验接受、修改或拒绝接受APS自动计划排程系统自动生成的排程结果。APS计划排程系统与其它的辅助生产管理的系统的关系如图1 所示。

（2）RFID射频识别技术

RFID射频识别是一种无线自动识别技术，它通过无线射频自动识别目标物体并获取目标物体数据，自动识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣的工业生产环境。RFID射频识别还可以识别运动的物体并且可以同时识别多个目标物体，操作方便快捷。RFID短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的工业生产环境，可在这样的环境中替代条码与二维码，例如用在工厂的流水线上跟踪目标物体。远距离射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如高速公路ETC不停车收费系统和园区车辆管理系统等。

（3）基于 KW21Z微控制器的Zigbee组网技术

ZigBee和蓝牙技术一样是低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信技术。其特点是低成本、低功耗、成本低、时延短、网络容量大、可靠性高。主要适合用于自动控制和无线控制领域，可以嵌入各种硬件设备。主要应用在工业4.0、智慧农业、智慧医学、智能汽车、智能家居、智能楼宇、消费和家用自动化市场以及智慧城市方面等。

KW21Z是一款超低功耗、高集成度的单芯片器件，KW21Z无线MCU集成了一个2.4GHz收发器，支持O-QPSK调制，一个Arm  Cortex  -M0+处理器，高达512KB闪存和128KB SRAM，802.15.4分组处理器，硬件安全和外围设备，优化后满足目标应用的需求。KW21Z是单芯片Zigbee器件的理想解决方案，主要用于工业无线控制、家庭与楼宇控制、消费电子、电力与能源、智能计量设备无线连接等领域。

（4）条码识别技术

早期的数字化车间存在生产效率低下，企业ERP系统无法及时得到数字化车间数据、车间仓库运行效率低，数据不精确、无法追溯产品的各类信息等。通过借助条码识别系统， 有效的管理人员、工单、部件、半成品、产品、工序及生产过程等信息。通过条码扫描技术， 对机械加工产品的生产过程进行识别、跟踪与记录，减少人工输入产品信息导致的错误，提高企业生产过程信息的完整性、安全性与可追溯性。

4 系统实现

建立基于浏览器/服务器架构的数字化车间集成平台，可以实现数字化车间的办公管理、综合管理、生产管理、订单管理、库存管理、材料管理、检验管理、设备管理等。

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