基于物聯網核心技術的工業4.0智慧生產制造系統

一、總述

1.1、   建設背景
隨著工業生產自動化程度越來越高，機器接管了大部分體力勞動，同時也接管了一部分腦力勞動，工業生產能力超越了人類的消費能力，人類進入了生產過剩的時代，產品的生命周期也隨之大大縮短，從前的大批量生產會造成產能過剩，以往的一刀切的的辦法做出來的產品，不能適應現在用戶都需要。

互聯網改變了這個局面，人與人，人與廠商，可以低成本的實現連接，從而讓每個人的個性需求被放大，人們越來越喜歡個性化的東西。但是個性化的東西需求量沒有那么大，這就需要工業企業能夠實現快速、小批量、定制化的生產。

實現智能化生產，需要業務系統提出的需求，通過制造執行系統負責執行、監控和管理生產，智能生產制造是在原有的管理系統與機器互聯的基礎上，增加生產設備與原材料的管理、機器與機器之間的管理，通過對生產原材料的管理，能實現產品定制化、多品種、小批量生產。

采用RFID電子標進行原材料管理，能跟蹤記錄每個元器件相關的所有屬性，包括生產流程、下個工序、自身顏色、尺寸，甚至能延生到組裝成成品后的編號、流向地或者定制的客戶信息，能根據客戶的需求進行精細化生產，在原材料開始流入生產時，就逐步進入定制化生產環節。控制器能與RFID電子標簽無線通訊，能簽替換原有的條碼技術，RFID電子標簽能遠距離讀取及批量讀取，避免條碼必須可視才能讀取的缺點，能在檢測工位能自動識別并添加質量數據，出入庫能批量識別自動出入庫，能自動識別順序，大大提高生產水平，避免人為操作失誤或者漏操作帶來的不利影響。同時RFID電子標簽表面印刷有芯片條碼，能兼容舊有的設備，避免資產浪費。

RFID技術在智能生產制造方面主要有以下優勢：
1、  可以不用接觸，整個過程無需人工干預，能夠完成數據的自動化采集并且還不容易損壞；
2、  對在運轉狀態的物體也可以進行信息的采集，并且能夠同時識別多卡，操作比較便捷；
3、  可以適用于生產環境惡劣、人員無法達到、數據存儲量較大、數據傳輸實時性要求較高、數據傳輸能可靠有效的進行等一系列要求。

總體上來講，RFID在智能生產制造、倉儲、物流的工作環境中對數據的實時采集有很大的應用前景，實現了從原材料、工廠制造、銷售、客戶需求一體化的管理，可靈活的按時生產、按需生產、按順序生產等，實現真正的智能生產制造。

下面通過對汽車制造行業零配件生產廠的生產過程說明，來闡述工業4.0智能生產制造解決方案。

1.2、   建設內容

汽車生產面臨多平臺，多車型，柔性化要求極高，如果采用傳統的零件拉動方式，則需要在倉庫內針對每種零配件準備足夠的庫存，隨著車型的增加汽車生產廠產線的面積將不足以支持零件的擺放和生產的正常運作。

排序拉動（JIS）通過車輛上線序列及整車BOM，將同類零件歸類，按與整車生產一致的序列擺放向供應商進行零件拉動，零件排序拉動方式可以幫助汽車制造企業節省廠內零件使用面積，提高零件周轉率，并進一步提升工程生產的柔性化。

作為為汽車制造廠家提供漆件的零配件供應商，需要使用RFID技術，從注塑開始綁定RFID電子標簽，實現緩存區入庫、噴漆排序、檢驗加工、漆件倉庫、預檢、裝配排序、終檢、出庫排序、出廠核驗等全流程自動數據采集及質量控制，以實現大件產品跟蹤、質量控制、庫存控制，優化產線、倉儲管理規劃，滿足汽車制造廠拉動排序（JIS）的需要，創新管理模式，提高管理水平，進一步突破生產建設及倉儲管理瓶頸，達到工業4.0智能生產制造的建設水平。

二、系統設計

2.1、   建設范圍
通過RFID系統的建設，對用戶生產過程中的主物料流進行跟蹤、監控、注記、統計。
監控范圍：全廠區車間的物流出入口、人員出入口、廠區對外的出入口、產線、工位及倉庫；
監控對象：所有大件產品(保險杠+門檻+擾流板)；
可擴展：人員門禁、產品的周轉器具自動立體倉庫；
監控物流鏈：注塑件→塑件緩存區→噴涂上件區→噴涂下線檢驗區→漆件倉儲→裝配預檢→裝配總成件終檢→裝配排序→廠區大門查驗。
大件存及識別形態：單個或批量注塑生產、排序（多種形態）、工位檢驗、批量出入庫、出廠查驗；
運輸形態：側開門、后開門、集裝箱。
 
2.2、   建設重點與難點
系統及設備部署簡單，在廠區生產環境內穩定可靠，可維護性好，能通過管理平臺監控及管理所有設備，是系統成功的基礎；
能精確識別塑件噴涂前的位置及預裝排序和裝配排序，是項目成功的關鍵；
設備支持雙信號輸出，采集數據能在傳輸到采集服務器的同時，能傳輸相同的數據到本地的工作站，大大提高系統的實時性，保證數據的完整性，以應付不同的異常狀況，是項目成功的保障。

2.3、   系統功能及架構
系統主要由分體式批量識別設備、一體式識別設備、通道門、手持式移動采集設備以及集中采集服務器組成，所有讀寫器的數據通過網絡傳輸到采集服務器并存儲到數據庫中，同時支持本地RS485接口傳輸到本地IPC（工作站），各功能區（工段）的讀寫器將讀取到的RFID數據上傳到特定的采集服務器，并通過數據接口與上級系統（WMS/MES/TMS）對接。
2.3.1、 系統功能模塊
系統功能模塊由標簽綁定模塊、固定式設備集中采集服務、手持終端采集及異常處理，數據通過中間件服務器共享數據庫的方式與現有的MES、WMS、TMS進行對接，如下圖所示：

2.3.1、 系統網絡架構
硬件架構如下圖所示：

所有設備通過網絡與采集服務器進行通訊，現有MES通過數據庫與采集服務器進行對接，所需數據全部在采集服務器上通過數據庫中間件獲取，減輕現有系統改造難度，同時能劃清工作職責，便于后期維護及排查問題，并能增加服務器的安全性，能最小化的開放提供最大化的改造，提升生產效率。硬件架構如下圖所示：

所有設備能支持同時兩路輸出，一路RJ45輸出，一路RS485輸出，在輸出數據到采集服務器的同時，能輸出一路數據給現場工作站進行質量數據輸入，提高HMI的響應速度，提高每個節拍的生產效率。同時在網絡堵塞或者中斷的時候，能不影響現場的工作，在網絡恢復時，能同步上傳網絡中斷期間產生的數據。

2.3.1、 系統中間件及機構
采集服務器采集到的數據經過過濾，將有用的信息插入到數據庫中，MES等系統在處理業務邏輯中，當需要識別塑件或漆件信息時，系統自動查詢當前工位或工序所采集到的RFID標簽信息，然后進行翻譯找到相關信息并進行處理，從而代替原來手工掃描條碼的步驟，通過RFID遠距離無線識別實現自動化生產管理流程。