一种基于物联网技术的无缝针织企业MES系统

2015-04-08 15:39:05 sophie
工业物联网作为国家“两化深度融合、机器换人”重大发展战略的主要切入点,对传统制造业转型升级具有重要的意义。基于物联网技术设计开发了一种针对无缝针织行业的生产制造执行系统(MES)。通过采用SOA和Web Service软件架构设计、智能工序数据实时采集系统开发、机联网与企业生产管理系统数据深度融合,实现了一种覆盖无缝针织企业生产制造全流程的工业物联网系统。企业实地应用表明,该系统对提升企业信息化管理水平、提高生产效率及降低人工成本具有明显的促进作用。

0 引言

  工业是物联网应用的重要领域。“十二五”时期,我国工业迫切需要转型升级,整体思路是推进信息化和工业化深度融合,培育壮大战略性新兴产业,改造提升传统产业。通过物联网技术在生产制造行业的深入应用和两者深度融合,可以有效提高生产制造性企业生产效率和产品品质,提升企业的市场竞争力,带动物联网产业向更广更深的领域延伸,实现“两化融合”所产生“叠加效应”。

  随着国际市场竞争的日益激烈,传统制造企业生存压力巨大,迫切需要通过信息化改造升级,提高生产管理水平。但在具体实施过程中却面临诸多困难。以目前无缝针织行业为例,一方面,面临市场竞争压力,需要更快的生产反应速度和高品质管理水平;另一方面,生产流程工序复杂多变,产品多样性导致品质管理难度大等。部分企业虽然已经采用了ERP系统、电子工票系统等诸多信息化管理系统,但是在织机设备管理、前道生产管理、后道生产管理、仓储管理等方面,形成了多个“信息孤岛”,且仍采用传统的纸质登记方式进行工序数据采集统计,无法实现生产全流程信息互联互通以及数据实时采集、数据融合分析等,导致管理成本和人工成本高、工作效率低等问题。特别是在无缝针织企业生产流程中,前道工序采用高度自动化加工装备(如全自动高速无缝针织机、全自动印染系统等),而其后道工序采用较传统的半手工加工方式,MES需融合自动化装备与人工加工工序数据信息,以实现从原材料到成品全流程的实时跟踪,系统复杂度高,开发难度大。目前针对无缝针织行业的物联网MES系统,国内尚未见文献报道。

  本文根据无缝针织企业在信息化改造和转型升级中的实际困难,采用典型物联网系统架构针对性地开发设计,包括:利用物联网的智能感知层技术解决企业工序和织机数据实时采集问题,采用基于SOA、Web Service软件架构设计解决企业各信息孤岛的互联互通问题,采用MES系统开发和ERP对接解决企业生产精细管理问题。通过全系统的数据流融合与企业ERP系统对接,实现了一种新型的基于物联网的无缝针织企业MES系统。

1 系统总体设计

  通过对企业生产现场的实地考察,目前该无缝针织企业的生产全流程。

  根据企业生产全流程和企业对生产管理需求的分析,本文基于物联网在不同层次上构建三个子系统实现开发方案,其中包括:织机集群管理系统、基于SOA的MES系统软件和智能工序数据实时采集系统。

2 系统设计及实现

  2.1 织机集群管理系统

  本文通过开发基于传感网的织机自动控制系统,实现织机工作实时信息的采集和自动控制,对生产作业进行远程监控,车间管理人员能够实时查看每台织机的运行情况及全车间织机集群的产能效率分析,实施科学合理的生产调度和管理。基于企业所使用的SANTONI无缝针织机上装有的DCNeth和MDSeth智能模块开发基于传感网的织机自动控制系统。其中DCNeth模块是一种直接安装在针织机器上的电路板,通过和机器上的硬件连接收集机器的状态数据;MDSeth模块是一种通过连接到机器上的电子输入输出信号来收集针织机器运行状态的自动数据采集系统,系统为每台织机分配固定IP地址,自动实时采集织机运行状态数据并写入数据库。系统采用Browser/Server架构开发,服务器端采用Java语言环境,Web页面使用Bootstrap框架用来提供图形丰富的用户界面,辅助以Ajax和JavaScript脚本实现与服务器之间的异步交互功能。系统通过自动收集机器生产的信息及发送控制指令实现织机远程启停控制、款式文件及生产订单上传、车间、工作组及单机生产效率估算、产能分析、班次管理、订单管理等功能。

  2.2 基于SOA的MES系统

  MES(Manufacturing Execution System)制造执行系统,是由美国先进制造研究机构(Advanced Manufacturing Research,AMR)提出,定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息系统”,它是为了解决上层计划系统与下层控制系统之间的信息通信而产生的,是现代生产管理中最关键的一个环节,是企业CIMS信息集成的纽带。生产车间各种基础数据的实时采集与生产计划数据的实时分析是MES中的一个关键环节。近年来,企业逐渐认识到将ERP与底层控制系统统一起来的重要性,并认识到MES是解决这一问题的有效途径,即通过MES来实现企业信息的集成,形成实时化的生产管理系统。制造执行系统在计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁,填补了两者之间的空隙,可为企业及时提供生产实时信息,以优化生产、提高生产效率、优化资源配置。

  MES作为整个系统的控制和调度核心,它由中间件和应用层两部分组成。其中本文定义为一个Web Service中间件,用来把来自电子标签的数据发送到RFID中间件,然后经过对数据的缓存、过滤后将有效的生产数据存储到数据库中。

  针对企业生产流程,特别是后道流程进行系统建模。系统通过RFID采集流程中各工序环节的实时数据信息。在物料流转过程中,对每一单物料加载一个RFID物料卡,每个工序上的员工都有一张员工卡。员工在完成工序上的每单物料加工后,通过在终端上刷物料卡和员工卡,实现工序信息的实时采集和物料加工计件与员工数据链接。

  按照功能需求分析将MES划分为四个功能模块,分别是基本功能模块、功能区模块、审核区模块和报表区模块。其中功能区模块主要实现生产信息的录入,包括日产量信息、后道RFID产量、工序工价表等;对于未满足生产需求的信息列表,可以进行修改和删除,其他客户端实时同步,减少长时间信息滞后带来的一系列问题。审核区模块对功能区模块生成的生产信息表单进行审核操作,审核通过后,下达工作车间进行生产作业。报表区模块对已经完成的生产作业信息以及员工工资按一定条件查找统计,使得以最为直观的数据方式显示在操作员面前,并集成Excel报表的导出功能,可以自动统计具有实际价值的统计数据,以数据的价值比将数据按照最为合理的方式统计在Excel报表中。

  本文采用基于Web 的三层体系结构(即表示层、业务逻辑层、数据接口层的三层分布式结构),由封装在Web 服务器中的各功能组件通过相应的数据接口统一访问后台数据库服务器上的相应资源。在系统构建中,作为SOA 的一种实现技术,采用Web Service提供的XML标准接口,具有完好的封装性、松散的耦合性及高度的可集成性等特点,能够良好地实现物联网中间件与企业系统的集成,完成两者的松耦合。在本系统中,采用SOA技术实现服务器与客户端之间的解耦合。

  客户端首先发出HTTP请求,通过SOA接口配置文件进入SOA处理端;然后根据请求指令集映射文件找到相应的SOA代理对象;最后HTTP请求被转发到实际处理端进行操作,并给予客户端响应。

  2.3 智能工序数据实时采集系统

  本文根据企业应用环境及实际需求设计开发并实现了一种完整的工序信息数据实时采集系统,该系统由智能数据实时采集终端、数据基站和服务器三部分组成。数据采集终端负责读取员工卡和物料卡中的生产信息(如员工编号、工位编号、生产货号等),将员工信息与其加工过的物料信息进行绑定,加盖时间戳后发送至数据基站。数据基站通过无线模块接收采集终端发送过来的数据,按照一定规则过滤生产数据,筛除冗余生产数据后,将真正有效的生产数据通过内部局域网传送至服务器的数据库中。数据采集终端硬件采用模块化设计,整体结构由MCU主控模块、RFID数据读写模块、无线通信模块、RS232模块、液晶显示模块、JTAG系统调试模块、电源/复位模块等构成。

  MCU主控模块采用基于Cortex-M3内核的嵌入式处理器STM32F103VET6,负责处理RFID射频模块采集到的生产现场电子标签的数据。RFID数据读写模块采用非接触式读写卡芯片MFRC522,读取数据后,将数据显示在液晶屏上,并通过无线模块发送数据给数据基站。数据基站采用的主控芯片为STM32F107,采用独立于介质的接口RMII方式进行数据传输。无线通信采用基于Silicon Labs公司Si4432芯片设计开发的具有高集成度、低功耗的扩频无线收发模块,传输距离可达2000m,工作频率为433MHz。

3 系统应用

  本系统主体部分已在浙江芬雪琳针织服饰有限公司部署安装,经调试后上线运行。

  为方便各级别员工实时掌握生产活动状况及进度,本系统提供基于安卓系统的手机APP软件,

  本文开发的系统在该企业上线运行以来,应用效果明显。在前道工序方面,通过在线监控织机运行状态,实时显示织机生产信息,如开机时间、生产订单号、已完成件数以及待加工件数等,统计每一个织机工作组的工作效率和时间效率,并以此作为依据推断前道车间总生产效率。在后道工序方面,实时采集每道工序每个员工的生产数据。通过与ERP系统进行数据对接,实现了生产全流程的数字化监控,优化生产调度,有效提高了生产线工作效率和成品率。根据多个生产周期的连续监测和统计分析,前道织机空载运行时间明显减少,单位产量织机电能消耗及前后道生产原料消耗也下降明显,企业月生产效率提升10%以上;而得益于生产效率的提升,企业的经济效益也在不断增长。

4 结束语

  本文基于物联网系统典型架构,利用RFID、传感网、433MHz无线数据收发和Web Service等物联网技术,通过设计开发织机集群管理系统、基于SOA的MES系统和智能工序数据实时采集系统,在无缝针织企业实现了一种基于工业物联网的MES系统,并在实际企业部署实施。企业实际应用情况表明,工业物联网技术对于提升传统制造型企业的生产效率,优化企业生产资源配置,提高企业管理水平都具有明显的促进作用。

来源:互联网    作者:佚名