物聯(lián)網(wǎng)( Internet of Thing， IOT) 是通過模擬人類之間的信息交互方式，將各類信息感知設(shè)備嵌入物體中，實(shí)時獲取物體的狀態(tài)信息，并將這些物體傳感器通過通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，對感知信息進(jìn)行智能處理，實(shí)現(xiàn)對物體的管理、協(xié)調(diào)和控制的一種高度信息化技術(shù)，其可以實(shí)現(xiàn)信息的交換與通信。目前，大多數(shù)企業(yè)實(shí)施的制造執(zhí)行系統(tǒng)( Manufacturing Execution System，MES) 的主要功能是信息的管理與“上傳下達(dá)”，對于物流配送系統(tǒng)和制造過程中的生產(chǎn)實(shí)時狀態(tài)以及產(chǎn)品全壽命周期等的實(shí)時監(jiān)控能力較弱，而且系統(tǒng)信息管理與信息的實(shí)時更新之間也存在著斷層。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)可依托的各方面技術(shù)也相應(yīng)得到發(fā)展，例如，大規(guī)模的感知信息處理技術(shù)、云計算技術(shù)等，而且成本也趨于降低?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的MES 系統(tǒng)設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)整個生產(chǎn)制造的實(shí)時監(jiān)控及全方位管理，從而真正實(shí)現(xiàn)“管控一體化”，這對于完善MES系統(tǒng)的功能、彌補(bǔ)控制與管理的斷層意義重大。

筆者以某拖拉機(jī)裝配廠為背景，結(jié)合企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀，針對企業(yè)物流配送，以及裝配過程實(shí)時監(jiān)控能力弱、報警系統(tǒng)不完善和信息交互不及時等問題，運(yùn)用過程控制理論和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在實(shí)際調(diào)研和系統(tǒng)改進(jìn)目標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)改進(jìn)方案，即通過增加物流配送管理、現(xiàn)場生產(chǎn)線實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)防報警指揮和遠(yuǎn)程監(jiān)控等模塊，對企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)企業(yè)制造過程的全方位監(jiān)控和物流運(yùn)輸?shù)膶?shí)時跟蹤，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)企業(yè)高度信息化和智能化的管理要求。

1 MES 現(xiàn)狀與改進(jìn)目標(biāo)分析

1.1 企業(yè)MES 現(xiàn)狀分析

某拖拉機(jī)裝配廠主要生產(chǎn)大功率系列輪式拖拉機(jī)，功率覆蓋51.45 ～ 205.8 kW( 70 ～ 280 馬力) ，共200 多個基本型產(chǎn)品及1 000 多種選裝變型產(chǎn)品，產(chǎn)品生產(chǎn)過程涉及訂單、生產(chǎn)計劃、裝配、物流、采購、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)，屬于典型的流程制造。流程制造是一種通過一系列的生產(chǎn)方法，包括使用通用的設(shè)備，使生產(chǎn)線上的每項任務(wù)都有穩(wěn)定的周期時間，并按照加工工序的順序，使產(chǎn)品能夠迅速、平穩(wěn)地由一個工位“流動”到下一個工位的生產(chǎn)組織方式。其不同于離散制造的獨(dú)立控制，既要對流程制造的各任務(wù)與批次之間實(shí)現(xiàn)全面的綜合管控，又要對關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)施實(shí)時追蹤，最終才能實(shí)現(xiàn)“一個流”的生產(chǎn)。

企業(yè)現(xiàn)有的MES系統(tǒng)主要針對流程生產(chǎn)中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)的主要功能有生產(chǎn)計劃管理，主機(jī)跟蹤管理、生產(chǎn)裝配指示、關(guān)重件檔案管理、停線管理、LED 生產(chǎn)看板、報表管理等。MES 功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)有MES 的功能模塊

現(xiàn)有的MES 系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了基本信息的存儲及共享功能，并不能滿足企業(yè)對生產(chǎn)過程全方位的監(jiān)控管理和物流狀態(tài)追蹤的需要。首先，裝配廠遠(yuǎn)離零部件供應(yīng)商，且拖拉機(jī)裝配過程復(fù)雜，廠外物流配送系統(tǒng)龐大，整個物流運(yùn)輸成本高，為確保配送的零部件質(zhì)量，增加了物流運(yùn)輸途中的質(zhì)量監(jiān)管力度。其次，目前該車間裝配線的監(jiān)控主要使用的是條碼技術(shù)，其工位員工采用手動方式對物品逐一地進(jìn)行掃描跟蹤，整個操作過程工人的勞動強(qiáng)度大，工作效率低，并且條形碼容易受作業(yè)環(huán)境的限制，不能重復(fù)使用。此外，現(xiàn)場報警系統(tǒng)不完善，當(dāng)某個工位發(fā)出急停信號時，現(xiàn)場生產(chǎn)管理人員很難及時發(fā)現(xiàn)造成停線的具體工位，而且也沒有對停線信號進(jìn)行歷史記錄，也就無法將停線信號及時發(fā)送給MES 系統(tǒng)，最終導(dǎo)致MES 的部分功能發(fā)揮不夠充分。再者，現(xiàn)有的MES 系統(tǒng)對于客戶反饋的信息交互不及時，致使出現(xiàn)的產(chǎn)品質(zhì)量問題不能及時地得到處理，嚴(yán)重影響了企業(yè)的信譽(yù)度和市場競爭力。

1.2 改進(jìn)目標(biāo)分析

物聯(lián)網(wǎng)是建立在Internet 基礎(chǔ)上，利用RFID( 射頻識別) 、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)構(gòu)造的一個實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時共享的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的核心能力是全面感知、可靠傳輸、智能處理［5 － 7］。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與MES 進(jìn)行集成，依托物聯(lián)網(wǎng)的視頻監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)物流車輛運(yùn)輸?shù)膶?shí)時監(jiān)控; 用RFID 技術(shù)取代條形碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配線上物品的實(shí)時在線跟蹤，減少裝配過程的人工干預(yù)，既可以降低工人勞動強(qiáng)度，又能提高工作效率。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于裝配廠，并融入到MES 系統(tǒng)中，可有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)系統(tǒng)的集成和動態(tài)監(jiān)控，達(dá)到企業(yè)高度信息化的要求。

通過對企業(yè)MES 現(xiàn)狀的分析，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)過程全方位的監(jiān)控管理和物流狀態(tài)追蹤管理為總體目標(biāo)，完善原有系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)物流和廠外物流的可視化操作和智能化管理，保證產(chǎn)品全壽命周期的質(zhì)量，具體有以下改進(jìn)目標(biāo)：

1) 將物流配送系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，對廠內(nèi)物流和廠外物流實(shí)時全方位的跟蹤管理，保障物流暢通，加強(qiáng)產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中的質(zhì)量監(jiān)管力度；

2) 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于車間裝配線上，用RFID技術(shù)代替原有的條碼技術(shù)，甩掉手工操作方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集智能化和在制品實(shí)時監(jiān)控可視化，降低人工的管理成本，提高生產(chǎn)效率；

3) 完善報警系統(tǒng)。在原有停線管理的基礎(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES 信息中心，開發(fā)設(shè)計系統(tǒng)并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，顯示報警的具體工位，并記錄報警的歷史數(shù)據(jù)；

4) 在企業(yè)實(shí)施信息化的基礎(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，針對用戶需求簽訂協(xié)議，對產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，做到隨時發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而保證產(chǎn)品整個壽命周期的質(zhì)量。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的MES 系統(tǒng)改進(jìn)方案

2.1 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

根據(jù)MES 系統(tǒng)和物流配送管理現(xiàn)狀，充分使用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立一個具有組網(wǎng)技術(shù)的靈活的MES 指揮中心；在裝配廠的生產(chǎn)現(xiàn)場安置攝像頭，利用先進(jìn)的GPS 全球定位系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

制造執(zhí)行系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用統(tǒng)一的系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通。根據(jù)ISO 定義的MES功能層次模型，將MES 軟件體系結(jié)構(gòu)從整體上分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)集成平臺層、應(yīng)用層3 層功能模式。首先，MES 的數(shù)據(jù)采集層利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層的識別感知技術(shù)獲取車間的實(shí)時數(shù)據(jù)，并通過MES 數(shù)據(jù)集成平臺進(jìn)行智能計算處理和管理; 然后，借助于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用，供決策層上傳下達(dá); 最后，通過后臺的信息儲存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到實(shí)時信息共享。數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)與MES 集成的媒介，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控、實(shí)時監(jiān)測的手段和支撐力量，而制造執(zhí)行系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心力量。

2.3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的RFID 技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、智能處理技術(shù)，在把握系統(tǒng)總體目標(biāo)的前提下，將物聯(lián)網(wǎng)與MES 進(jìn)行集成，并對企業(yè)MES 功能加以補(bǔ)充和完善?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的裝配廠MES 系統(tǒng)的功能模塊有系統(tǒng)管理、生產(chǎn)計劃管理、主機(jī)跟蹤管理、生產(chǎn)裝配指示、關(guān)重件檔案管理、停線管理、LED 生產(chǎn)看板、報表管理、物流配送管理、生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、預(yù)防報警指揮和遠(yuǎn)程監(jiān)控等模塊，應(yīng)用于拖拉機(jī)產(chǎn)品的全壽命周期管理中。針對企業(yè)全方位監(jiān)控管理和物流跟蹤管理的系統(tǒng)功能模塊如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

對系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)進(jìn)行分析，在確定系統(tǒng)的改進(jìn)方案后，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。然后設(shè)計數(shù)據(jù)表，包括產(chǎn)品基本情況表、物料主數(shù)據(jù)表、關(guān)重件配置表、銷售代碼、裝配配置表、分裝線生產(chǎn)表、總裝線生產(chǎn)表、主機(jī)關(guān)重件裝配檔案表等。其中產(chǎn)品基本情況表和關(guān)重件配置表如表1 和表2 所示。

表1 產(chǎn)品基本情況表

表2 關(guān)重件配置表

2.5 系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)研究的監(jiān)控功能所依托的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要有: 感知識別技術(shù)、組網(wǎng)與泛在接入技術(shù)、大規(guī)模感知信息處理技術(shù)等，而對于MES 開發(fā)與實(shí)施涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括了計算機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、MES 體系結(jié)構(gòu)、開發(fā)應(yīng)用技術(shù)和接口技術(shù)等，其中接口技術(shù)主要包括管理系統(tǒng)接口和控制系統(tǒng)接口。此外，進(jìn)行MES 的開發(fā)和實(shí)施還需要考慮MES系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)的可配置性。

3 MES 系統(tǒng)改進(jìn)功能模塊設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)對企業(yè)進(jìn)行全方位的監(jiān)控和管理，結(jié)合基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)改進(jìn)方案，對系統(tǒng)原有的功能模塊進(jìn)行補(bǔ)充，即增加系統(tǒng)管理模塊、物流配送管理模塊、生產(chǎn)線實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊、預(yù)防報警指揮和遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。

3.1 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊是企業(yè)整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)部分，其可以進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)信息的設(shè)置，機(jī)型配置管理，系統(tǒng)關(guān)鍵操作日志管理，系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫備份、恢復(fù)管理等工作。它依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的信息對象，對整個裝配廠進(jìn)行虛擬化處理，建立基于產(chǎn)品、裝配的設(shè)備單元和生產(chǎn)路徑的生產(chǎn)流程，并提供與各個外部系統(tǒng)的連接。

3.2 物流配送管理模塊

此模塊可實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸車輛的運(yùn)行路線、運(yùn)行位置、運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控，既能實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)物流和廠外物流的可視化，又能保障貨物的安全。圖4 為物流配送管理工作流程。

圖4 物流配送管理流程圖

物流配送功能主要是依靠GPS 定位來實(shí)現(xiàn)的。首先在物流運(yùn)輸車輛的前后分別安裝一個攝像頭，通過前方安置的攝像頭采集交通數(shù)據(jù)和運(yùn)輸路面情況，經(jīng)過車載GPS 終端將數(shù)據(jù)傳輸給MES 指揮中心GPS 服務(wù)器，并在大屏幕上顯示前方路況和準(zhǔn)確的交通信息; 然后，基于電子地圖的配置和車輛行程時間歷史數(shù)據(jù)庫等基本信息，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)融合并形成準(zhǔn)確的交通數(shù)據(jù)，再根據(jù)運(yùn)輸管理軟件的處理方式進(jìn)行運(yùn)算、預(yù)測; 最后，通過車載導(dǎo)航設(shè)備等傳播媒體將路面實(shí)時情況發(fā)布給車輛司機(jī)，供司機(jī)選擇正確的運(yùn)輸路線，以期避開交通高峰期和路況不好的地段，減少貨物的運(yùn)輸時間，從而保障貨物的運(yùn)輸質(zhì)量。另外，MES 指揮中心可以通過車輛后方的攝像頭隨時查看貨物的情況，如果遇到貨物發(fā)生移位、損壞或被盜等情況，立即通過車載GPS定位終端將信息傳送到MES 指揮中心，并觸動系統(tǒng)報警指揮，基于呼叫中心服務(wù)器，及時通知運(yùn)輸車輛的司機(jī)進(jìn)行停車查看，這樣不僅保證了零部件的質(zhì)量，還可以避免增加物流成本。再者，如果銷售部已經(jīng)通知客戶發(fā)貨，但是客戶還沒有收到貨物，MES 指揮中心就可以通過電子地圖將車輛當(dāng)前的位置和其他信息直觀地呈現(xiàn)給客戶，客戶也可以在系統(tǒng)中調(diào)用監(jiān)測車輛的歷史信息。

3.3 生產(chǎn)線實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊

生產(chǎn)線實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控主要依托現(xiàn)場的視頻采集設(shè)備，即在每個車間安裝可360?旋轉(zhuǎn)的視頻采集設(shè)備，對裝配車間的每個方位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，在MES 指揮中心的顯示器上每5 s 更新一次畫面，并通過調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)中的人機(jī)界面，以及現(xiàn)場PLC 系統(tǒng)的實(shí)時信號，動態(tài)顯示出當(dāng)前每條機(jī)運(yùn)線的狀態(tài)。現(xiàn)場生產(chǎn)線實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場生產(chǎn)線實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控界面

3.4 預(yù)防報警指揮與遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的報警指揮模塊的功能是: 在原有的停線管理的基礎(chǔ)上，將影響正常生產(chǎn)的各種因素組成一個專門的信息庫，然后根據(jù)客戶的需要與客戶簽訂協(xié)議，并通過無線通信專線與客戶建立產(chǎn)品售后服務(wù)遠(yuǎn)程監(jiān)控，最后利用物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝配生產(chǎn)的在線診斷，做到及時發(fā)現(xiàn)問題，并安排相應(yīng)的專業(yè)人員實(shí)施管理，從而避免由于一錯再錯而造成的無法彌補(bǔ)的損失。改進(jìn)后的MES 報警指揮流程圖如圖6 所示。

圖6 MES 指揮中心報警指揮流程

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與MES系統(tǒng)設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，為企業(yè)加快信息化步伐、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)制造過程的安全度起到了推動作用，也為增強(qiáng)企業(yè)的競爭力提供了有力保障。筆者通過對某拖拉機(jī)裝配廠現(xiàn)有MES 系統(tǒng)的分析和研究，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)改進(jìn)方案，并完善了原有的MES 系統(tǒng)功能，為企業(yè)面臨的物流運(yùn)輸與生產(chǎn)線實(shí)時監(jiān)控薄弱，報警系統(tǒng)不完善和信息交互不及時等問題提供了有效的解決方法，彌補(bǔ)了企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)在實(shí)時監(jiān)控管理方面的不足，對提高企業(yè)生產(chǎn)控制和管理效率具有一定的實(shí)際意義。