引自：《制造執行系統技術及應用》（作者：饒運清）

「1. 物聯網技術簡介」

物聯網（internet of things，IoT），是指通過信息傳感設備（如RFID、紅外感應器、GPS、激光掃描器等），按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網是在互聯網基礎上的延伸和擴展，它作為物與物相連的互聯網，物聯網是物體之間的交換數據的平臺。物聯網不是互聯網，但它的基本理念來源還是互聯網。互聯網是人與人之間的聯絡，而物聯網則延伸到了任何物品之間進行通信和信息交換。

如圖1所示，物聯網由感知層、網絡層、應用層構成。感知層用于獲取網絡工作所需要的信息，類似于人的五官、皮膚。在MES實際應用的傳感設備很多，如條形碼讀寫器、RFID、攝像頭、機床振動傳感器、溫度傳感器等。網絡層是物聯網中的處理器，類似于人的神經中樞和大腦。接收采集系統送來數據之后，它的工作就是信息轉發或處理。應用層是網絡與使用者之間溝通渠道，網絡設計者根據分析實際需要，設計滿足用戶需求的智能系統。

圖1 車間物聯網的三層結構

車間物聯網的關鍵技術有：自動識別技術、設備集成技術、網絡通信技術、室內定位技術、邊緣計算技術等。

（1）自動識別技術。讓機器自動識別物體對于自動化車間非常重要，此類物體通常包括在制品、零配件、刀輔具、人員等，條碼（包括二維碼）、RFID、機器視覺是最常見的三種識別方式。

（2）設備集成技術。常見的設備集成技術有DNC技術、OPC接口技術、設備集成平臺等。

（3）室內定位技術。位置服務是車間物聯網的重要應用場景，車間內部有許多物體存在定位需求，比如物料小車、在制品和零配件、刀輔具、人員等，常見的定位方式包括無線傳感器網絡（WSN） 、RFID、超寬帶（UWB）等。

（4）網絡通信技術。車間的數據傳遞通常有兩種形式，一是有線局域網，二是無線網絡，常用的無線網絡形式包括WiFi、藍牙、ZigBee等。5G技術具有更高的速率、更寬的帶寬、更高的可靠性以及更低的延時，未來能夠滿足數字化智能化車間的一些特定應用場景需求。

（5）邊緣計算技術。邊緣計算就是靠近物聯網邊緣的計算、處理、優化和存儲。基于邊緣計算技術，IoT中的許多控制將通過本地設備實現而無需交由云端，處理過程將在本地邊緣計算層完成，這無疑將大大提升處理效率，減輕云端的負荷，為用戶提供更快的響應服務。

「2. 基于車間物聯網的MES生產監控系統」

基于車間物聯網，可以構建一種如圖2所示的MES生產監控系統框架。該框架由三層組成：數據采集層、現場操作層、數據管理層。

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圖2 一種基于車間物聯網的MES生產監控系統

（1）數據采集層。數據采集系統實現數據采集，初始化之后可通過 ZigBee 路由器對外置式電子標簽的數據進行讀寫操作。在目標對象（如物料、人員等）進入網絡時，有指示功能，告知標簽的載體已進入網絡。操作人員在接近需操作的機臺時，有提示信息。非工作狀態時，可將電子標簽置于休眠狀態，減小功耗。

（2）現場操作層。MES現場操作層提供現場操作平臺，具有參數配置、故障上報以及任務請求等功能。①操作界面：可操作機臺的運作，查看機臺的當前工作狀態及歷史信息。②故障上傳：如機臺停轉、產速異常等狀況能及時反映至上位機。③任務請求：機臺閑置時可申請下一步任務。④信息比對：當物料或人員接近時可讀取其外置式電子標簽信息，并判斷是否是該機臺的物料或操作人員。⑤數據寫入：物料經該機臺加工成半成品后，可向該半成品的外置式電子標簽進行讀寫功能，如物料為銅絲，加工后寫為雙絞線。⑥參數配置：當現場生產環境發生變化時，只需進行相應的參數更改和配置即可。

（3）數據管理層。上位機MES數據管理層通過數據庫實現生產數據的集中管理，以及生產管理的分析統計。具體如下：①狀態監控：結合圖形和數據，實時顯示車間工作的狀態。②計劃管理：可觀察車間機臺的任務完成狀況及分配新的任務。③通信管理：對網絡進行配置，如 CAN 網絡的波特率等。④數據庫管理：保存歷史數據，支持查詢功能。⑤故障處理：觀察機臺的實時和歷史故障信息，發送故障處理指令。⑥統計分析：根據歷史記錄，對產品和機器等信息做出統計分析，以圖表的形式顯示，供管理者參考查詢。⑦日志記錄：記錄車間及系統每日工作狀態，生成日志。

應用上述基于車間物聯網的MES生產監控系統，可以進行現場數據采集、物料追蹤、產品質量追溯等工作。

1）現場數據采集

人員數據采集方面，可通過數據采集系統將每個工作人員的各種信息、當天任務、所要操作的機臺等數據存放在車間管理的數據庫里。具體可采取如下兩種采集方法：

方法一，人員的衣服上掛載ZigBee外置式電子標簽，當接近機臺時，與機臺的智能現場采集器互相感知。外置式電子標簽發送該人員的工號至采集器，采集器作為ZigBee網絡的路由器發送人員工號給協調器，協調器通過CAN總線訪問車間管理機詢問該工號人員今天的工作任務。如果該工作人員需操作該機臺，機臺實時顯示當前生產任務、機臺的計劃產量和任務預計完成時間等數據。

方法二，人員在進入車間時，在車間入口處，由數據采集器告知今天的工作任務和工作機臺號等信息，信息存放在外置式電子標簽內。當人員接近機臺時，機臺的智能現場采集器讀取信息。

可以繼續產品數據采集。當物料上架后，物料的電子標簽被激活，物料的生產信息被傳送至現場智能采集器。當物料的生產信息不符合當前任務要求時，現場智能采集器發出警報信息；當該物料在該機臺加工完成后，該機臺的生產信息被寫入電子標簽，并隨電子標簽轉入到下一工序。

還可以進行設備數據采集。設備數據包括設備參數和設備狀態，譬如當前機器的運轉速度、產品的質量曲線、設備溫度控制以及物料的剩余數量等等。設備參數的采集是通過現有或新增的傳感器實現，設備狀態的采集是通過接入設備動作的開關觸點信號實現。以機器轉速數據的采集為例，可采用接近開關或編碼器實現機器轉速的采集。首先，接近開關放置在機器輪軸旁邊，輪軸每轉動一圈，接近開關便發送一個脈沖信號給智能采集器。智能采集器通過讀取脈沖再結合預設參數就可以計算出機器的當前轉速，智能采集器含有觸摸屏，用來顯示或輸入機器轉速。

2）產品質量追溯

基于物聯網現場智能感知的方法，可實現生產品質數據管理及追溯，具體方法如下：

（1）生產現場每種物料均采用獨立的電子標簽進行標識；

（2）當原材料入庫后，電子標簽記錄原材料入庫數據，包括：供應商、日期、材料批號等；

（3）原材料進行加工時，該原材料的電子標簽中的數據被傳送至現場智能數據采集器。在加工結束后，原材料數據和加工數據一起被傳送至半成品的電子標簽中；

（4）半成品在下一道工序加工時，其電子標簽數據被傳送至現場智能數據采集器，在加工結束時可獲得的數據包括：原材料數據、本工序前的所有加工數據以及本工序加工數據，這些數據被傳送和存儲到本工序的半成品的電子標簽中；

（5）依此類推，待成品生產任務結束時，其電子標簽中保存有該成品的全部生產信息。待成品入庫時，其電子標簽中的信息被保存至庫存數據庫中；

（6）當產品出現質量問題時，通過銷售記錄查找出庫記錄，即可查出該產品的全部生產信息，從而實現產品品質的全過程記錄及追溯。