（机械工程专业论文）基于物联网的制造过程可视化监控系统的研究.pdf

摘要 随着企业信息化水平不断提高，企业对产品制造过程的质量也随之提高。对 于企业而言，为了保证产品质量，要求对制造过程进行实时监控，实现对制造过 程的可视化管理。本文在制造业信息理论与技术的研究基础上，将物联网技术和 可视化技术有效地结合，研究制造物联网的底层信息感知模式和感知方法、可视 化表达方式及其可视化管理系统，结合实际的项目验证本文研究内容的可行性和 实用性，对以后相关研究具有一定的借鉴作用。 本文主要完成了以下几个方面的研究： ( 1 ) 分析了目前制造过程可视化监控的需求，研究了企业产品设计信息、 制造资源信息、工艺知识信息和生产状态信息等对象特征，构建了制造过程可视 化监控的数据感知对象模型，设计了制造过程可视化监控系统的架构以及网络拓 扑结构，从而实现了制造过程的各种数据信息及时传送给管理层，消除企业管理 层和车间制造执行层之间的信息断层现象。 ( 2 ) 针对制造过程的物联网感知特征，分析了物理离散原始数据采集、感 知数据的传送等问题，构建了基于物联网的角色感知模型，实现对订单状态特征 集，设备特征集，物料特征集，人员特征集的基础信息感知，并在此基础上运用 物联网感知技术实现了实时工况信息和设备状态信息的感知；同时，为了实现数 据感知对象类型的分类处理，设计了基于协议屏蔽和数据过滤的感知处理中间件 接口，方便了系统功能扩展和调整。 ( 3 ) 针对目前可视化实现原理和方法，研究出适合于本研究对象的实现模 型，实现车间物料的传递与制造过程的实时控制，并将物料加工的工艺流程展示； 同时有效的对车间制造现场的监控，实现了制造过程可视化：在分析制造过程可 视化系统的用户角色以及电子看板的可视化表达的原理基础上，构建了角色和电 子看板的多角色多目标的映射模型，从而完成制造过程的全面可视化监控与管 理。 该系统实现了对制造过程中制造信息的全面感知和预处理，并通过电子看板 的可视化技术，实现企业人员对底层信息的监控，实时掌握订单的进度以及设备 的运行状况，提高了企业的运行效率，缩短了交货周期，提高了客户的忠诚度和 满意度。 关键词：物联网，感知模型，可视化监控，电子看板 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h el e v e lo fe n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n ，t h e q u a l i t yo ft h ep r o d u c tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa l s ow i l li n c r e a s e f o re n t e r p r i s e ，i n o r d e rt oe n s u r ep r o d u c tq u a l i t y , r e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s r e q u i r e dt oa c h i e v et h ev i s u a lm a n a g e m e n t o ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s o nt h eb a s i s o fe x i s t i n gi n f o r m a t i o nt h e o r ya n dt e c h n o l o g y , a n dt h ei n t e g r a t i o no ft e c h n o l o g yo f i n t e r n e to ft h i n g sa n dv i s u a l i z a t i o nt e c h n i q u e s ，t h em o d eo ft h e u n d e r l y i n g i n f o r m a t i o np e r c e p t i o na n dv i s u a l i z a t i o no ft h i n g se x p r e s s i o na r es t u d i e d t h e f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h er e s e a r c hc o n t e n ti sv e r i f i e dw i t ht h ea c t u a lp r o j e c t ， w h i c hh a ss o m er e t e r e n c eo nf u t u r er e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n dw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h en e e d so fv i s u a l i z a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sm o n i t o r i n gw e r e a n a l y z e d ；t h eo b j e c tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n t e r p r i s ep r o d u c td e s i g ni n f o r m a t i o n ， m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ei n f o r m a t i o n ，p r o c e s sk n o w l e d g ei n f o r m a t i o na n dp r o d u c t i o n s t a t u si n f o r m a t i o nw e r e s t u d i e d a n dt h e nt h ed a t a - a w a r eo b je c tm o d e lo ft h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sm o n i t o r i n gw a sc o n s t r u c t e d ，t h ea r c h i t e c t u r ea n dn e t w o r k t o p o l o g yo f t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sv i s u a l i z a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e d s ot h a tav a r i e t yo fd a t ai n f o r m a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a sa c h i e v e df o r t h e t i m e l yd e l i v e r y t o m a n a g e m e n tt o e l i m i n a t et h ei n f o r m a t i o n g a p b e t w e e n c o r p o r a t em a n a g e m e n ta n ds h o pf l o o rm a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o nl e v e lp h e n o m e n o n ( 2 ) a sf o rt h em a t e r i a lp e r c e p t i o np r o b l e mo ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h e p r o b l e mo fp h y s i c a ld i s c r e t er a wd a t aa c q u i s i t i o n ，s e n s i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o nw e r e a n a l y z e d a n dt h e nt h er o l ep e r c e p t i o nm o d e lb a s e do nt h ei n t e m e to ft h i n g sw a s b u i l t ，t h ei n f o r m a t i o no fo r d e rs t a t u sf e a t u r es e t s ，e q u i p m e n tf e a t u r es e t s ，m a t e r i a l s f e a t u r es e t s ，p e r s o n n e lf e a t u r es e t sw e r ep e r c e i v e d m e a n t i m e ，i no r d e rt oa c h i e v et h e c l a s s i f i c a t i o no fd a t a - a w a r eo b j e c t ，p r o c e s s i n gm i d d l e w a r ei n t e r f a c eb a s e do nt h e p e r c e p t i o no ft h ea g r e e m e n ts h i e l d e da n dd a t af i l t e r i n gw e r ed e s i g n e d ，w h i c h f a c i l i t a t e se x p a n s i o na n da d j u s t m e n to fs y s t e mf u n c t i o n s ( 3 ) f o rp r i n c i p l e sa n dm e t h o d sf o rv i s u a l i z a t i o n ，as u i t a b l eo b j e c tm o d e lo ft h i s s t u d yw a sc o m eu pw i t h t r a n s f e ro ft h ew o r k s h o pm a t e r i a l sa n dr e a l t i m ec o n t r o lo f m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n d ，p r o c e s sd i s p l a yo fm a t e r i a l sp r o c e s s i n gw e r ea c h i e v e d w o r k s h o pm a n u f a c t u r i n gs i t em o n i t o r i n ga n dv i s u a l i z a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n g n p r o c e s sw e r ea c h i e v e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s v 1 8 u a l i z a t i o ns y s t e mu s e rr o l e s ，a n dt h e e x p r e s s e dp r i n c i p l eb yt h ev i s u a l i z a t i o no f e - k a n b a n ，am u l t i r o l e t h em u l t i - t a r g e tm a p p i n gm e c h a n i s mb a s e do n u s e rr o l e s 锄d e 。k a n b a nw a s b u i l t ，c o m p r e h e n s i v ev i s u a l i z a t i o nm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to fm e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sb ed o n et h r o u g h a c o m p r e h e n s i v es e n s ea n dp r e - p r o c e s s i n go f m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o no ft h e m a i l u f a c t u r i n gp r o c e s sw a s e o m p l e t e d s i m u l t a n e o u s l y , t h eu n d e r l y i n gi n f b 咖a t i o ni s e n e c t i v e l ym o n i t o r i n g ，t h r o u g hv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fe k a n b a n ，t h ep r o g r e s s o 士o m e r sa n de q u i p m e n ts t a t u si nr e a lt i m ew e r eg r a s p ，w h i c hi m p r o v e st h e o p e r a t i n g e f t i c i e n c yo ft h ep r o d u c t i o n , s h o r t e n st h ed e l i v e r y c y c l ea n di m p r o v e sc u s t o m e r l o y a l t ya n ds a t i s f a c t i o n k e yw o r d s ：i o t ，p e r c e p t u a lm o d e l ，v i s u a lm o n i t o r i n g ，e - k a n b a n l i l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着全球经济和制造业的快速发展，企业之间的市场竞争越来越激烈。同 时，客户需求逐渐呈现个性化、多样化的发展趋势，多品种、小批量的企业生 产模式逐渐在企业中暂居主导地位。企业如何以最短的时间、最低的生产成本、 最优质的产品和最好的服务来快速的响应市场需求，从而使企业在竞争中处于 不败之地，首要的问题是如何使企业从面向产品、面向库存的方式逐步面向市 场、面向订单的生产方式进行转变。目前，企业车间的制造过程复杂，制造信 息繁多，并且多处于黑箱式操作，使得企业的管理层无法对车间的执行层达到 及时、准确和全面的监控。因此，对车间的制造过程进行实时有效地监视和控 制显得尤为重要。 对于制造企业而言，车间是企业的物化中心和关键生产执行机构，是处于 制造企业内部生产组织的最底层，同时也是企业经济核算的基础单位和制造系 统的数据来源地。通过制造系统各个转换环节的有效完成，可以实现原材料、 能源和物质向半成品和成品的转换。企业通过车间执行制造计划，将有效的信 息及时的反馈给上层管理者，从而达到车间制造信息的实时共享。车间制造过 程是指加工人员领取原材料之后，设计人员依据产品结构和工艺规划来组织企 业的生产计划安排、加工、调度等过程，最终加工成半成品或者是成品。由此 可知，车间层的制造过程管理在企业信息管理系统中显得至关重要，车间制造 过程在某种程度上决定了企业的信息化的发展水平i l j 。 目前，为了实现车间制造过程的状态监控和可视化管理，企业先后实施了 p d m 、m e s 、e r p 等信息化系统，解决了设计过程、制造过程和企业资源数据 的管理问题，但产品制造过程的实时状态监控和可视化管理问题还没有得到有 效地解决。本文探索将传统的信息技术、先进制造技术、可视化和物联网技术 相结合，期望解决这一关键问题。 物联网技术1 2 】是优于互联网的新一代信息技术，是近年来信息技术研究的重 点所在，它更加强调物与物的互联，主要是将存在于各个车间的感知设备实现 互连，从而达到现实世界的物体相连的一种新型网络，并使物品信息虚拟化， 武汉理工大学硕士学位论文 数字化和网络化标识，方便人们进行识别、共享与管理。 近年来，随着感知识别技术的快速发展，信息逐步从传统的人工生成的单 通道模式向人工生成和自动生成的双通道模式转变。以传感器和智能识别终端 为代表的信息自动识别设备可以实时准确的对物理世界的感知、测量和监控， 从而有效地为物联网在企业制造过程中的应用提供了条件，但并不是每一个企 业都可以应用物联网技术。为了将物联网运用到企业中，企业必须对现有的业 务体系和业务流程进行整合与改造，使其具有以下要求1 4 】： ( 1 ) 业务体系的灵活性。企业引入物联网后，企业的运营模式会随之发生 相应的变化，这就要求企业的业务体系具有随动性、灵活性，不至于业务流程 发生变化时而影响到企业正常的生产生活。 ( 2 ) 优秀的人才和制造技术的先进性。优秀的人才与先进的制造技术是实 现物联网的基础。在物联网的实施与维护过程中，必将有大量的新技术需要技 术人员去学习和领悟。企业只有具有人才和技术基础才能更好的发挥物联网的 功能。 ( 3 ) 企业的信息化水平。信息化水平的高低程度与物联网的实施的难易程 度息息相关。在构建企业级物联网时，现有信息系统是制造物联的基础平台。 为了实现物联网的顺利实施和制造物联的快速搭建，对于信息化水平高的企业， 只需要通过整合企业物联网感知层的感知设备，并在原有的系统中增设实时性 的反馈控制模块，即可实现企业物联网的监控和管理。 ( 4 ) 企业规范和标准的制定。对企业内部的技术与管理进行标准和规范化， 有利于企业在物联网应用过程中利益最大化，同时也使企业的制造活动有章可 循，规范化生产。 1 2 国内外研究现状及问题分析 1 2 1 制造过程监控研究现状 在制造企业内部，任何生产活动都应该以科学的管理和适当的监控为目的。 为此，首先必须及时掌握企业制造过程的实时状况，然后管理者才能依据实时 信息作出良好的决策，进而干预企业的生产活动，使企业制造过程处于最优状 态。所以对采集制造过程的实际数据进行监视和控制是企业科学管理生产的基 2 武汉理工大学硕士学位论文 础。 监控系统是在2 0 世纪6 0 年代初由于航天、军工发展壮大起来的【5 1 。7 0 年 代初由于制造自动化和过程自动化程度不高，尚未达到系统的有效集成，主要 以分立模块的方式存在，只能解决少量的监控功能。7 0 年代中至8 0 年代中期， 随着工业系统的复杂性增加，制造过程的实时状态和设备的运行状况的要求也 随之升高，从而诞生了独立的监控单元模式。8 0 年代后期，随着以计算机集成 制造系统( c i m s ) 、敏捷制造( a m ) 、柔性制造( f m s ) 、虚拟制造( v m ) 和 网络化制造( n m ) 等新一代先进制造模式的诞生，需要一个集成的监控系统对 其进行监视、控制和管理，从而使许多的学者对这一问题展开了相应的研究。 如浙江理工大学的张建新等人在研究a g e n t ( 智能体) 理论技术的应用基础上， 针对染厂的生产过程，开发了一套适合于该企业的监控系统i o l ；西安工程大学的 邵景峰等人针对纺织企业并粗车间先进设备与落后管理不协调的问题，设计并 开发了一种网络化的并粗车间生产信息监控系统t t l ；重庆工学院的黄贤英等人通 过对远程无线数字视屏监控系统的组成、原理及其实现方法进行了相应的研究， 开发了一种适合于包装车间的数字化无线视屏监控原型系统哺j ；浙江大学的张俊 运用r f i d 技术对装配过程的数据进行了实时采集，并提出了基于电子看板的生 产状态数据可视化显示方法 9 1 。华南理工大学的廖波结合车间生产的特点，构建 了生产监控实时状态模型，有效地解决了生产监控不足的问题【1 0 】。张海燕等人 针对包装企业实际加工制造情况，开发了适合于生产车间的调度与监控系统l l 。 张烈平等关注监控系统中存在的“信息孤岛 问题，运用多a g e n t 技术实现了 生产过程有效监控，并将其开发的实际系统应用于洗衣粉生产企业，取得了良 好的效果【1 2 l 。李哲林等研究了流水线装配过程，并探讨了数据采集和传输的问 题，在此基础上实现了不同的数据形式的实时表达【b 】。熊禾根等人采用了滚动 计划反馈等技术，在单件生产的模式下，对企业的调度与监控系统的集成方面 的应用作了相应的研究【1 4 1 。李守葆通过对现代控制技术的研究，开发了一种基 于触摸屏方式的p l c 网络监控系统【l 5 1 。 1 2 2 物联网技术研究现状 物联网【1 6 l ( i n t e m e to ft h i n g s ) 是由装备了计算机和传感器的物体互联而形 成的一个新兴信息网络，是一个提供事物信息自动化地跟踪、追溯和控制的基 础平台。它的应用使任何物体能够被智能地感知和互联，从而具有更加智慧的 武汉理工大学硕士学位论文 洞察力。 物联网的概念始于1 9 9 5 年b i l lg a t e s 发表的未来之路一书之中，在该 书中他初步提到了物联网的相关概念，不过受当时无线网络、硬件及传感设备 的发展条件限制，人们对其理念的重视程度不高。 二十世纪9 0 年代末期，美国麻省理工学院首次在官方场合提出了物联网的 概念，并在此基础上成立了a u t o i d 中心。该中心于2 0 0 3 年1 1 月1 日更名为 a u t o i dl a b ，为e p cg l o b f l 的发展提供技术支持。2 0 0 5 年，在突尼斯举行的信 息社会世界峰会( w s i s ) 上，国际电信联盟( i t u ) 发布了i t ui n t e m e tr e p o r t s 2 0 0 5 ：t h ei n t e m e to f t h i n g s ，对概念的涵义进行了扩展。该报告中指出，通信与 信息技术的目标在不断提高，已经由任何地点、任何时间与任何人的连接，向 任何物品互相连接的阶段进行发展，从而使万物之间有效地连接在一起形成了 现有的物联网。 最近几年以来，全球多个地区和发达国家正在逐步启动与物联网有关的信 息化战略计划。如美国国防部和国家科学基金会的“智能微尘( s m a r td u s t ) 、 “全球网络研究环境( g e n i ) 计划以及由美国主导制定的e p cg l o b a l 标准都推 动了物联网的快速发展：欧盟主要是针对物联网的相关技术和应用方面展开了 研究，并且在f p 6 、f p 7 竞争和创新框架下，就物联网( i o t ) 和r f i d 进行了 相关的专项研究和技术研发。同时，在2 0 0 9 年发布的欧盟物联网战略研究路 线图一文中提出了三个阶段的物联网发展研究路线图，为物联网在该国展开 有效的应用指明了前进的方向。韩国为了应对全球信息产业的物联网趋势，制 定了长达十年的u k o r e a 战略计划，并在此基础上出台了物联网基础设施构 建基本规划，这一规划为物联网市场的发展添加了新的动力源泉。国外的大学 对于这个方面也进行了相关的研究，如加州大学洛杉矶分校主要是针对嵌入式 网络感知方面进行了相应的研究，并组建了网络感知中心实验室；麻省理工学 院对自组织传感器方面进行了相关的探索与研究，并针对这个问题研制了相关 的实验系统；州立克里夫兰大学( c s u ) 的移动计算实验室主要是对移动网络和 自组织网络方面展开了相应的研究，并将其与无线传感器网络技术相结合。 与国外相比，我国物联网的研究与应用还处在初步发展阶段。对于物联网 的概念模型和体系结构方面，南京邮电大学沈苏彬、范曲立等人通过对现有的 技术文献和应用实例进行了详细的分析，并初步提出了物联网应有的服务类型 和相应的分类结点，设计了以互联网为结点的物联网系统模型和体系结构【墙j 。 武汉理工大学硕士学位论文 北京邮电大学的孙其博、刘杰等人对比分析了物联网与传感器网络、泛在网络、 机器对机器通信以及计算物理系统等概念的关系，从而对物联网的体系架构作 出了相应的研究：然后指出物联网应用所需要涉及的关键技术和理论，给出了 相应的体系模型i l9 1 。上海交通大学的吕炳潮等人对物联网中实时信息理论和获 取问题进行了初步的研究，构建了实时信息获取的数学模型，并针对于分发问 题提出了p u s h 、p u l l 、m i x e d = 种分发模型【2 0 1 。对于物联网的应用方面，广东工 业大学的植俊文研究了物联网的核心技术r f i d 基础上，对m e s 系统进行了设计， 该系统以r f i d 技术作为系统信息的使用支点，以适用为设计目的，对系统的信 息采集、信息通信、生产计划排产、相关的系统管理等方面作了比较详细的描 述i z 。南京林业大学王春峰对r f i d 技术进行了研究，并在此基础上提出了物流 管理系统的体系结构和框架。设计的系统可以在制造车间各个生产线工位上， 及时的显示各工位的车型和装备信息。此时，装配人员就可以及时知道实际的 物流情况，控制当前的物流需求，从而使物料能够及时有效和适量地送到需要 装配的位置，实行拉动式生产田】。 1 2 - 3 可视化技术研究现状 可视化【2 3 j 作为一种新兴理念和技术，随着计算机、信息采集处理等相关技 术的不断完善，受到越来越多领域的推行和应用。可视化【2 4 】最早是由美国国家 基金会在1 9 8 7 年提出科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) ，经 过2 0 多年的发展，首先在一些国家的研发中心、大公司和著名大学的研究中心 进行初步研发，后期逐步推广和应用到实践当中，如n a s a 的a n i s e 研究中心、 l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室( l l n t ) 、l o s a l a m o s 国家实验室、i b m 研究中 心、u i u c 的n c s a 和海军研究实验室等。 国内对可视化方面的研究可以追溯于2 0 世纪9 0 年代初。主要的研究单位 有清华大学、武汉大学、中科院计算所、中科院软件所、浙江大学和合肥工业 大学等。国家气象中心与清华大学两者之间展开有效地合作，运用可视化技术 开发了“三维气象动态图像系统”，这一系统在数值预报方面得到了良好地应用； 武汉大学的周宁对信息资源可视化模型的方法进行了详细的研究和分析，并开 发了i n f o v i s m o d e l 的原型系统【2 4 1 ；北京工业大学的吴曦等人提出在模块化生产 加工系统中应用可视化技术，从而有效地提高了设备的使用效率，为制造资源 实时共享提供了有利的方法【2 5 l ；东北大学的伍俊提出了基于v c 和f l a s h 的可视 武汉理工大学硕士学位论文 化监控系统的总体方案，并在此基础上实现了柔性加工生产线的可视化监控【2 6 j 。 燕山大学傅俊雅针对锅炉生产过程，运用虚拟现实技术设计了供热生产过程可 视化监控系统【2 7 1 。浙江大学工程与科学计算研究中心侧重于计算机图形算法和 科学可视化方面的研究，在几何网格的自动生成、三维重构、大规模的可视化 和分布可视化等方面技术处在国内前列的位置。合肥工业大学的高扬运用面向 对象技术和三维建模软件构建车间模型库，以多维向量点的方法描述了车间设 备、物料和人员，实现了对车间制造过程可视化监控与管理1 5 j ；林巨广在研究面 向装配过程的可视化m e s 的关键技术和理论的基础之上，开发了可视化的制造 执行系统【2 3 1 。广东外语外贸大学的陈达文对供应链可视化的需求进行了相应的 分析和总结，提出了基于物联网的供应链可视化管理 z 9 j 。 1 2 4 现有研究存在的问题或不足 国内外很多的学者和研究机构对制造过程监控，物联网技术和可视化技术 进行了相应的研究，并取得长足的发展，但我国将两种技术有效的结合，并将 其应用到制造过程监控方面所展开的研究还处于初级阶段。由于车间制造过程 本身具有复杂性、制造设备的落后性以及订单的多样性，使制造过程的数据量 庞大，直接影响着管理层的智能性决策。已有研究对于本课题的而言具有以下 几个不足之处： ( 1 ) 针对制造过程的监控平台，已有研究对企业内部制造过程的模型进行 了详细的阐述，但大多数还是“监控岛”概念的系统，这些数据采集和底层的 控制主要是相对于某一车间或者流程而言，各自的监控平台难以互相联系、数 据共享，因而存在信息孤岛，无法实现制造过程的实时监控； ( 2 ) 从制造物联的应用角度看，已有研究集中在构建物联网的体系架构、 模型以及在连续制造型企业制造领域的应用，但是对物联网在离散制造企业的 制造过程方面的应用，没有进行深入的研究； ( 3 ) 制造可视化技术是一门涉及多学科的交叉学科，由于制造系统具有自 身的特殊性和独特的运转规律，目前的可视化研究与制造应用领域紧密结合程 度不是很高，缺乏制造和信息的可视化渲染以及交互控制。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 课题研究目的和意义 针对目前离散企业生产的特点，通过分析制造过程监控系统的需求，并在 此基础之上提出对制造过程生产状态和设备运行状态进行实时监控的方法，从 而为制造监控系统乃至企业的良好运行提供及时、准确的实时状态数据，提高 了企业的生产效率，降低了企业的运营成本，并为企业经营决策提供智能性支 持。 在制造业应用物联网和可视化技术，可以实现离散制造企业制造过程的可 视化、准时化生产，建立先进的“准时化制造模式，为企业的生产计划安排 和智能性监控与管理决策提供实时而准确的信息支撑。通过这种方式，将改善 企业经营的决策质量、优化企业整个运作管理功能，使前后上下道工序衔接更 加紧密，减少制造过程的物料的等待时间和原材料、半成品和成品的库存量， 从而有效地提高了企业的生产效率，使其具备快速地反应市场能力；同时，制 造过程中产品质量信息的可追溯性也是企业追踪产品质量的信息基础。为了保 证产品的质量，降低废品与返工率以期望进一步提高管理效率的目的，制造产 品信息的可监控性也是必不可少的。虽然目前企业拥有了一些监控系统，但是 都有一定的缺点，所以对其进一步的研究对提高我国离散制造企业的竞争优势 具有重要的意义。 然而，尽管物联网技术正逐步为企业所认识和应用，但它始终还处于初步 的探索阶段，特别是在中小型制造企业。造成这种现状的主要原因在于，无论 是物联网技术本身还是针对这项技术所衍生出的各种应用系统都还有尚未解决 的问题，就是对实时生产状态的监控问题，如果不能解决这个问题，必然会造 成企业车间层与管理层的断层问题，从而形成“信息孤岛”。正是由于这些棘手 问题的存在，才制约了物联网技术在制造行业中应用的全面展开。 本文的研究将在充分调研、借鉴、分析已有物联网应用在制造过程的监控 系统的基础上，结合上海某模具有限公司的具体需求，研究物联网技术和可视 化技术在制造过程中的监控问题，从而为物联网、可视化技术在中小型制造企 业的推广和应用提供参考和支撑，对于实现柔性化、敏捷化、智能化和信息化 的制造将具有极为重要的作用与意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题来源和研究的主要内容 本课题主要来源于上海某模具有限公司和武汉理工大学机电工程学院的合 作项目“制造过程可视化监控系统的设计与开发 。 上海某模具有限公司是一家主要以汽车装备与机械自动化、半导体与电子 电器、食品包装机械、医疗器械设备、光学仪器设备、绿色能源和其它领域的 典型离散制造企业。面对客户日益个性化、多样化的发展趋势，公司一直坚持 以务实和质量为本的企业核心价值观；为了提高产品的质量，公司不断在尝试 将各种信息技术运用到企业之中，来提高企业的信息化水平，同时通过信息化 来完善公司治理体制，期望形成一个适合于自身发展的业务流程体系和质量控 制体系，逐步实现质量体系可控、可查、可追溯到责任人，达到制造过程的透 明化和可视化的目标。 本文针对上海某模具有限公司的现状，以物联网技术的应用为基础，建立 了基于物联网的可视化监控系统的模型，通过物联网的感知技术实现了制造过 程的数据感知和处理、电子看板技术实现了制造过程的可视化，最终设计和开 发了一套基于物联网的制造过程可视化监控原型系统。本文的主要内容如下： 物联网环境下可视化监控系统的架构 面向制造过程实时监控的数据感知和数据处理 制造过程可视化的表达 制造过程可视化监控原型系统的开发与应用 论文总共有六个部分，各个部分的内容概述如下： 第l 章：阐述论文的研究背景、课题来源以及课题研究的目的和意义；分 析国内外制造过程监控系统、物联网技术和可视化技术的研究现状，并指出已 有研究的不足和存在的问题；最后提出了本文的研究内容、章节安排以及论文 的组织结构。 第2 章：研究车间目前制造过程的现状以及存在的相关问题；分析了制造 过程可视化监控的数据感知对象，结合物联网技术和可视化技术，设计了制造 过程可视化监控系统的框架以及车间拓扑结构图。 第3 章：针对制造过程的物联网感知问题，研究了物联网的感知技术，构 建了物联网的角色感知模型，提出运用物联网的感知方式来全面感知制造环境， 设计物联网的中间件来实现对数据的预处理。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章：研究了可视化的参考模型，然后分析了制造过程可视化系统的用 户角色以及电子看板的可视化表达的原理，通过角色和电子看板实行多角色多 目标的映射，从而完成制造过程的全面可视化监控与管理。 第5 章：将本文的研究成果应用于实际企业中，研究制造过程可视化监控 原型系统的开发，并给出其应用过程。 第6 章：总结全文，对完成的主要工作和所取得的研究成果进行总结，并 对今后的研究方向进行展望。 1 5 本章小结 本章首先分析了课题的研究背景，接着分析了国内外制造过程监控、物联 网技术及可视化技术的研究现状，在此基础上指出了现有研究的不足，并介绍 了本文的研究目的和意义，最后提出了本论文的主要研究内容和组织结构。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于物联网的制造过程监控系统总体设计 2 1 引言 随着客户对产品的质量要求越来越高，制造过程的实时监控需求也越来越 迫切。企业必须摒弃实时性差、信息不全面的传统监控模式，提出一种新的监 控模式来取代它，从而满足客户需求日益多样化和个性化特点，提高企业市场 竞争力。本章针对离散制造企业的生产状况，分析了企业面临的实际问题，构 建了企业的感知对象模型，提出了物联网环境下的制造过程可视化监控系统的 总体解决方案和车间网络拓扑结构图。 2 2 制造过程可视化监控需求分析 上海某模具有限公司是一家典型的离散制造企业。近年来，一方面随着客 源的增多、订单任务的不断增加，另一方面企业内部却出现制造资源利用不足 等问题，从而由上层管理者下达到车间的订单任务只能部分按时完成，车间制 造过程的生产效率低下，已严重影响到企业的制造能力。因此，为了提高车间 生产效率，企业在进行车间业务流程再造的同时，需构建数字化生产车间，提 高车间零部件的制造水平和信息化水平，实现制造过程的全面可视化。通过对 企业现场考察，现阶段该企业在车间制造过程中主要有以下几方面的问题： ( 1 ) 离不开人的参与。由于订单的交货期短，同时制造过程采取的是黑箱 式操作，不利于企业实时了解生产的实时状况。目前，企业为了解决这一问题， 通过给每一个客户的订单都配备的订单跟踪员，这样起到了一定的监控作用， 但造成了人员的利用率降低。 ( 2 ) 制造过程容易出现质量和设备异常情况。由于车间设备故障上报具有 滞后性，导致底层信息反馈周期增长，加大了质量问题及时处理的难度和设备 维修的等待时间，影响了企业的正常生产。 ( 3 ) 制造过程管理缺乏有效的监控手段。上层管理人员不能实时获取车间 的设备实时运行状况以及工件加工等底层信息，制造执行过程状况不易掌握， 造成上层管理者作出的决策和管理具有盲目性。同时，管理人员对于在制造过 程中出现的意外情况不能及时有效地解决。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 信息资源共享程度低。以车间工艺人员制定的工艺规程为例，在加工 的过程中，工人不能从工艺规程中直接得到有用的加工指标数据，需要自己去 翻阅已存的大量工艺规程卡片，才能了解实际的加工步骤，信息无法实施共享， 降低了员工的工作效率。 ( 5 ) 可视管理度低。由于制造过程产生的大量信息，需经过由低向高的逐 步传递，最终才能到达企业最高层管理人员的手中，因此在逐渐向上级传递信 息的过程中，制造底层的信息会愈来愈偏离原有的事实，从而使管理人员对现 场不能及时地给出指令，管理生产。 由此可知，目前该企业车间暂时还没有形成一种科学、规范的生产管理模 式，严谨的生产计划以及制造过程的实时监控和反馈机制，从而造成了企业的 产品制造过程相对缓慢，进度不易掌握和控制，底层向上层传递信息具有滞后 性，业务流程的优化相对困难等问题，进一步的影响到车间的质量和交货期。 目前，车间的所有制造信息主要是以人工录入、传递和处理，相对于蓬勃发展 的自动识别技术而言，已有的采集方式能力差，错误率高，同时存在于车间各 个制造环节的信息时常堆积，难以及时地传递出去。特别是在不同的车间部门 运作时，制造过程信息丢失很多。即使在产品制造过程中能够有效地将这些信 息及时的传递出去，但是对于信息的接收者是否处于在岗状态或是否接收和执 行等情况都是难以预知的，从而制造过程各环节之间人为影响相对较重，甚至 可能会产生信息中断。因此，在定的程度上，车间产品制造的快速响应能力 是保证正常交货的有力保障。所以本文主要在数据自动采集和实时可视化显示 方面进行展开研究，期望提高车间信息的自动采集能力和展示能力。 为了解决以上的问题，本文作者通过与企业人员进行实际的交流与沟通， 初步认为制造物联可视化监控系统应该具有以下要求： ( 1 ) 实现对底层信息的自动采集。 目前，工厂车间数据的采集主要是通过人工或半人工的方式来实现，对底 层信息采集具有明显的滞后性，迫切需要物联网的全面感知能力来解决制造过 程信息的采集问题，从而提高车间数据采集的准确性、快速性。 ( 2 ) 实现制造过程的全面可视化 现有的管理者收集到的数据杂乱无章，无规律性，对车间的实施管理的作 用不是很大。然而，通过实现对企业制造的数据可视化，提供给管理者一个直 观易懂的可视化数据，便于企业对制造过程的管理。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 实现库存量和物料存放位置的合理化监控。 作为离散制造企业，原材料的实时供给是企业正常生产的基本保障之一。 对库存情况进行实时监控，一方面可以快速地响应客户订单，缩短生产周期； 另一方面可以对缺料进行及时补给，避免无料或库存积压严重等问题。 ( 4 ) 解决好企业制造全过程的实时监控。 在现有的企业体制模式下，各车间信息的交互主要是通过纸质的报表，这 样在传递的过程中容易出现差错，造成上层管理者与下层执行者的统计数据不 一致，从而给企业的决策提高了难度，不利于企业的一体化管理。 2 3 制造过程可视化监控的数据感知对象分析 随着企业的加工生产，这一过程必将会产生大量与制造过程息息相关的数 据，它是整个制造系统运行的基础，也是为管理层提供决策支持的有力保障。 只有将这些数据感知对象进行有效地划分，然后按照不同的感知方法，将这些 散落在车间的数据有效地集成和融合在一起，供上层管理者使用，才能逐步提 高企业的信息化水平。 制造过程的信息主要有四大类组成，分别为产品设计信息、制造资源信息、 工艺知识信息和生产状态信息。其中产品设计信息主要为零部件的设计模型图、 工程图和示意图；制造资源信息包括各类人员的基本信息，设备的基本信息等。 工艺知识信息包括制造零件过程中所需要的各种技术知识；生产状态信息包括 人员活动信息，设备工作状态信息，设备维护信息，人员、设备、产品的位置 信息等。同时，利用这些信息，可以实现对产品、人员和设备的实时监控和管 理。制造过程的信息类型如下表2 1 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 产品制造过程信息表 通过对制造过程信息类别的分析可知，企业现有的信息系统已对制造过程中 存在的大量信息进行了存储和管理，所以本文的监控系统所需要监控的数据主 要是生产状态信息，通过采用电子标签的方式来实时感知散落在车间的信息， 它主要包括订单实时状态信息、设备状态信息、物料信息、人员信息。制造过 程感知对象模型如图2 1 所示。 图2 1 制造过程感知对象模型 ( 1 ) 订单实时状态数据：主要包括订单形成状态、订单加工状态、订单运 输状态和订单到达状态数据的采集。订单加工状态是生产制造的关键环节，主 要包括该订单按照工序生产所需配置的人员、设备以及零件加工耗时等数据； 订单运输状态是指订单完成后交给客户的零件运输过程，主要包括车辆基本数 据、位置数据以及预计到达数据；订单到达状态数据是指订单交给客户签收的 具体信息。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 设备数据：主要分为设备的基础数据和运行状态数据，设备的基础数 据是指设备i d 号、设备型号、设备类型、设备名称、设备参数、设备性能和设 备所在位置等静态信息；设备运行状态数据主要包括设备停机、设备加工和设 备故障等状态的数据。设备停机状态主要是指设备等待对零件的加工或是由于 某种原因而无法参与生产的状态。设备加工状态是指机器在正常的运转之下， 员工通过机器设备对物料进行组织生产的状态。设备的故障状态主要是指机器 设备由于某种原因或者故障而无法正常工作的状态。通过对设备的实时状态数 据的采集，完成对设备的实时监控，可以为工艺编排人员编排设备加工排队顺 序提供基础依据。 ( 3 ) 物料数据：主要为物料存储状态、物料等待状态、物料加工状态和物 料报废状态。物料存储状态指即将准备投入生产加工而放置在仓库的状态；物 料等待状态是指物料已送至车间却没有被加工时的状