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三峡大学:基于IPv6的装配过程监测系统的设计

  近几年来,随着物联网技术的快速发展与广泛应用,物联网技术在智能制造战略中的作用日益凸显,目前中国己经将物联网技术列入国家智能制造发展与实施战略专项,在国家智能制造发展与实施战略的支撑下,射频识别、机器视觉、传感器网络等物联网关键技术已经在机械制造业得到广泛应用,并推动机械产品制造系统逐渐向“多维度、透明化、智能化”方向发展[1]。在当前形势下,研究如何运用物联网与互联网技术采集生产过程信息并实?#20013;?#24687;化的制造过程监测,有利于相关管理人员便捷地实时掌握人员的考勤信息、设备的运转情况、物料的流动情况、产品关键工序的质量波动情况等信息;与此同时,信息化的生产过程监测还可以作为制造执行系统中的一个功能模块,与企业的ERP系统的实现数据共享,从而大大提高企业的管理能力[2]。

  因此,?#31350;?#39064;面向产品的装配过程,研究物联网技术在装配过程监测中的应用,并针对生产数据中的数据进行采集、分析和处理,以实现对装配过程的监测,最后对装配过程监测系统的功能进行建模分析,并设计系统数据库,为未来装配过程监测系统的开发工作打下基础。

  1 机械类产品装配生产过程监测体系分析

  1.1 装配生产过程的特点

  制造业从生产的产品种类和制造的工艺上来看总体可分为两类,即流程制造与离散制造。流程制造业是指生产物料按?#23637;?#33402;顺序,均匀连续地输送,不断改变其物理与化学形态和特殊性能,而形成产品的制造方式。离散制造业是指将不同的元?#32771;?#25110;子系统组合成为最终成品的生产形式。

  装配生产过程是以零件或零?#32771;?#20026;原材料,按照“组件装配-?#32771;?#35013;配-总装配”的流程进行,是典型的流水型生产[3],具有离散性、复?#26377;浴?#21160;态性的特征。

  1.2 装配过程监测的目标

  制造业装配过程监测是采用监测软件对现场实时数据进行采集、处理、储存以及可视化,最终产生相应的控制指令并返回监测系统,指导整个装配活动的进行与改善,从而构成一个循环控制回路[4]。

  (1)监测目标?#21644;?#36807;对现场各种生产状态进行实时的数据采集,对数据分析处理以及进一步的挖掘,并将最终的分析结果进行可视化处理,来?#20174;?#29983;产过程的各种动态状况。

  (2)监测对象:装配活动中生产?#23548;?#19982;监控目标相关的?#20984;?#23454;体,包括现场?#23548;?#30340;工作人员、生产设施以及生产物?#31995;取?/p>

  因此,通过对装配过程的监测能及时发现装配过程中的瓶颈工序,实现生产平衡,提高生产节?#27169;?#36890;过对?#23548;?#22312;制品和零件的实时监测,实行?#23548;?#24211;存控制,降低库存;通过对生产制造过程的全方位监测与控制,不断进行改善[5]。

  2 装配过程监测总体方案设计

  装配过程监测是以采集各种现场信息采集技术和现场信息分析处理技术为主要手段,实时监测机械产品装配过程中的员工、设备、物料流动等信息,达到在一定程度上对整体实现有效监控的目的。通过上述对装配过程的生产数据进行分析,可知其中的部?#36136;?#25454;是需要提前录入系统数据库中的,即产品与工艺信息、作业计划与?#23548;?#29289;流方案、制造资源信息。装配过程信息中除了设?#24863;?#24687;可借助设备自身的采集能力采集外,其它数据还需要运用一些物联网设备进行采集。

  针对不同的装配过程信息的类型,需要运用不同的设计和信息采集策略,目前国内外的研究主要考虑运用RFID标签和?#21015;?#22120;采集装配过程中的物料与在制品流动情况以及操作人员的信息[6],运用振动传感器、温度传感器等采集加工设备的状态信息,通过采集机床的振动信号判断机床的主轴、轴承、齿轮箱等关键?#32771;?#30340;运行状态信息,通过游标卡尺、千分表、三坐标测量仪等检测装置采集关键工序的装配质量信息[7]。

  由于运用到的物联网设备接口的通讯协议都不尽相同,有学者考虑对不同接口的类型数据进行整合,统一在数据传输链路层运用TCP/IP协议,从而简化数据传输网络的结构[8]。而目前物联网的发展已经遇到了瓶颈,即目前的IPv4已经无法满足物联网本身海量的智能设备在接入互联网时对IP地址的大量需求,而IPv6的地址空间正好可以解决此问题[9]。随着互联网的发展,IP网络的可扩展性、稳定性和通用性已经得到了肯定,因此IPv6将是物联网发展的最佳方向[10]。从可?#20013;?#21457;展的眼光来看,可以预见未来制造业物联网的应用标?#23478;不?#26397;着IPv6的方向发展,因此本文提出了一种IPv6网络下的装配?#23548;?#20449;息采集方案,其中感知层的传感器节点与RFID?#37327;?#22120;均支持6LoWPAN(IPv6 over IEEE 802.15.4,基于IPv6的?#20984;?#32791;无线个域网)网络,6LoWPAN相对于传统的Zigbee网络有以下几个优点[11]:更好的互操作性、更大的封包负载数据空间、更高的安全性。

  在采集了各类数据后,除了需要将采集到的生产信息可视化地显示在?#23548;?#31649;理层终端上,还需要根据采集到的装配过程数据信息分析装配过程的稳定性。?#21592;?#24037;人在?#23548;?#31649;理层的终端处做出相应的判断及操作[12]。

  综上所述,可设计出如图1 所示的物联网环境下的装配过程监测体系结构。

  在图1中,感知层由支持6LoWPAN的传感器节点和RFID?#37327;?#22120;、及其它物联网感知设备构成,前者通过支持IPv6的边界路由器通过无线的方式传输到服务器,后者则通过应用网关的方式,将其它不支持IPv6网络协议的设备经应用网关将信息通过IPv6网络传输到服务器中[13]。

  图1 装配过程监测体系的结构示意图

  3 装配过程的生产数据分析

  装配过程的生产数据是装配全过程中所有数据的总和,包括从制定生产计划到产品装配生产结束并存入仓库整个时间段,涉及到装配过程的各个方面,因此,对信息进行准确而有效的分类和分析,是数据处理、数据应用和数据建模的重要基础[14]。在装配过程中,基于物联网设备所采集的动态数据主要用于装配过程的监测,完成装配工作后,部分现场数据可存入产品履历表中进行保存,来提高?#23548;?#29616;场数据采集以及数据追溯的完整性与高效性。

  本文参考相关文献,将装配过程生产信息分为以下五大类[15]:产品及工艺信息、作业计划与?#23548;?#29289;流信息、制造资源信息、装配过程信息和产品履历信息。

  4 装配过程信息采集方法的研究

  4.1 人员与物料信息采集方法

  4.1.1 RFID简介

  RFID技术在上个世纪90年代开始得到广泛应用,它通过磁场技术将射频信号无接触地传递出去,从而实现传递数据、识别目标的功能[16]。它由标签和?#21015;?#22120;(固定式与手?#36136;劍?#32452;成,其工作原理如图2 所示。

  图2 RFID工作原理图

  在标签内的线圈进入?#21015;?#22120;磁场后,可以接收到?#21015;?#22120;发出的射频RF信号,将标签中的信息利用感应电流的能量发?#32479;?#21435;;或者由标签发出特定频率的信号,?#21015;?#22120;接收到信息经过解码再送至上位机进行数据

  的处理[17]。RFID非常适合用于制造过程物料状态的管理,它具有读取方便快捷、识别速度快、数据容量大、应用?#27573;?#24191;、使用寿命长、动态通信实时性强、标签数据可动态更改、安全性高等优点[18]。

来源:中国教育网作者:?#28304;?#21326; 张毅娜 胡恒星
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