（一）车间制造，随时“对话”
1.工业以太网技术简介
工业以太网是基于IEEE802.3（Ethernet）的强大的区域和单元网络。工业以太网提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）以及国际互联网（Internet）提供的广泛应用不仅已经进入今天的办公室领域，而且还应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网（Fast Ethernet，符合IEEE802.3u的标准）也已成功运行多年。
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。这主要表现普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要，故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。其主要的优势如下：
（1）应用广泛。
以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C++、Java、Visual Basic等都支持以太网的应用和开发。
（2）通信速率高。
10Mb/s、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子ProfibusDP）。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快得多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。
（3）资源共享能力强。
随着Internet/Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。
2.现场总线通信方式及特点
传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统。其主要特点之一是现场层设备与控制器之间的连接是一对一的接线方式，信号传递——传送模拟量信息或传送开关量信息信号。传统方式的控制集成系统存在以下缺点：
（1）信息集成能力不强。
（2）系统不开放、可集成性差、专业性不强。
（3）可靠性不易保证。
（4）可维护性不高。
由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口如（RS-232/485）是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是I/O方式）完成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。
基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接起来，这样在设备层传递的不再是I/O信号（4-20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。
图3-4 自动化监控及信息集成系统
其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
（1）现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术，是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口连接）连接起来，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。
（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，将企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在计算机集成制造系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。
此外，基于现场总线的自动化监控及信息集成系统的主要优点有：
（1）增强了现场级信息集成能力。
现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好地满足工厂自动化及计算机集成制造系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性。
不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此市场上将有许多面向行业特点的监控系统。
（3）系统可靠性高、可维护性好。
基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。
（4）降低了系统及工程成本。
对大范围、大规模I/O分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。
3.工业以太网与传统通信方式对比
（1）通信系统物理层。
①现场总线：
●传输介质多数采用屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆，以解决长线传输、数据传输速率和电磁干扰等问题。也有无线传输方案，以适应不同场合需要。
●插件各种防护等级工业级的接插件。
●线供电及本质安全如IEC61158-2，用于流程控制及要求防爆功能的场合。
●编码异步、位同步曼彻斯特编码等。
●传输速率9.6K~12Mbps.
②以太网：
●传输介质采用UTP3类线、UTP5类线、屏蔽双绞电缆、光纤、同轴电缆，无线传输的解决方案。
●插件为RJ45,AUI,BNG.
●总线供电及本质安全。
●编码同步、曼彻斯特编码。
●传输速率为10M、100M.
（2）介质访问控制方式。
现场总线的介质访问控制方式需要满足工业控制网络的标准，在通信的过程中，实时性和确定性需要得到保障。其中，实时性指网络分配给站点的服务时间和间隔可以保证站点完成其确定的任务，确定性指站点每次得到网络服务间隔和时间是确定的。在目前的工业车间中，现场总线技术采用的介质访问控制方式主要包括令牌、主从、生产者客户（producer/consumer）。
对于工业以太网而言，CSMA/CD载波监听多路访问冲突检测是以太网（或IEEE802.3）所采用的主要介质访问控制方式，这是工业以太网（或IEEE802.3）的特点；或者采用令牌调度方式，这种方式是基于IEEE802.4令牌的总线网。根据CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）的原理，可以得知其不能满足工业网络通信的实时性和确定性要求。由于以太网与CSMA/CD具有对等的技术内涵，所以，可以说以太网不具有传统工业网络要求的实时性和确定性。
（3）数据的传输效率。
对于各种不同的网络，其对报文的长度有一个特定的限制。在网络报文中，除了有效传输数据之外，还有一些可作为同步、地址、校验等的附加字段。有效数据字段与附加字段之比反映的是网络中有效的数据传输效率，或者在传输过程中，一次有效数据传输的代价。通常网络传输的报文格式可表示如下：
表3-1
（二）支持精细化管控与一体化管理的RFID
从战略管理、宏观管理的角度来讲，我国的管理方式有自己的优势，擅长管理大局；而对于底层管理、作业层面以及大规模的作业管理，尚未具备足够的精细化。国内一些机械装配行业是典型的小批量、多品种、低利润的劳动密集型产业，所以，在运用现代管理工具时，普遍面临着ERP、MES以及PLM等系统应用的断裂现象。
仔细分析起来，这种断裂现象无外乎是由以下几个方面导致。一是生产线上的质量管控手段不足：由于熟练技术工人的缺乏，导致手工装配的产品质量稳定性无法保证，且难以支撑起问责机制。二是生产计划执行的进度难以精细管控：小批量生产导致粗放式管理的问题凸显，缺少对生产流程进行变化快速、多端的控制，致使生产管理模式效率低下，而且出错率高。三是滞后的生产调度难以适应生产现场的快速变化：生产现场调度，包括人员、订单、物料等其状态都需要实时信息的呈现，以实时作出相应调整。若缺乏实时的监测，依靠事后调整调度会严重滞后甚至可能与实际完全不相符合。四是管理系统和控制系统的不匹配：生产线自动化的水平，尤其是现场自动化在不断提高。而传统生产管理与底层生产控制之间的衔接主要以人为主。ERP针对控制系统中间的衔接部分依然要靠人工来实现。这两者间存在断层和脱节。
RFID技术能在底层管理发挥巨大作用，并配合宏观层面的决策。从局部环节而言，RFID技术能够逐步打通企业的物流连，实现生产物流的全程跟踪。而从更大范围来讲，目前很多企业的生产已经逐步过渡到实施企业级的RFID应用当中。RFID是实时获取数据的有效手段。它是一种实时的信息载体，其作用就是标识生产要素，包括在制品、物料、人员等，架构出一座生产要素和信息系统之间实时沟通、相互衔接的桥梁。而实时过程则是实现管控一体化基础和前提，将RFID管理系统和现场自动化系统。通过基于RFID的方式连成一体，就形成了生产过程管控一体化的方案。现在国内也开始了面向离散制造生产过程管理的RFID技术开发与应用等相关项目的研究，如利用RFID重点突破生产管理一体化的关键问题。在此基础上，还可以构建基于RFID的制造执行系统，通过车间控制器，将传统ERP系统的状态与现场每一个工位的控制器沟通，并根据每一个工位情况的不同，配置相应的设备，如RFID读感器等附属设备，使生产线现场通过执行系统和管理系统形成了一个有机的整体。这种一体化的体系结构可以概括为：用电子标签标识生产要素后，基于RFID的车间制造资源可以通过现场设备采集现场数据；这些数据通过实时的信息处理，使得管理层获得信息后作出相应的决策和措施，支撑企业实现精细化管控。
图3-5 一体化体系结构流程图
基于RFID的制造执行系统可以向上下游不断延伸，不断扩大管理层面。例如，可以向下游延伸，对物料进行管理。目前，企业的ERP都有物料管理，然而很多仅仅停留在门径管理的层面，物料的位置、库存盘点以及精确定位非常困难。利用该技术，能够实现物料在企业内部配送的实时管理。零配件厂若按照各自的标准为不同的企业配货，管理将会十分混乱，因此需要对物料周转设备、物料的装备进行规格化和标准化，通过管控一体化服务平台来规范执行统一标准，将大大降低供应商物料成本。所以，这时可以考虑建立一个面向整个机械装配行业的一体化服务平台。现在，这种第三方供应链平台已经出现，与企业内部的物流联成一体。该平台能够实现从供应商到总装厂、物流企业之间的联通，实现物流及其作业过程的一体化。未来，这部分的工作将进一步推进，以期取得更好的结果。RFID还可以实现全生命周期的一体化管理，即让RFID标签跟随产品出厂，获取从生产到分销、维修等一系列的信息。把生产等相关系统集成起来，最后构建一个涵盖产品设计，零部件采购、生产、仓储、分销、使用、回收、销毁以及再利用的一体化的平台。这将是未来发展的一大趋势。
南京航空航天大学数字化设计制造工程技术研究中心针对军工企业离散型制造车间管控存在的问题，进行了大量的研究。
军工制造业生产的产品型号变化多，交付时间严格，是典型的离散型制造。离散型制造是相对于流程型（连续型）制造来说的，主要是通过对原材料进行加工，使其物理形状进行改变，生成零件最后进行产品的组装。典型的离散型制造行业主要包括机械加工、汽车行业等。离散型制造具有以下几个特点：离散型制造企业的产品可以用BOM树将构成产品的零部件明确清晰地进行描述；离散型制造车间的每种产品都有不同的加工工艺流程，同时车间内机床的布局也没有固定的方式，工序之间的物料转移需要管理人员的宏观调度；人员密集，自动化水平低，产品的质量和生产率依赖于制造工人的技术水平；离散型制造车间现场是物流与信息流错杂交汇的场所，生产状况繁杂，不易掌控。
离散型制造企业的产能不像连续型企业主要由硬件（设备产能）决定，而主要以软件（加工要素的配置合理性）决定。同样规模和硬件设施的不同离散型企业因其管理水平的差异导致的结果可能有天壤之别，从这个意义上来说，离散型制造企业通过软件（此处为广义的软件，相对硬件设施而言）方面的改进来提升竞争力更具潜力。
在离散型制造车间生产过程中，各类数据不断产生，包括物料、设备、工装、工单、员工等多种信息，既有状态信息，又有实时信息。因此，能否对制造车间进行有效的数据管理直接影响着生产计划的执行，并最终影响企业的效益。目前，离散型制造车间数据管理主要面临以下几个问题：
（1）离散型制造车间现场数据种类繁多、数据量大。
车间是各类生产资源和生产者的聚集地，是各种信息交汇的场所。如此多的信息混杂在一起，必然会因数据种类繁多及数据量大导致生产过程的停滞，这样会严重影响生产计划的有效执行。
（2）制造数据状态复杂，采集困难。
目前，离散型制造车间生产过程的数据主要依靠人工采集和管理，通过在生产过程中记录下一些必要的生产信息，并按生产计划传递给下一环节，直至产品最终完工。然而，在生产过程中，有些制造数据状态极其复杂多变，按照传统的采集方法无法满足采集要求，因此一些重要的生产信息很难记录下来。实时状态数据的采集就成了离散制造车间生产的一个较大的难题。
（3）车间现场制造数据缺乏完整的统计分析。
传统的离散制造车间数据管理体系中，车间管理人员需要耗费较多的时间在数据的统计分析上，且这些数据存在准确性和实时性明显不足的缺点。这样管理层无法及时地了解现场的加工情况和资源情况，延误了生产计划的安排，导致整个生产效率的低下。
离散制造车间数据管理方面问题的根本原因是车间制造数据没有得到实际有效地采集和管理。因此，在基于物联网的离散车间生产过程中，通过RFID技术进行数据采集，并结合已有的网络技术、数据库技术和中间件技术等，用无数的电子标签和大量联网的读取器构成物联网，实现物体的自动识别和信息的互联与共享。为提高制造业信息化水平，以信息化带动工业化，在企业原材料供货、生产计划管理、生产过程管理、精益制造等方面，采用RFID等技术可以促进生产效率和管理效率的提高。通过物联网技术，将所采集到的数据在一个统一的数据管理平台中进行分析和统计，最终实现车间实时制造数据的管理，这是具有重要意义的。
离散型产品生产是将原材料加工成零件，经组装、部装和总装成为产品，主要包括以下特点：
（1）产品结构。离散制造的最终产品结构复杂，技术含量高。因产品种类多，尤其是非标产品较多，设备和操作人员必须有足够的灵活变通能力。
（2）生产组织复杂。在生产组织过程中，除了保证及时供料和零部件的加工质量外，重要的是控制零部件的生产进度，保证生产的成套性。如果生产的品种、数量不成套，就无法装配出成品。同样，由于少数零件的延期，必然也会延长整个产品的生产周期，从而蒙受因大量在制品积压和生产资金积压造成的损失。
（3）设备布置。对于多品种小批量离散制造企业，由于其工艺路线复杂多变，其生产设备按照工艺进行布置，因此从原材料的采购、在制品工序间的转移以及装配等都需要对每个产品的加工物料进行调度。而面向库存的大批量生产的离散型制造业，例如像汽车工业等，由于其工艺路线比较稳定，故按工艺过程布置生产设备。
（4）物料存储和运输。离散型工业企业的原材料和产品都是固体形状。因此，存储多为室内仓库或室外露天仓库。采购和分销的仓库在空间上是点状分布，各个网点是靠运输路线和运输工具连接。
（5）自动化水平。对于离散型制造，产品的质量和生产率很大程度上依赖于公认的技术水平，自动化主要在单元级，例如数控机床、工作中心、柔性制造系统等。因此，离散型制造业也是一个人员密集型行业，自动化水平相对较低。
（6）生产计划管理。典型的离散型制造业企业由于主要从事单件、小批量生产，产品的工艺过程经常变更，因此需要进行良好的计划。其BOM是树状层次型结构，产品物料较多，物料层次复杂，但物料数量、物料型号、生产过程固定，生产周期较长。通常情况下，由于生产过程可分离，订单的相应周期较长，辅助时间较多。
因此，对于离散型制造企业来说，尤其是对于生产大型复杂产品的离散型制造企业，生产管理工作十分繁重和复杂，其生产管理软件的开发也是众多ERP厂商认为最困难和关键的部分。所以在设计时紧抓生产类型的特点与要求，合理设计生产管理系统，使企业生产管理具备完整的知识体系和专业化的管理方法，使其在实用性和学术性两方面都得到较大收益。
“十二五”期间，南京航空航天大学项目组完成了相关企业物联网项目，该项目针对机加车间的需求及特点，研究基于物联网技术的产品现场制造要素联网和制造数据实时采集方法，为车间提供基于物联网的现场制造实时数据的系统解决方案和工具，突破了基于RFID的车间现场制造数据编码、基于柔性封装的物联网电子标签技术封装、基于物联网的现场制造数据融合、现场制造数据可视化、智能数据采集终端、基于紧密集成模式的应用集成接口、面向企业制造现场的物联网安全等关键技术，开发了相关硬件样机和软件系统。项目组研究工作及成果在应用范围、功能、系统架构、自主知识产权关键器件，及相关技术突破方面具有显著的特点和创新。
通过研究面向制造业数据采集技术，开发了应用于车间制造现场的多类数据采集终端，包括无线数显量仪、温度采集器、湿度采集器、烟雾采集器、普通车床数据采集器以及嵌入式智能数据终端等，开发了能够提供10种以上格式兼容（文档、图形、模型等）的手持式和固定式的交互电子看板。
通过对制造物联技术在生产现场的应用需求分析和关键技术研究，建立和开发了基于ZIGBEE的制造车间环境参数监控系统、基于RFID的离散制造车间实时定位系统和基于物联网的离散制造车间监控管理系统。
基于ZIGBEE的制造车间环境参数监控系统解决了制造车间环境下的通信问题，通过ZIGBEE无线传感器网络自动采集车间生产过程、设备与工作环境等数据，系统提供车间各设备及监测点的实际物理地址，实现监测点的数据管理、监视及服务。
图3-6 制造物联技术相关应用系统的开发成果
图3-7 基于ZIGBEE的制造车间环境参数监控系统
基于RFID的离散型制造车间实时定位系统针对离散型制造业过程追踪与生产可视化的需求，采用RFID等核心技术，对车间的生产要素进行实时的定位、追踪和追溯，实现生产的动态调度和车间的优化布局，提高生产效率。
图3-8 基于RFID的离散制造车间实时定位系统
基于物联网的离散制造车间监控管理系统针对离散制造业过程追踪与数据采集处理的需求，以RFID等物联网技术为基础，实现对人员和物料在加工流转过程中的管理和监控，提供了机床、刀具、量具等多类生产要素的监控管理功能，实现了车间生产过程的“透明化”。
图3-9 基于物联网离散型制造车间监控管理系统（一）
图3-10 基于物联网的离散型制造车间监控管理系统（二）
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