工业4.0背景下车间智能物联技术应用研究
刘植元 杨文茂 王忠平 吕明蔚 仲积峰
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266111）
摘 要：本文从车间生产特点出发，分析了工业4.0背景下的智能物联技术的应用前景，并根据加工车间对设备智能制造的需求，基于智能物联技术设计相应的系统架构，从而帮助传统装备制造业实现生产制造设备系统的智能化转变，以此推动传统装备制造企业由“半自动化”生产向“全自动化”和“智能化”生产模式的转型升级。
关键词：工业物联网；生产车间；智能物联；技术应用
1 智能物联技术特点介绍
随着工业4.0和中国制造2025行动纲领的提出，通过物联网技术、大数据和人工智能技术等技术的应用来构建工业物联网系统，从而向智能制造生产模式转变，以达到优化生产结构和提升生产价值的目的，已经成为了制造业未来一段时间的发展方向。在物联网和信息技术高速发展的今天，中国的工业4.0时代必将到来，应用智能物联技术提升生产制造技能，能够帮助制造业企业紧跟工业4.0的改革步伐，推动创新生产模式完成智能升级。
在工业互联网的构架上，结合智能物联技术可以完善车间生产控制系统，通过工业传感器和通信网络收集加工设备数据，完成数控加工中心等设备的加工和排产信息监测，实现车间加工设备间信息交互和数据互联。通过RFID技术、嵌入式感应器、激光扫描器和无线通信等智能物联技术，可以实时采集需要监控和交互设备制造信息，以此实现人和物、物和物之间的智能化感知、连接和控制。
RFID技术是非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别对象并获取相关数据。具有读取距离远、穿透能力强、无磨损、非接触、抗污染、效率高、信息量大等特点。被检测物体上贴有RFID标签，通过读写器读取一个或多个电子标签数据，并储存和传输到数据库中；传感器技术负责物联网信息的采集，是实现对现实世界感知的基础，也是物联网服务和应用的基础。传感器对被测对象的某一特定信息具有感受检出功能，并能按照一定规律转换成与之相对应的有用信号；无线通信网络技术结合传感器、嵌入式系统、现代网络及无线通信、分布式信息处理等技术，通过各类集成化的微型传感器协同实时监测、感知和采集环境及监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，实现加工设备间交互协同。
2 智能物联技术的设计架构
传统制造业的生产车间由多个加工单元构成，智能物联技术可以用于单元内部设备控制、单元间生产控制和辅助整个生产控制系统，实时分析加工制造信息并对实现设备加工能力和排产计划进行评估，通过反馈系统辅助生产实现更高效的车间设备加工利用率。
在传统的制造车间中，智能物联技术的应用可以分为三个层面：设备感知层、信息传输层和综合管理层。如图1所示，设备感知层是最关键的应用部分，借助射频识别技术、条码识别技术、红外激光扫描技术等，通过手持设备或嵌入式传感器来完成车间加工设备的信息数据集成，应用对象包括立体物料库、机械臂、AGV货运小车、加工中心等实体设备。
图1 智能物联技术的应用框架
信息传输层则是通过应用5G网络、无线通信网络技术和以太网等信息技术，构建起整个车间管理层和感知层之间的数据传输通道，从而可以感知层采集的加工设备的实时工况、加工信息和车间设备占用率等信息传递到管理层。
综合管理层是整个车间智能制造的数据核心，主要负责车间数据存储、设备数据处理、排产计划制定、网络管理维护等任务，利用大数据和云计算等数据处理技术，辅助管理人员对整个车间系统的数据进行分析整理，从而优化车间排产计划、设备加工工序、工时等基础作业，并对整个车间的物料调度和设备运行状况进行监控，保证整体生产的有序高效。
车间内的整个生产流程，都可以融合智能物联技术来优化控制管理，甚至实现整个工厂内各个车间不同网络间的信息融合，实现从物料入库到产品交付整个流程的信息共享和统一管理，可以说智能物联技术的应用是制造业走向智能化生产的必由之路。
3 智能物联技术应用前景
智能物联技术为先进制造业智能化转型创新产业模式提供了新的思路，通过和制造车间基础设施的深度融合，在物联网和5G技术的加持下，构建全新的“人、机、料、法、环”生产服务体系，从全生产要素、价值创造、产业联合等方面共同发力，助力制造业的智能化转型升级。
以轨道车辆制造业为例，在物料加工车间和车辆制造车间的生产管理过程中，借助RFID射频技术、激光红外传感技术等智能物联技术，可以建构智能的前端感应体系，提升数据挖掘能力、提高工位设备终端在生产中的自动化和智能化程度。通过RFID和条码扫描技术可以使得生产信息的录入实现自动化，减少人工劳动时间，同时传感器技术和无线通信网络技术构建的信息网络，可以实现人、机、物的泛在感知，融合设备加工的相关数据，并且依靠智能化系统实现自动计划排产、故障预测诊断、作业安全预警等功能，既保证了生产过程中数据采集的准确性和实效性，又可以有效减少了人力和资源成本的浪费。
基于RFID技术对关键配件和相关车辆进行编码和标识记录，可以实现车辆从装配到报废的全生命周期的车辆静态数据管理。进入物料中心和生产车间的所有物料信息都可以通过RFID扫描器、条码扫描枪等感应设备录入到数据系统中，既可以实时监控和更新设备作业状态，又可以实现多源数设备数据一体化综合处理调配。此外在维修售后方面，可以实现产品生产交付到维修的关键件全程跟踪，达到产品物料调度和物料追踪溯源的全方位监控。
在生产信息系统中融合大数据和云计算等智能物联技术，可以有效的提高信息系统的鲁棒性和稳定性，通过车间无线通信设备、信息网络和远程数据中心，可以实现生产数字模型、设备静态基础模型和动态加工模型的全要素整合，辅助管理人员远程追踪车间运行工况和设备状态，有利于实现生产资源的精准调配和排产计划的有效性，满足精益生产的需求。
4 结论
智能物联技术与先进制造业的结合，强调智能技术和硬件的升级，以数据采集设备替代人工录入，提升了生产作业的针对性，避免了设备产能和人力资源的浪费，形成整体、有效、高质量的生产作业流程。从计划、生产、维护等全环节全方位实现物料监控追踪和生产信息上传下达，大幅提升生产管理精度，优化物料和设备资源配置，减低总体生产成本。融合了智能物联技术所构建的智能化车间，符合先进制造业未来智能化生产的方向，对于推动产业转型升级和实现工业4.0下的智能制造具有重要意义。
参考文献：
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作者：刘植元，1994，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，硕士，青岛市城阳区锦宏东路88，13688657288，925983858@qq.com