CN103165014B - 基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法及系统，它涉及车间布局模型和上位机管理软件，本发明将制造车间现场的复杂环境进行模型化，模拟出离散制造车间监控系统对物料加工过程的控制和管理的演示平台。其中用车间布局模型来模拟整个生产车间的机床以及数据采集设备的布局，用上位机管理软件模拟车间物联网的监控和管理系统。本发明集中演示了离散制造车间监控系统中对人员和物料在加工流转过程中的管理和监控，体现了离散制造车间监控系统相较于传统制造车间具有更高自动化程度和更高效的管理模式，对物联网应用于制造车间具有很高推广价值。

Description

基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法及系统

技术领域

   本发明涉及一种教学仪器，尤其是一种基于物联网的离散制造车间的演示技术，具体地说是一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法及系统。

背景技术

    目前，随着物联网技术的发展，对传统离散制造车间的数据管理产生了深远的影响。由于离散制造车间现场制造数据具有种类繁多、数据量大、状态复杂多变、数据异构性等特点，因此对各类制造数据进行准确、及时、科学的管理和应用，是提升制造企业整体信息化水平的基础条件。

车间物联网就是通过各种传感技术、无线射频识别（RFID）装置、红外感应器等各种装置和技术，实时采集工厂中任何需要监控、连接、互动的物体和过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，构建企业局域网并与互联网结合形成的一个巨大网络。以实现智能化识别、定位、监控和管理工厂中的人、设备、物料、工艺参数、生产进度、环境等各种生产要素，实现管理自动化。

车间物联网相较于传统制造车间具有明显优势：一是有效提高了企业对物料、人员、工具等一切生产要素的管理水平，从而提高管理人员的决策水平；二是有利于提高零件加工的效率、准确度和安全性等要素；三是很多生产环节无需人工干预，大大提高制造车间的自动化和信息化水平。

    为了提升我国的物联网制造技术，国内高校纷纷建立了相应的物联网制造专业，但由于离散制造车间远离教学点和相关的运行设备分散安装在车间中，无法直观地进行了解，使得教学效果较差，同时，对于较为成熟的离散制造车间在进行技术推广时，也不可能到现场进行介绍，因此设计一种可供教学和采购使用的能直观反映基于物联网的离散制造车间监控状态的教学演示系统是提高教学质量，使人们直观了解基于物联网的离散制造车间的工作过程就显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有基于物联网的离散制造车间的教学和推广因缺乏相应的演示系统而影响教学、推广效果的问题，发明一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法，同时提供一种相应的监控教学演示系统

本发明的技术方案之一是：

一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法，其特征是它包括以下步骤：

    首先，将基于物联网的离散制造车间的基本要求进行简化提取，形成车间布局模块和上位机模块，并车间布局模块与上位机模块进行通信，使模拟的车间加工状态直接在上位机模块上进行显示；

    其次，将车间布局模块分成8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，将所述的8个基本区域设置在一个展板的正面上，同时在展板对应的每个基本区域安装一个读写器，读写器通过串型总线连接到上位机模块，当有相配的IC卡进入读写器读写范围时，读写器先读取该IC卡的ID号，识别该IC卡对应的是人员、工具还是物料；如果是人员或者工具，则在上位机模块中显示其所在区域，并判断此时在该区域出现的人员和工具是否符合工艺流程设定的要求，如果不符则报警；如果该IC卡对应的是物料，则先判断此时该机床是否处于空闲，如果不是空闲状态则报警，表示该区域暂时无法进物料；如果机床处于空闲，则将该物料添加到待加工列表中；在读卡的过程中，上位机管理软件还能向卡中写入一些基本的加工或流转信息；

第三，用三色灯开关表示每个加工区机床的三种状态，即上电状态、加工状态和空闲状态，同时在展板的背面设置机床状态检测电路，机床状态检测电路通过无线方式将机床的状态发送到上位机模块对每台机床的状态进行实时显示；

最后，通过对所述的8个基本区域刷划IC卡、手动控制每台加工机床对应的三色灯开关即可在上位机模块中显示基于物联网的离散制造车间的实时工作状态和物流情况。

本发明的技术方案之二是：

一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示系统，其特征是它包括：

一上位机模块1，该上位机模块1包括设备管理软件模块、物料管理软件模块、流程监控软件模块和环境监控软件模块，它用于实时显示所模拟的离散制造车间的设备状态、物流状态和环境状态；

一模拟展板2，该模拟展板2的正面设有8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，在每个基本区域中均安装在读写器3，读写器3通过USB与上位机模块1进行通信；所述的车床区、铣床区、刨床区、磨床区和钳工区对应的模拟展板2的背面均连接有三色开关指示灯，分别表面加工区的上电、加工和空闲三种状态，三色开关指示灯均通过对应的光耦转换电路4与单片机5相连，单片机5将各加工区的工作状态通过无线通信模块6发送至上位机模块1中进行实时显示；所述的三色开关指示灯、光耦转换电路4、单片机5和无线通信模块6均位于模拟展板2的背面。

一模拟用IC卡，该IC卡用于与展板上的8个基本区域中的读写器配套，模拟人员、物料或工具在离散制造车间的运行，它包括人员卡、工具卡和物料卡三种。

所述的无线通信模块6为ZigBee 无线通信模块。

所述的模拟展板2的背面还安装有作为环境因素检测电路的温度传感电路7。

本发明的有益效果：

本发明集中演示了离散制造车间监控系统中对人员和物料在加工流转过程中的管理和监控，体现了离散制造车间监控系统相较于传统制造车间具有更高自动化程度和更高效的管理模式，对物联网应用于制造车间具有很高推广价值。

本发明通过可视化模拟，使得学习者和购买者有身临其境的感觉，有利于提高教学质量和推介效果。

本发明将制造车间现场的复杂环境进行模型化，模拟出离散制造车间监控系统对物料加工过程的控制和管理的演示平台。其中用车间布局模型来模拟整个生产车间的机床以及数据采集设备的布局，用上位机管理软件模拟车间物联网的监控和管理系统。

本发明为国内传统的制造车间、物联网的研究者等用户提供了演示车间物联网的具体应用过程和效应的系统，对推广物联网在制造业车间的改造和应用，提高国内传统制造车间的生产和管理水平，实现物联网在制造业中的普及具有十分重要的作用。

附图说明

    图1是本发明总体结构示意图。

图2是本发明的车间布局模型图。

图3是本发明的机床状态检测电路原理框图。

图4是本发明的上位机管理软件工作流程图。

图5是本发明的上位机管理软件监控界面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-3。

一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法，它包括以下步骤：

    首先，将基于物联网的离散制造车间的基本要求进行简化提取，形成车间布局模块和上位机模块，并车间布局模块与上位机模块进行通信，使模拟的车间加工状态直接在上位机模块上进行显示；

    其次，将车间布局模块分成8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，将所述的8个基本区域设置在一个展板的正面上，同时在展板对应的每个基本区域安装一个读写器，读写器通过串型总线连接到上位机模块，当有相配的IC卡进入读写器读写范围时，读写器先读取该IC卡的ID号，识别该IC卡对应的是人员、工具还是物料；如果是人员或者工具，则在上位机模块中显示其所在区域，并判断此时在该区域出现的人员和工具是否符合工艺流程设定的要求，如果不符则报警；如果该IC卡对应的是物料，则先判断此时该机床是否处于空闲，如果不是空闲状态则报警，表示该区域暂时无法进物料；如果机床处于空闲，则将该物料添加到待加工列表中；在读卡的过程中，上位机管理软件还能向卡中写入一些基本的加工或流转信息；如图1所示。

第三，用三色灯开关表示每个加工区机床的三种状态，即上电状态、加工状态和空闲状态，同时在展板的背面设置机床状态检测电路，机床状态检测电路通过无线方式将机床的状态发送到上位机模块对每台机床的状态进行实时显示；

最后，通过对所述的8个基本区域刷划IC卡、手动控制每台加工机床对应的三色灯开关即可在上位机模块中显示基于物联网的离散制造车间的实时工作状态和物流情况。

本发明创造性地将离散制造车间系统的一些基本要素进行简化并提取，设计出一种基于物联网的离散制造车间监控演示系统。该系统主要包括硬件平台和上位机管理软件两大模块，其中硬件平台包含车间布局模型、读写器和机床状态检测电路。

车间布局模型一共包含8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，每个区域都布置了一个读写器，读写器通过串型总线方式连接到上位机，如图2。

在该车间布局模型中，每台机床均包含三种状态，分别为上电状态、加工状态和空闲状态。当机床处于空闲状态，此时该区域才能进物料；当机床处于加工状态时，表示该区域有零件正在加工，当退出加工状态时，表示一个零件加工完毕。其中加工状态和空闲状态不能同时存在。

机床状态检测电路用来检测车间布局模型中的机床所处的状态，并且将检测到的每台机床实时状态通过有线或无线的方式发送给上位机进行管理和监控，如图3。

环境因素检测电路用来检测车间环境的实时环境信息，比如温度、烟雾度、粉尘度等，判断车间环境是否出现异常。

软件管理系统主要包含4个模块，分别为设备管理、物料管理、流程监控和环境监控。软件管理系统的主界面与车间布局模型展板界面相似，用来实时监控当前人员和物料的流转信息。

实施例二。

如图1-5所示。

一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示系统，它包括上位机模块1、模拟展板2和模拟用IC卡，上位机模块1包括设备管理软件模块、物料管理软件模块、流程监控软件模块和环境监控软件模块，它用于实时显示所模拟的离散制造车间的设备状态、物流状态和环境状态，如图1、5；模拟展板2的正面设有8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，在每个基本区域中均安装在读写器3，读写器3通过USB与上位机模块1进行通信，如图1、2所示；所述的车床区、铣床区、刨床区、磨床区和钳工区对应的模拟展板2的背面均连接有三色开关指示灯，分别表面加工区的上电、加工和空闲三种状态，三色开关指示灯均通过对应的光耦转换电路4与单片机5相连，单片机5将各加工区的工作状态通过ZigBee无线通信模块6发送至上位机模块1中进行实时显示；所述的三色开关指示灯、光耦转换电路4、单片机5和无线通信模块6均位于模拟展板2的背面，如图3所示。IC卡用于与展板上的8个基本区域中的读写器配套，模拟人员、物料或工具在离散制造车间的运行，它包括人员卡、工具卡和物料卡三种。具体实施时所述的模拟展板2的背面还安装有作为环境因素检测电路的温度传感电路7。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

详述如下：

图1是本发明基于物联网的离散制造车间监控演示系统的总体结构，其中包括车间布局模型和上位机管理软件。

图2是本发明根据制造车间的生产要素简化提取出的车间布局模型。在模型中一共包含车间8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区。

在车间布局模型中，每个区域都布置了一个IC卡读写器，并且用IC卡表示车间中用来标示人员、物料和工具的标签。这8个读写器通过USB集线器连接到上位机进行通信。当读写器检测到该区域有IC卡时，先读取该卡的ID号，识别该卡对应的是人员、工具还是物料。如果是人员或者工具，则在上位机管理软件中显示其所在区域，并判断此时在该区域出现的人员和工具是否符合工艺流程设定的要求，如果不符则报警。如果该卡对应的是物料，则先判断此时该机床是否处于空闲，如果不是空闲状态则报警，表示该区域暂时无法进物料；如果机床处于空闲，则将该物料添加到待加工列表中。在读卡的过程中，上位机管理软件还可以向卡中写入一些基本的加工或流转信息。

在车间布局模型中的5个机床区分别用红绿黄三个开关指示灯表示机床的三种状态。当按下红色开关指示灯时，表示这台机床已经上电，只有在红色开关指示灯被按下后，绿色和黄色指示灯才能进行操作。当按下绿色开关指示灯时，表示机床进入加工状态。其中加工状态和空闲状态不能同时存在，即绿色和黄色开关指示灯不能同时按下。只有当机床处于空闲状态时，才能将物料加入该机床区的待加工区列表。

在车间布局模型（展板）的背面布置有机床状态检测电路，电路原理框图如图3所示。机床状态检测电路主要包括四个模块，分别为指示灯开关电路模块、光耦转换电路模块、单片机单片机和ZigBee模块。本发明中使用的主控制芯片是51系列单片机。车间布局模型中的开关指示灯电压为24V，所使用的指示灯开关是双触点，通过接线实现只有红色指示灯亮时绿色指示灯和黄色指示灯才能亮，且绿色指示灯和黄色指示灯不能同时亮。因为单片机能检测的信号是5V电压信号，机床状态检测中设计了多路独立的24V电压信号转5V电压信号的光耦转换电路。单片机最小系统用来检测指示灯开关状态，并且将检测到的信号以一定的数据格式从串口通过ZigBee发送给上位机。单片机最小系统主要包括复位电路、电源模块、晶振模块和串口模块。ZigBee用来实现单片机系统和上位机之间的无线通信，其中ZigBee模块与单片机最小系统之间通过串口相连。

环境因素检测模块中，在车间布局模型中暂时只加入了温度检测模块，用来实时检测车间温度信息，并且将温度信息通过ZigBee发送给上位机。为了提高环境检测的精度，本发明中采用的是DS18B20温度传感器。

上位机管理软件主要包括设备管理、物料管理、流程监控和环境监控4个基本功能模块，它可直接采用现有的离散制造车间中作用的相关软件加以适应改造而成。该软件的工作流程如图4所示。软件监控界面如图5所示。首先打开软件，登陆监控界面，在执行监控任务前，所有设备会上电自检，如果设备未连接则在监控界面中该区域的100中显示设备故障，等待故障诊断，其它区域正常开始监控。当车间布局模型中的某个开关指示灯按下时，上位机界面对应区域101中对应的灯也会亮，表示目前机床所处状态。当某区域有物料进入时，102中就会显示有一个物料进入，并且将该物料加入待加工列表。点击待加工区103会显示当前该区域的待加工列表。如果该区域中有人员进入，则104中会显示当前该工位操作人员信息。车间布局模型中105用来显示车间环境温度。

在上位机管理软件运行过程中，系统中检测到有标签读入，则先判断该标签ID号对应的是人员，工具还是物料。如果是人员和工具，则将其显示在对应的区域，并且判断当前区域内的人员和工具是否符合工艺流程设定，如果不是则报警；如果该标签ID号对应的是物料，则先检测当前机床状态是否为空闲，如果空闲则将该物料加入该工位的待加工列表，否则就报警。当机床状态发生改变时，将当前机床的状态显示在界面上，如果此时机床由正在加工状态变成加工完成状态，说明此时一个零件加工完毕，则将加工列表最上方的一个待加工物料记录消除。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示方法，其特征是它包括以下步骤：

    首先，将基于物联网的离散制造车间的基本要求进行简化提取，形成车间布局模块和上位机模块，并车间布局模块与上位机模块进行通信，使模拟的车间加工状态直接在上位机模块上进行显示；

    其次，将车间布局模块分成8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，将所述的8个基本区域设置在一个展板的正面上，同时在展板对应的每个基本区域安装一个读写器，读写器通过串型总线连接到上位机模块，当有相配的IC卡进入读写器读写范围时，读写器先读取该IC卡的ID号，识别该IC卡对应的是人员、工具还是物料；如果是人员或者工具，则在上位机模块中显示其所在区域，并判断此时在该区域出现的人员和工具是否符合工艺流程设定的要求，如果不符则报警；如果该IC卡对应的是物料，则先判断此时机床是否处于空闲，如果不是空闲状态则报警，表示该区域暂时无法进物料；如果机床处于空闲，则将该物料添加到待加工列表中；在读卡的过程中，上位机管理软件还能向卡中写入一些基本的加工或流转信息；

第三，用三色灯开关表示每个加工区机床的三种状态，即上电状态、加工状态和空闲状态，同时在展板的背面设置机床状态检测电路，机床状态检测电路通过无线方式将机床的状态发送到上位机模块对每台机床的状态进行实时显示；

最后，通过对所述的8个基本区域刷划IC卡、手动控制每台加工机床对应的三色灯开关即可在上位机模块中显示基于物联网的离散制造车间的实时工作状态和物流情况。

2.一种基于物联网的离散制造车间监控教学演示系统，其特征是它包括：

一上位机模块（1），该上位机模块（1）包括设备管理软件模块、物料管理软件模块、流程监控软件模块和环境监控软件模块，它用于实时显示所模拟的离散制造车间的设备状态、物流状态和环境状态；

一模拟展板（2），该模拟展板（2）的正面设有8个基本区域，分别为物料区、车床区、铣床区、刨床区、磨床区、钳工区、质检室和成品区，在每个基本区域中均安装在读写器（3），读写器（3）通过USB与上位机模块（1）进行通信；所述的车床区、铣床区、刨床区、磨床区和钳工区对应的模拟展板（2）的背面均连接有三色开关指示灯，分别表面加工区的上电、加工和空闲三种状态，三色开关指示灯均通过对应的光耦转换电路（4）与单片机（5）相连，单片机（5）将各加工区的工作状态通过无线通信模块（6）发送至上位机模块（1）中进行实时显示；所述的三色开关指示灯、光耦转换电路（4）、单片机（5）和无线通信模块（6）均位于模拟展板（2）的背面；

一模拟用IC卡，该IC卡用于与展板上的8个基本区域中的读写器配套，模拟人员、物料或工具在离散制造车间的运行，它包括人员卡、工具卡和物料卡三种。

3.根据权利要求2所述的监控教学演示系统，其特征是所述的无线通信模块（6）为ZigBee 无线通信模块。

4.根据权利要求2所述的监控教学演示系统，其特征是所述的模拟展板（2）的背面还安装有作为环境因素检测电路的温度传感电路（7）。