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    1　概述

    蒸汽機(jī)的發(fā)明和以機(jī)器生產(chǎn)代替手工勞動將人類社會帶入了第一次工業(yè)革命；電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，以及電力的廣泛應(yīng)用掀起了第二次工業(yè)革命的高潮；繼此之后，科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為直接生產(chǎn)力的速度加快，以原子能、電子計算機(jī)、空間技術(shù)和生物工程的發(fā)明和應(yīng)用為主要標(biāo)志，第三次工業(yè)革命拉開了序幕。數(shù)字化革命使傳統(tǒng)工業(yè)更加機(jī)械化、自動化，從而減少了工作成本，使整個社會的運(yùn)作模式徹底改變。科學(xué)技術(shù)發(fā)展如此之快，有人甚至已經(jīng)開始宣稱第四次工業(yè)革命即將到來。

    智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，減少人工干預(yù)，及時正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，合理安排生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)進(jìn)度。智慧工廠由機(jī)器構(gòu)成的團(tuán)體將自行組織，設(shè)備和被處理對象將自動相互協(xié)調(diào)，從原料入庫到最終變?yōu)槌善罚恳坏拦ば蛑械淖詣踊O(shè)備都能從被處理對象處獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，用于確定自身工作流程。它的實(shí)現(xiàn)基于“信息物理系統(tǒng)（CPS）”，通過使用微型處理器、存儲裝置、傳感器和發(fā)送器來實(shí)現(xiàn)，這些裝置被嵌入幾乎所有機(jī)器和材料以及用于組織數(shù)據(jù)流的智能工具中。通過這些技術(shù)使被處理對象和機(jī)器能夠相互通信并交換命令。

    智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)在生產(chǎn)機(jī)器和被處理對象間建立起了一條溝通的紐帶：按照生產(chǎn)數(shù)據(jù)的要求，將被處理對象送到它該去的地方。智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)具有智能感知、智慧控制的特點(diǎn)，人對系統(tǒng)的干預(yù)和決策將大幅減少。

    2　實(shí)現(xiàn)的技術(shù)

    未來智慧工廠的物流控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)了生產(chǎn)設(shè)備和被處理對象的銜接，在系統(tǒng)中起到了承上啟下的作用。它以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用射頻識別（RFID）、光電感應(yīng)、紅外感應(yīng)器、超聲波感應(yīng)、激光掃描器、機(jī)械視覺識別等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將被處理對象與互聯(lián)網(wǎng)相連接。

    隨著近幾十年來控制技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軅鞲衅魅谌氲椒涸诰W(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)絡(luò)由原有的專用現(xiàn)場總線逐漸向以太網(wǎng)靠攏，從生產(chǎn)車間到辦公室和信息中心實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的一體化，云技術(shù)也在高速發(fā)展并普及，這一切都為工廠自動化系統(tǒng)的智慧控制奠定了基礎(chǔ)。下面就智慧工廠的物流控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)做一下簡要介紹。

    2.1　條碼識別技術(shù)

    條碼識別技術(shù)于20世紀(jì)中葉提出，近年來發(fā)展和普及很快。條碼識別技術(shù)集光、機(jī)、電和計算機(jī)技術(shù)為一體，是將數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集并輸入控制系統(tǒng)的重要方法和手段。實(shí)現(xiàn)了信息的快速、準(zhǔn)確獲取與傳輸，是信息管理系統(tǒng)和管理自動化的基礎(chǔ)。條碼技術(shù)有機(jī)地聯(lián)系了各行各業(yè)的信息系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)物流和信息流的同步提供了技術(shù)手段，有效地提高了供應(yīng)鏈管理的效率。除用于信息承載和跟蹤外，條碼識別技術(shù)還應(yīng)用于高速移動設(shè)備的定位等。條碼識別技術(shù)一般涉及到兩個部分：條碼標(biāo)簽和條碼閱讀器。條碼標(biāo)簽負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的承載，條碼閱讀器負(fù)責(zé)解碼和數(shù)據(jù)交換。條碼標(biāo)簽上的條形碼有一維碼和二維碼之分，如圖1所示。目前，一維碼在物流控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但二維碼在密度、糾錯能力、可表示的內(nèi)容等方面都優(yōu)于一維碼，替代一維碼已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢。
 

    圖1 一維碼與二維碼對比

    2.2　射頻識別技術(shù)（RFID）

    射頻識別技術(shù)（RFID）是實(shí)現(xiàn)物與物間信息交換的主要技術(shù)手段，分為了兩個主要部分：嵌入到設(shè)備中的讀寫單元和嵌入到物料（容器）中的載碼體（TAG）。讀寫單元一般包含了天線、讀寫模塊和通訊模塊。載碼體中一般包含了耦合元件和存儲單元。載碼體進(jìn)入磁場后，接收讀寫單元發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），讀寫單元讀取信息并解碼后，送至控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將控制系統(tǒng)相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)寫到載碼體中，如圖2所示。
 

圖2 RFID系統(tǒng)示意圖

    RFID產(chǎn)品分為無源RFID、有源RFID、半有源RFID三大類。現(xiàn)階段以無源RFID應(yīng)用最為廣泛。無源RFID屬于近距離接觸式識別類。其產(chǎn)品按工作頻率分為低頻125kHz、高頻13.56MHz、超高頻915MHz等類型。在物流控制系統(tǒng)中高頻和超高頻RFID應(yīng)用最多。例如在煙絲裝箱系統(tǒng)中使用高頻RFID對煙絲重量、水分、批次等信息進(jìn)行記錄和跟蹤、在成品件箱聯(lián)運(yùn)中使用超高頻RFID對托盤上的件箱品牌、生產(chǎn)日期等信息進(jìn)行記錄和跟蹤等。

    與條碼識別技術(shù)相比，射頻識別RFID具有以下優(yōu)勢：

    （1）可以隱藏在包裝內(nèi)部。無論是激光式掃描還是拍照式條碼識別器都需要讀寫器能捕獲條碼影像，當(dāng)條碼標(biāo)簽被遮擋時無法進(jìn)行識別。此外，條碼讀取過程還受光源、景深、視野等條件的限制。使用RFID就可以突破這些限制。只要載碼體處在感應(yīng)范圍內(nèi)，讀寫單元就能與其進(jìn)行信息交換。而感應(yīng)范圍可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，例如高頻RFID閱讀器通常可以讀取幾厘米范圍內(nèi)的載碼體，超高頻RFID讀寫單元可以讀取幾米內(nèi)的載碼體，自帶電池的主動標(biāo)簽，有效識別距離可達(dá)到幾十米；

    （2）可靠的封裝。經(jīng)過特殊工藝封裝的載碼體可以滿足高溫、油漬、粉塵、潮濕等惡劣環(huán)境應(yīng)用的需求，可以嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上；

    （3）信息數(shù)據(jù)容量大。數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼（PDF417），最多也只能存儲2725個數(shù)字；若包含字母，存儲量則會更少；RFID載碼體則可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)充到數(shù)十K的數(shù)據(jù)容量；

    （4）載碼體所承載的數(shù)據(jù)可動態(tài)更改。支持讀寫操作的載碼體可以通過讀寫單元更新數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)物料（容器）與機(jī)械設(shè)備信息的交互，寫入時間比打印條形碼更少，從根本上使物與物間對話成為可能。

    目前RFID技術(shù)已經(jīng)在自動化物流控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

    2.3　機(jī)械視覺識別技術(shù)
 

圖3 機(jī)械視覺識別

    機(jī)器視覺是一種具有眼睛系統(tǒng)的機(jī)器。它將計算機(jī)的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性, 與人類視覺的高度智能化和抽象能力結(jié)合在一起，通過對目標(biāo)物體圖像的采集和處理得出分析結(jié)果，并上傳到控制系統(tǒng)。機(jī)器視覺識別系統(tǒng)（如圖3所示）的應(yīng)用減少了人工對自動化系統(tǒng)決策的參與，使得物流控制系統(tǒng)自動化程度得以進(jìn)一步提升。與射頻識別的物與物對話不同，視覺識別直接對被處理對象的外形、顏色、明暗等屬性進(jìn)行判斷，機(jī)械設(shè)備根據(jù)判斷結(jié)果決定處理工藝及物流方向，無需與被處理對象直接對話。機(jī)器視覺識別系統(tǒng)一般包括：光源、照相機(jī)系統(tǒng)、圖像處理單元、圖像處理組態(tài)軟件、監(jiān)視設(shè)備、通訊輸入輸出單元等。它為機(jī)器設(shè)備增加了一雙眼睛，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自主判斷的功能。

    2.4　網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

    在智慧工廠的愿景之下，物流控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸依賴于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)通信平臺，如圖4所示。眾多的工控廠家已經(jīng)逐漸將自己的工業(yè)現(xiàn)場總線向基于以太網(wǎng)技術(shù)的通訊技術(shù)靠攏。菲尼克斯電氣從全球最早的總線產(chǎn)品INTERBUS轉(zhuǎn)向全面的以太網(wǎng)解決方案，支持市面上的大部分工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線；西門子（SIEMENS）公司在PROFIBUS DP之后開始主推PROFINET相關(guān)產(chǎn)品；羅克韋爾自動化（ROCKWELL Automation）公司在Control Net、DeviceNet之后開始主推EtherNet/IP產(chǎn)品；2003年起，倍福公司傾力推廣EtherCAT實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)……雖然這些工業(yè)以太網(wǎng)為了保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性，與辦公網(wǎng)絡(luò)略有差異，但他們都已經(jīng)融合了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流從生產(chǎn)設(shè)備到信息中心的傳遞。

    工業(yè)以太網(wǎng)在滿足實(shí)時性要求的同時，提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬，相同時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)承載的信息量大大增加，而WIFI、WiMax、4G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)、WLAN、NFC、藍(lán)牙、Zigbee等無線泛在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及為實(shí)現(xiàn)人和物、物和物之間的對話提供了更多的手段，使云處理技術(shù)能夠延伸到更多的地方。
 

圖4 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)示意

    2.5　相關(guān)軟件技術(shù)

    目前，物流控制系統(tǒng)中底層控制軟件實(shí)現(xiàn)了設(shè)備動作邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和共享，還需向與流程無關(guān)、智能化的方向發(fā)展；上位軟件平臺目前也未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，系統(tǒng)的物料管理、人員規(guī)劃和成本計算很多由企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)（ERP）來完成，生產(chǎn)作業(yè)控制由制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）完成，而這兩個系統(tǒng)與底層控制系統(tǒng)間還需要倉儲管理系統(tǒng)（WMS）和倉庫控制系統(tǒng)（WCS）來進(jìn)行協(xié)調(diào)，這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)之間不能順暢、完整地傳送。 因此，軟件技術(shù)需要提高的空間還很大。

    3 　對未來的思考

    通過以上對幾種技術(shù)的分析介紹，可以看出打造智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)已經(jīng)不再遙不可及，智慧工廠所需的很多基礎(chǔ)技術(shù)在目前的物流自動化系統(tǒng)中已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用。后面需要做的工作是如何把他們有機(jī)地整合到一起。這一整合與現(xiàn)階段的集成相比技術(shù)上要復(fù)雜得多，但集成的過程應(yīng)該更加簡單。現(xiàn)階段集成還處于比較低級的階段，設(shè)備的加入還需要人工進(jìn)行組態(tài)，并進(jìn)行系統(tǒng)編程。一旦設(shè)備發(fā)生變化或者工藝發(fā)生變化，需要人工對系統(tǒng)進(jìn)行從上到下的改造。

    隨著納米技術(shù)的發(fā)展，物流控制系統(tǒng)中的各種技術(shù)都將被嵌入到各類設(shè)備中，使其成為智能設(shè)備，由云計算管理中心統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排工作，使設(shè)備的集成更加“智慧”：智能設(shè)備控制將具有統(tǒng)一的接口，能實(shí)現(xiàn)“即插即用”。就如我們電腦中正在使用的USB接口設(shè)備一樣，無論是鼠標(biāo)、鍵盤還是U盤只要符合USB協(xié)議，連接到系統(tǒng)就能使用。智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)也與此相似，設(shè)備控制程序的調(diào)用自動進(jìn)行，設(shè)備之間應(yīng)能無縫集成、自動交互。

    智慧工廠中的物流控制系統(tǒng)將具有統(tǒng)一的管理軟件平臺，保證數(shù)據(jù)連續(xù)的同時，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的資源協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的計劃安排。最終實(shí)現(xiàn)減少人工干預(yù)，智慧控制，提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。目前，很多工控廠商、學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)、政府部門已經(jīng)把目光聚焦于物聯(lián)網(wǎng)、智慧工廠等前沿技術(shù)。相信不久的將來，自動化物流系統(tǒng)必將隨著工廠機(jī)械設(shè)備的智能化而轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑锪飨到y(tǒng)，它將在第四次工業(yè)革命中綻放光芒。

    參考文獻(xiàn)：

    [1] 李虹. 物聯(lián)網(wǎng) 生產(chǎn)力的變革[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2010.

    [2] 彭瑜. 智慧工廠: 從電氣化到智慧化[J]. 電氣工業(yè), 2013, 07.

    作者簡介

    穆建軍（1977-）, 男，云南鎮(zhèn)雄人，高級工程師，畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任昆明物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司電氣部副主任，副主任設(shè)計師，主要負(fù)責(zé)電控開發(fā)工作。

    曹月琴（1976-），女，四川邛崍人，高級工程師，現(xiàn)任昆明物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司電氣部設(shè)計室主任，副主任設(shè)計師，主要負(fù)責(zé)電控系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計工作。

    摘自《自動化博覽》3月刊