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    1　概述

    蒸汽機的發明和以機器生產代替手工勞動將人類社會帶入了第一次工業革命；電磁感應現象的發現，以及電力的廣泛應用掀起了第二次工業革命的高潮；繼此之后，科學技術轉化為直接生產力的速度加快，以原子能、電子計算機、空間技術和生物工程的發明和應用為主要標志，第三次工業革命拉開了序幕。數字化革命使傳統工業更加機械化、自動化，從而減少了工作成本，使整個社會的運作模式徹底改變。科學技術發展如此之快，有人甚至已經開始宣稱第四次工業革命即將到來。

    智慧工廠是現代工廠信息化發展的新階段，在數字化工廠的基礎上，利用物聯網的技術和設備監控技術加強信息管理和服務，減少人工干預，及時正確地采集生產線數據，合理安排生產計劃和生產進度。智慧工廠由機器構成的團體將自行組織，設備和被處理對象將自動相互協調，從原料入庫到最終變為成品，每一道工序中的自動化設備都能從被處理對象處獲取相關數據，用于確定自身工作流程。它的實現基于“信息物理系統（CPS）”，通過使用微型處理器、存儲裝置、傳感器和發送器來實現，這些裝置被嵌入幾乎所有機器和材料以及用于組織數據流的智能工具中。通過這些技術使被處理對象和機器能夠相互通信并交換命令。

    智慧工廠中的物流控制系統在生產機器和被處理對象間建立起了一條溝通的紐帶：按照生產數據的要求，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具有智能感知、智慧控制的特點，人對系統的干預和決策將大幅減少。

    2　實現的技術

    未來智慧工廠的物流控制系統負責了生產設備和被處理對象的銜接，在系統中起到了承上啟下的作用。它以物聯網技術為基礎，利用射頻識別（RFID）、光電感應、紅外感應器、超聲波感應、激光掃描器、機械視覺識別等信息傳感設備，按約定的協議，將被處理對象與互聯網相連接。

    隨著近幾十年來控制技術的飛速發展，傳統傳感器逐漸轉變為智能傳感器融入到泛在網絡，控制網絡由原有的專用現場總線逐漸向以太網靠攏，從生產車間到辦公室和信息中心實現了網絡的一體化，云技術也在高速發展并普及，這一切都為工廠自動化系統的智慧控制奠定了基礎。下面就智慧工廠的物流控制系統關鍵技術做一下簡要介紹。

    2.1　條碼識別技術

    條碼識別技術于20世紀中葉提出，近年來發展和普及很快。條碼識別技術集光、機、電和計算機技術為一體，是將數據進行自動采集并輸入控制系統的重要方法和手段。實現了信息的快速、準確獲取與傳輸，是信息管理系統和管理自動化的基礎。條碼技術有機地聯系了各行各業的信息系統，為實現物流和信息流的同步提供了技術手段，有效地提高了供應鏈管理的效率。除用于信息承載和跟蹤外，條碼識別技術還應用于高速移動設備的定位等。條碼識別技術一般涉及到兩個部分：條碼標簽和條碼閱讀器。條碼標簽負責數據的承載，條碼閱讀器負責解碼和數據交換。條碼標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中得到了廣泛應用，但二維碼在密度、糾錯能力、可表示的內容等方面都優于一維碼，替代一維碼已經成為發展的趨勢。
 

    圖1 一維碼與二維碼對比

    2.2　射頻識別技術（RFID）

    射頻識別技術（RFID）是實現物與物間信息交換的主要技術手段，分為了兩個主要部分：嵌入到設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。載碼體進入磁場后，接收讀寫單元發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（PassiveTag，無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽），讀寫單元讀取信息并解碼后，送至控制系統進行數據處理，并將控制系統相關生產數據寫到載碼體中，如圖2所示。
 

圖2 RFID系統示意圖

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

    與條碼識別技術相比，射頻識別RFID具有以下優勢：

    （1）可以隱藏在包裝內部。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，當條碼標簽被遮擋時無法進行識別。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范圍內，讀寫單元就能與其進行信息交換。而感應范圍可以根據需要進行選擇，例如高頻RFID閱讀器通常可以讀取幾厘米范圍內的載碼體，超高頻RFID讀寫單元可以讀取幾米內的載碼體，自帶電池的主動標簽，有效識別距離可達到幾十米；

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

    （3）信息數據容量大。數據容量最大的二維條形碼（PDF417），最多也只能存儲2725個數字；若包含字母，存儲量則會更少；RFID載碼體則可以根據用戶的需要擴充到數十K的數據容量；

    （4）載碼體所承載的數據可動態更改。支持讀寫操作的載碼體可以通過讀寫單元更新數據，從而實現物料（容器）與機械設備信息的交互，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技術已經在自動化物流控制系統中廣泛應用。

    2.3　機械視覺識別技術
 

圖3 機械視覺識別

    機器視覺是一種具有眼睛系統的機器。它將計算機的快速性、可靠性、結果的可重復性, 與人類視覺的高度智能化和抽象能力結合在一起，通過對目標物體圖像的采集和處理得出分析結果，并上傳到控制系統。機器視覺識別系統（如圖3所示）的應用減少了人工對自動化系統決策的參與，使得物流控制系統自動化程度得以進一步提升。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、明暗等屬性進行判斷，機械設備根據判斷結果決定處理工藝及物流方向，無需與被處理對象直接對話。機器視覺識別系統一般包括：光源、照相機系統、圖像處理單元、圖像處理組態軟件、監視設備、通訊輸入輸出單元等。它為機器設備增加了一雙眼睛，實現了機器自主判斷的功能。

    2.4　網絡通信技術

    在智慧工廠的愿景之下，物流控制系統數據傳輸依賴于統一的網絡通信平臺，如圖4所示。眾多的工控廠家已經逐漸將自己的工業現場總線向基于以太網技術的通訊技術靠攏。菲尼克斯電氣從全球最早的總線產品INTERBUS轉向全面的以太網解決方案，支持市面上的大部分工業以太網現場總線；西門子（SIEMENS）公司在PROFIBUS DP之后開始主推PROFINET相關產品；羅克韋爾自動化（ROCKWELL Automation）公司在Control Net、DeviceNet之后開始主推EtherNet/IP產品；2003年起，倍福公司傾力推廣EtherCAT實時工業以太網……雖然這些工業以太網為了保證網絡的實時性，與辦公網絡略有差異，但他們都已經融合了標準以太網的相關協議，實現了數據流從生產設備到信息中心的傳遞。

    工業以太網在滿足實時性要求的同時，提升了網絡帶寬，相同時間內網絡承載的信息量大大增加，而WIFI、WiMax、4G網絡、3G網絡、WLAN、NFC、藍牙、Zigbee等無線泛在網絡技術的發展和普及為實現人和物、物和物之間的對話提供了更多的手段，使云處理技術能夠延伸到更多的地方。
 

圖4 工業網絡通信技術示意

    2.5　相關軟件技術

    目前，物流控制系統中底層控制軟件實現了設備動作邏輯控制、數據采集、數據存儲和共享，還需向與流程無關、智能化的方向發展；上位軟件平臺目前也未實現統一，系統的物料管理、人員規劃和成本計算很多由企業資源規劃系統（ERP）來完成，生產作業控制由制造執行系統（MES）完成，而這兩個系統與底層控制系統間還需要倉儲管理系統（WMS）和倉庫控制系統（WCS）來進行協調，這導致了數據在系統之間不能順暢、完整地傳送。 因此，軟件技術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的分析介紹，可以看出打造智慧工廠中的物流控制系統已經不再遙不可及，智慧工廠所需的很多基礎技術在目前的物流自動化系統中已經有了廣泛應用。后面需要做的工作是如何把他們有機地整合到一起。這一整合與現階段的集成相比技術上要復雜得多，但集成的過程應該更加簡單。現階段集成還處于比較低級的階段，設備的加入還需要人工進行組態，并進行系統編程。一旦設備發生變化或者工藝發生變化，需要人工對系統進行從上到下的改造。

    隨著納米技術的發展，物流控制系統中的各種技術都將被嵌入到各類設備中，使其成為智能設備，由云計算管理中心統一協調和安排工作，使設備的集成更加“智慧”：智能設備控制將具有統一的接口，能實現“即插即用”。就如我們電腦中正在使用的USB接口設備一樣，無論是鼠標、鍵盤還是U盤只要符合USB協議，連接到系統就能使用。智慧工廠中的物流控制系統也與此相似，設備控制程序的調用自動進行，設備之間應能無縫集成、自動交互。

    智慧工廠中的物流控制系統將具有統一的管理軟件平臺，保證數據連續的同時，實現統一的資源協調和統一的計劃安排。最終實現減少人工干預，智慧控制，提高生產效率的目標。目前，很多工控廠商、學術研究機構、政府部門已經把目光聚焦于物聯網、智慧工廠等前沿技術。相信不久的將來，自動化物流系統必將隨著工廠機械設備的智能化而轉變為智能化物流系統，它將在第四次工業革命中綻放光芒。

    參考文獻：

    [1] 李虹. 物聯網 生產力的變革[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, 2013, 07.

    作者簡介

    穆建軍（1977-）, 男，云南鎮雄人，高級工程師，畢業于中國農業大學，現任昆明物流信息產業有限公司電氣部副主任，副主任設計師，主要負責電控開發工作。

    曹月琴（1976-），女，四川邛崍人，高級工程師，現任昆明物流信息產業有限公司電氣部設計室主任，副主任設計師，主要負責電控系統規劃設計工作。

    摘自《自動化博覽》3月刊