基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)研究

盛步云，王雨群，王 靜

(1.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.徐州空軍學(xué)院航空兵軍交運(yùn)輸指揮系，江蘇 徐州 221002)

射頻識別[1](radio frequency identification，RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，射頻識別系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)3個部分組成。RFID系統(tǒng)的基本工作原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現(xiàn)電子標(biāo)簽與讀寫器之間的能量傳遞和數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)對物體的自動識別。RFID技術(shù)具有精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)等許多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化等眾多領(lǐng)域[2－4]。

隨著市場競爭的日益激烈，顧客的需求越來越個性化、多樣化，越來越多的制造企業(yè)逐漸向面向訂單的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，企業(yè)根據(jù)客戶的訂單組織生產(chǎn)，進(jìn)行設(shè)計、采購、制造和交付等工作[5－6]。在面向訂單生產(chǎn)的方式下，如何保證訂單按時按質(zhì)按量交貨，成為企業(yè)管理中的重點(diǎn)。這就要求企業(yè)在對企業(yè)資源進(jìn)行信息化管理的同時，加強(qiáng)對生產(chǎn)制造過程的管理。

將RFID技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)設(shè)計中，自動采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)信息，可提升生產(chǎn)過程管理與控制水平，便于企業(yè)管理層實時、動態(tài)地了解生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，從整體上掌握所有訂單的執(zhí)行進(jìn)度，從而為企業(yè)做出正確的決策。

1 系統(tǒng)需求分析

離散制造業(yè)的生產(chǎn)具有不連續(xù)性，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝流程復(fù)雜，自動化程度低，使得離散制造業(yè)的生產(chǎn)過程管理比較復(fù)雜。近年來，很多企業(yè)紛紛引入了企業(yè)資源計劃(enterprise resource plan，ERP)和車間自動化系統(tǒng)(shop floor control，SFC)，但由于企業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜多變，如出現(xiàn)質(zhì)量問題而造成待機(jī)、物料短缺等，使得ERP系統(tǒng)無法對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)控，導(dǎo)致ERP系統(tǒng)與車間控制層之間存在一定的信息斷層[7]。

在離散型制造車間的整個生產(chǎn)活動中，涉及到原材料采購、生產(chǎn)計劃的制定、生產(chǎn)制造、物料運(yùn)輸和質(zhì)量檢驗等活動，大多數(shù)中小企業(yè)主要以手工記錄為主，因此車間管理層無法獲取生產(chǎn)過程的實時信息，對生產(chǎn)過程進(jìn)行有效監(jiān)控[8]。通過分析可知，在車間生產(chǎn)過程中主要存在以下問題:

(1)物料配送不及時。由于半成品分布在各個車間的各個工位，物料配送人員很難及時地掌握各個工序的完成情況，導(dǎo)致延遲搬運(yùn)，從而延長了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

(2)在制品管理困難。中小企業(yè)中，按訂單的生產(chǎn)方式，具有多品種小批量的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致在制品種類較多，且車間采用機(jī)群式布置，零件的工藝路線多種多樣，企業(yè)無法及時了解在制品分布情況，從而增加了在制品的管理難度。

(3)訂單跟蹤困難。由于生產(chǎn)過程中存在較多不可預(yù)測的因素，如物料短缺、設(shè)備故障、生產(chǎn)計劃變更和質(zhì)量問題等，使生產(chǎn)斷斷續(xù)續(xù)，影響零件的加工進(jìn)度，導(dǎo)致訂單不能按計劃執(zhí)行。而生產(chǎn)現(xiàn)場缺乏實時有效的信息采集和處理系統(tǒng)，企業(yè)管理層無法從整體上掌握訂單的執(zhí)行進(jìn)度，不能對訂單有效地跟蹤，經(jīng)常出現(xiàn)延遲交貨的現(xiàn)象。

(4)信息實時性差，準(zhǔn)確率低。車間主要以手工記錄為主，企業(yè)管理人員如果想了解現(xiàn)場情況，需收集這些紙質(zhì)檔信息，進(jìn)行統(tǒng)計分析，企業(yè)管理人員無法對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時跟蹤與監(jiān)控;統(tǒng)計分析紙質(zhì)檔信息所獲取的信息，具有一定的滯后性，信息實時性大大降低，而且手工記錄的數(shù)據(jù)容易出錯，準(zhǔn)確性不高。

針對這些問題，企業(yè)急需建立車間生產(chǎn)過程管理信息系統(tǒng)，管理和控制企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的情況，并且利用RFID技術(shù)，實時采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)信息，并對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對生產(chǎn)過程中的在制品和關(guān)鍵零部件進(jìn)行實時跟蹤[9]，從而實現(xiàn)對整個訂單執(zhí)行進(jìn)度的跟蹤與控制，從整體上提高企業(yè)的生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制水平。

2 RFID解決方案

筆者提出的基于射頻識別技術(shù)的生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)解決方案如圖1所示。其基本思想是:在企業(yè)范圍內(nèi)，通過綁定原材料與電子標(biāo)簽，實現(xiàn)對在制品、成品的生產(chǎn)跟蹤與控制，并將生產(chǎn)現(xiàn)場的實時信息反饋給企業(yè)管理層，從而解決ERP系統(tǒng)與SFC系統(tǒng)之間的信息斷層問題。

該方案由生產(chǎn)現(xiàn)場對象、RFID對象識別層、車間生產(chǎn)過程管理層和企業(yè)管理層4個部分組成。

(1)生產(chǎn)現(xiàn)場對象主要是指原材料、在制品等，首先對電子標(biāo)簽進(jìn)行初始化設(shè)置，給這些對象貼上相應(yīng)的電子標(biāo)簽，為生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)采集做準(zhǔn)備。

(2)RFID對象識別層主要負(fù)責(zé)信息的采集、處理、存儲和上傳。當(dāng)貼有電子標(biāo)簽的對象進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域時，讀寫器自動采集標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[10]。

(3)車間生產(chǎn)過程管理層利用RFID采集到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在制品的生產(chǎn)過程控制與跟蹤，質(zhì)量管理等功能。

(4)企業(yè)管理層是企業(yè)信息化管理的重要組成部分，它依靠生產(chǎn)過程管理層提供的車間生產(chǎn)的實時信息，指導(dǎo)生產(chǎn)，并提供合理的生產(chǎn)計劃制定、生產(chǎn)過程可視化等工具[11]。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

圖1 基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)過程管理解決方案

企業(yè)信息化的設(shè)計原則是“應(yīng)用為先，適用就是最好”，在參照制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution systems，MES)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，不照搬MESA中MES的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，針對企業(yè)的生產(chǎn)管理現(xiàn)狀，設(shè)計出基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)功能模型，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)功能模型

筆者主要對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集、在制品管理和訂單跟蹤這幾個模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要對生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，將所有產(chǎn)品、工藝、物料和設(shè)備的編碼等信息轉(zhuǎn)化為可理解的有實際意義的表述，包含對工藝、物料、設(shè)備和人員等詳細(xì)的定義、編碼和描述。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊主要是收集生產(chǎn)現(xiàn)場每種生產(chǎn)要素的過程信息，包括生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)等。

(3)在制品管理模塊主要是對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行物流層面上的跟蹤與監(jiān)控，包括對生產(chǎn)現(xiàn)場在制品狀況的跟蹤查詢，監(jiān)控當(dāng)前各車間、各工位的在制品數(shù)量等。

(4)訂單跟蹤模塊是通過RFID技術(shù)實現(xiàn)對各訂單每種產(chǎn)品從原材料到最終成品生產(chǎn)過程的全面跟蹤，從而從整體上跟蹤整個訂單的執(zhí)行情況。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)和應(yīng)用

基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)的重點(diǎn)是應(yīng)用RFID技術(shù)對在制品和訂單的生產(chǎn)加工過程進(jìn)行跟蹤與控制。由于生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，采用固定式讀寫器與移動式讀寫器相結(jié)合的方式，對工序加工過程的數(shù)據(jù)和質(zhì)量檢驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)主要包括每道工序的工序號、工序名稱、設(shè)備名稱、操作員、開始加工時間、結(jié)束加工時間、零件總數(shù)量和合格數(shù)量等。

從系統(tǒng)實施的角度來說，RFID系統(tǒng)的應(yīng)用可分為開環(huán)應(yīng)用和閉環(huán)應(yīng)用。筆者所采用的是閉環(huán)應(yīng)用，主要是在企業(yè)內(nèi)部使用，實現(xiàn)信息的傳遞。從原材料領(lǐng)用到成品包裝入庫，利用RFID技術(shù)實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)采集，產(chǎn)品入庫后，將電子標(biāo)簽送回標(biāo)簽下發(fā)點(diǎn)，重新寫入新零件信息，從而實現(xiàn)循環(huán)利用。RFID系統(tǒng)閉環(huán)應(yīng)用示意圖如圖3所示。

圖3 RFID系統(tǒng)閉環(huán)應(yīng)用示意圖

在進(jìn)行RFID數(shù)據(jù)采集之前，需要設(shè)置一些基礎(chǔ)信息，如讀寫器與標(biāo)簽的初始化設(shè)置、讀寫器的應(yīng)用配置，以及電子標(biāo)簽與零件ID關(guān)聯(lián)。只有通過這些基礎(chǔ)信息和生產(chǎn)實際，才能實現(xiàn)無人工干預(yù)的自動數(shù)據(jù)采集。

讀寫器與標(biāo)簽的初始化設(shè)置主要是建立讀寫器資源庫，定義讀寫器與標(biāo)簽的基本信息，包括讀寫器ID、讀寫器類別和標(biāo)簽類別等參數(shù)。讀寫器分為固定式和手持式，筆者采用兩者相結(jié)合的方式。從功能上分，標(biāo)簽可分為只讀標(biāo)簽、一次性寫入標(biāo)簽和重復(fù)寫入標(biāo)簽，由于采用RFID閉環(huán)應(yīng)用系統(tǒng)，因此采用重復(fù)寫入標(biāo)簽。

讀寫器應(yīng)用配置是通過建立數(shù)據(jù)表實現(xiàn)讀寫器與機(jī)床的關(guān)聯(lián)，為每個讀寫器設(shè)定一個唯一標(biāo)示該讀寫器的編號，并將該編號與機(jī)床編號實現(xiàn)一對一的關(guān)聯(lián)。在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)通過獲取讀寫器的編號可自動查詢出相應(yīng)的機(jī)床號，便能確定工件所在的加工工序。

利用RFID技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，首先要實現(xiàn)電子標(biāo)簽與零件的關(guān)聯(lián)。根據(jù)企業(yè)的編碼規(guī)則為RFID標(biāo)簽進(jìn)行編碼，并將標(biāo)簽編碼與零件ID進(jìn)行綁定，由于標(biāo)簽編碼具有唯一性，因此能關(guān)聯(lián)到每批零件。這樣，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器區(qū)域，讀寫器掃描電子標(biāo)簽，讀取標(biāo)簽的編碼信息，并根據(jù)標(biāo)簽編碼，從相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中查詢到該零件的詳細(xì)信息。

生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要包括原材料數(shù)據(jù)采集、車間數(shù)據(jù)采集和成品倉庫數(shù)據(jù)采集。筆者設(shè)計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集流程

原材料采購入庫時，便可建立起RFID電子標(biāo)簽與物料之間的關(guān)聯(lián)，材料領(lǐng)用時，為每種物料貼上相應(yīng)的RFID電子標(biāo)簽，掃描電子標(biāo)簽，原材料領(lǐng)用信息便可記錄在材料領(lǐng)用單上。

當(dāng)原材料開始進(jìn)行第一道工序加工時，操作員掃描電子標(biāo)簽，讀寫器首先獲取電子標(biāo)簽的計數(shù)值n，并自動判斷n的奇偶性。如果n是奇數(shù)，表明該批零件在這臺設(shè)備上是開始加工，則自動記錄下系統(tǒng)當(dāng)前時間(即為該批零件開始加工時間)、零件號、工序號、設(shè)備號和操作員號等信息，并保存到數(shù)據(jù)庫中;如果n是偶數(shù)，表明該批零件在該臺設(shè)備上是加工結(jié)束，此時自動根據(jù)電子標(biāo)簽編碼從數(shù)據(jù)庫中查詢到所對應(yīng)的零件號，根據(jù)零件號和工序號查詢到該批零件該道工序的加工信息，并將系統(tǒng)當(dāng)前時間作為該批零件該道工序的完工時間添加到相應(yīng)記錄中，系統(tǒng)根據(jù)開始加工時間和結(jié)束加工時間自動計算出生產(chǎn)工時，保存到數(shù)據(jù)庫中，從而形成該批零件該道工序的一條完整的加工記錄，最后，將電子標(biāo)簽的計數(shù)值加1，再寫入電子標(biāo)簽，后道工序的數(shù)據(jù)采集方式同第一道工序。進(jìn)行質(zhì)量檢驗時，將檢驗信息寫入電子標(biāo)簽，讀寫器掃描電子標(biāo)簽，根據(jù)讀取到的判定信息決定將在制品送往何處。

當(dāng)所有工序加工完成入庫時，倉庫管理員掃描電子標(biāo)簽，記錄下零件號、倉庫存放位置和入庫時間等信息，回收電子標(biāo)簽，送到原材料倉庫，進(jìn)行循環(huán)利用。

系統(tǒng)采集到生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)信息后，企業(yè)管理人員可以通過在制品管理模塊跟蹤在制品的加工過程，監(jiān)控在制品當(dāng)前所在的車間、所處的工位，以及所處的狀態(tài)等信息，通過訂單跟蹤模塊，可以從整體上掌握每個訂單下每批零件的加工進(jìn)度，從而控制生產(chǎn)過程。

目前，系統(tǒng)已成功應(yīng)用于上海市某企業(yè)的機(jī)加工車間，該系統(tǒng)的實施，使企業(yè)能夠?qū)崟r地、準(zhǔn)確地掌握車間的生產(chǎn)狀態(tài)，對生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的異常做出及時處理，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量管理水平。

5 結(jié)論

通過對離散型制造業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)和生產(chǎn)管理現(xiàn)狀的分析，提出了基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)各個功能模塊，并對幾個關(guān)鍵的功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計與實現(xiàn)，通過企業(yè)實際應(yīng)用，取得了良好的效果。系統(tǒng)實施形成的軟硬件成果及經(jīng)驗，在離散制造業(yè)中具有一定的推廣應(yīng)用價值，為我國RFID技術(shù)在生產(chǎn)車間的應(yīng)用起到了積極的示范作用。

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