基于RFID的離散制造業(yè)物料投送分揀系統(tǒng)

彭銳波

(東莞艾特姆射頻科技有限公司，廣東東莞　523808)

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基于RFID的離散制造業(yè)物料投送分揀系統(tǒng)

彭銳波

(東莞艾特姆射頻科技有限公司，廣東東莞523808)

通過利用“超高頻RFID自動分揀系統(tǒng)”實現(xiàn)離散型制造企業(yè)生產(chǎn)過程物料自動投送及分揀，并且通過RFID中間件實現(xiàn)企業(yè)MES系統(tǒng)與RFID自動分揀系統(tǒng)實現(xiàn)完整的有機(jī)結(jié)合，實時采集車間現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控車間生產(chǎn)過程。同時，利用MES和RFID自動分揀系統(tǒng)各種優(yōu)勢，簡化離散型制造企業(yè)生產(chǎn)過程以及后期數(shù)據(jù)管理。為企業(yè)生產(chǎn)自動化開辟了一條低成本改造的路徑。

超高頻RFID；自動分揀；離散制造

隨著超高頻RFID技術(shù)的發(fā)展，離散制造行業(yè)已經(jīng)開始使用該技術(shù)來進(jìn)行生產(chǎn)管理，相對于目前被廣泛使用的條碼技術(shù)而言，超高頻RFID技術(shù)具有本質(zhì)上的優(yōu)勢。超高頻RFID的技術(shù)優(yōu)勢包括：可無線遠(yuǎn)距離讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)、具備較強(qiáng)的穿透性讀寫數(shù)據(jù)能力，可在標(biāo)簽快速移動的狀態(tài)下讀寫數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)容量大及可在惡劣的環(huán)境下使用等。因此，超高頻RFID技術(shù)并不是傳統(tǒng)條碼技術(shù)的簡單替換，它的大規(guī)模應(yīng)用將完全改變離散制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營模式。

目前，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)開始在各種企業(yè)的供應(yīng)鏈管理、倉庫管理、物料管理等領(lǐng)域得到了很多的應(yīng)用，但在離散制造業(yè)上[1]的應(yīng)用并未成熟，課題依托國家科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助，在全球最大的玩具公司“mattel”東莞長安工廠得到了成功的應(yīng)用。

1　超高頻RFID技術(shù)簡介

RFID[2]技術(shù)是一種在20世紀(jì)80年代中后期出現(xiàn)的非接觸式智能識別技術(shù)，由于這種技術(shù)的便捷性使得該技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，而21世紀(jì)興起的超高頻頻段的RFID技術(shù)，借助雷達(dá)的原理，使智能識別的距離和識別的速度都得到了大幅的提升，使得該技術(shù)成為了RFID行業(yè)里的新焦點(diǎn)。超高頻RFID技術(shù)的本質(zhì)是“電磁波反向散射”，由讀寫設(shè)備通過天線發(fā)射出經(jīng)過調(diào)制帶有數(shù)據(jù)信息超高頻頻段的電磁波，電子標(biāo)簽由電磁波充電并激活，同時識別讀寫設(shè)備所發(fā)出的信息，標(biāo)簽芯片利用阻抗自動調(diào)節(jié)[3]的方法對電磁波進(jìn)行強(qiáng)弱程度不同的反射，基于此對未經(jīng)調(diào)制的電磁波進(jìn)行調(diào)制，于是讀寫設(shè)備就能根據(jù)反射的電磁波得到標(biāo)簽所返回的信息。

讀寫設(shè)備得到標(biāo)簽數(shù)據(jù)后，再通過RS232或以太網(wǎng)等通信接口把數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，上位機(jī)軟件根據(jù)信息的含義再做出相應(yīng)的處理動作。

2　基于RFID的離散制造業(yè)物料投送分揀系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成

基于RFID的物料投送分揀生產(chǎn)線的模型[4]如圖1所示，每個生產(chǎn)工作臺安裝1個RFID數(shù)據(jù)交互終端和1個數(shù)控警報燈，生產(chǎn)員工通過該RFID數(shù)據(jù)交互終端進(jìn)行缺料登記，同時RFID報警燈會點(diǎn)亮并發(fā)出缺料警報鳴叫。

在每個補(bǔ)料工位和控制室各放置一個工作站，缺料請求會自動按照時間的先后順序排隊顯示在工作站上；發(fā)料員把請求所需要物料放入裝有RFID標(biāo)簽的托盤里，然后將托盤放到發(fā)料位傳送帶上，登記后由傳輸線把托盤運(yùn)送至目標(biāo)缺料工位。給物料傳送帶安裝RFID智能制動系統(tǒng)，使其可以正確把托盤運(yùn)送至缺料的工位。當(dāng)托盤運(yùn)送到目標(biāo)缺料工位后，位于補(bǔ)料工位和控制室顯示屏上對應(yīng)的呼叫請求自動消失，缺料工位上的數(shù)控警報燈會自動熄滅并且停止鳴叫。

數(shù)據(jù)交互終端、數(shù)控報警燈、RFID智能制動系統(tǒng)等智能設(shè)備由設(shè)備監(jiān)控與生產(chǎn)控制系統(tǒng)(Production Control System，PCS)[5]統(tǒng)一管理，缺料呼叫、系統(tǒng)的基本信息控制系統(tǒng)等由物料自動運(yùn)輸系統(tǒng)完成。設(shè)備監(jiān)控與控制系統(tǒng)運(yùn)行于設(shè)備監(jiān)控服務(wù)器上，物料自動運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)合制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)[6]運(yùn)行于應(yīng)用系統(tǒng)該服務(wù)器之上，整體的系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖1　基于RFID的物料投送分揀生產(chǎn)線模型

圖2　RFID物料投送分揀系統(tǒng)框架

2.2基于RFID的物料投送分揀生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)

1)基于以太網(wǎng)的PLC通信及設(shè)備監(jiān)控。

現(xiàn)代生產(chǎn)控制系統(tǒng)均是基于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)設(shè)計的，而PLC與上位機(jī)的通訊一般采用低速率RS232或RS485串口通信，這種通訊方式很難滿足數(shù)據(jù)量較大、通訊距離遠(yuǎn)、實時性要求高的控制系統(tǒng)的要求。以太網(wǎng)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以達(dá)到很高的通訊速率，有著廣泛的技術(shù)支持，已成為網(wǎng)絡(luò)通訊事實上的標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)結(jié)合PLC，可以構(gòu)筑全分散、全開放的工業(yè)控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)線的PLC設(shè)計基本上都是脫機(jī)運(yùn)行的獨(dú)立系統(tǒng)，與MES沒有交互，MES沒辦法知道產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，當(dāng)產(chǎn)線需要改進(jìn)時也只能重新修改PLC底層的程序，PLC系統(tǒng)的靈活性極差，難以適應(yīng)智能化生產(chǎn)線的需求。

針對以上情況，對整個PLC系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，引進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)[7]，并對PLC的內(nèi)部資源進(jìn)行統(tǒng)籌及劃分，如圖3所示，將PLC的內(nèi)部資源分為兩大塊，一塊與傳統(tǒng)的設(shè)計相似，固化一套既定的程序進(jìn)去，用于普通的生產(chǎn)應(yīng)用，但PLC的每個動作都會有相應(yīng)的記錄，MES系統(tǒng)會通過以太網(wǎng)獲取到該記錄，從而實現(xiàn)對產(chǎn)線的監(jiān)控，另一塊則以總線及地址的形式完全開放給MES系統(tǒng)，也就是說MES能隨意對PLC的IO進(jìn)行操作，相當(dāng)于把PLC的程序功能搬至MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)能針對不同的產(chǎn)線作不同的細(xì)化調(diào)整，同時因為程序是在MES系統(tǒng)中，系統(tǒng)對整個生產(chǎn)過程的記錄會更詳細(xì)，從而對ERP能有更好的支持。如圖3的這種設(shè)計將使生產(chǎn)線的靈活性得到了大大的提升。

圖3　基于以太網(wǎng)的PLC通信及設(shè)備監(jiān)控方案

2) 適用于離散制造業(yè)的RFID中間件設(shè)計。

RFID技術(shù)在企業(yè)應(yīng)用中，首先要解決的問題是如何將 RFID設(shè)備與企業(yè)的信息化系統(tǒng)互聯(lián)，而兼容性則是應(yīng)用的關(guān)鍵，這一問題的解決依靠 RFID中間件來實現(xiàn)。傳統(tǒng)意義的RFID中間件，是面向消息傳遞的一種中間程序軟件，負(fù)責(zé)對底層的RFID設(shè)備進(jìn)行采集信息進(jìn)行提取、解析、過濾、格式轉(zhuǎn)換等操作，再傳輸給上層應(yīng)用程序用于顯示、處理或保存。

圖4　主從分布式中間件設(shè)計圖

但在離散制造領(lǐng)域RFID應(yīng)用中，特別是大型企業(yè)，擁有數(shù)百條產(chǎn)線，存在大量過程信息需要實時采集、傳輸和處理，單靠傳統(tǒng)意義的軟件架構(gòu)的RFID中間件實現(xiàn)底層采集設(shè)備與上層軟件的連接，可靠性和實時性都難以保證。針對該問題，提出將中間件主要功能按單元劃分，設(shè)計分布式RFID中間件，可以每條或多條生產(chǎn)線使用一臺獨(dú)立的PC終端運(yùn)行一個分布式RFID中間件，負(fù)責(zé)對功能單元內(nèi)所有關(guān)聯(lián)RFID讀寫器、數(shù)據(jù)交互終端等設(shè)備進(jìn)行功能設(shè)定、操作控制、數(shù)據(jù)處理、過濾、格式轉(zhuǎn)換及故障檢測，再通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的接口方式傳送給服務(wù)器的主中間件。各分中間件和主中間件之間通過一組標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)實現(xiàn)底層設(shè)備與上層應(yīng)用軟件的信息交互。這樣一來，就徹底實現(xiàn)了上層應(yīng)用軟件和現(xiàn)場采集設(shè)備的隔離。此外，分布式和集中式相結(jié)合的設(shè)計思路，也降低了中間件的設(shè)計和實現(xiàn)的復(fù)雜程度，提高了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和控制的穩(wěn)定性和可靠性。總體的設(shè)計好下圖4所示。

3)員工用料需求預(yù)測。

在傳統(tǒng)離散作業(yè)的生產(chǎn)線中，當(dāng)員工缺料時需要停下手上的工作，去領(lǐng)料處領(lǐng)取自己需要的物料，很費(fèi)時間，效率低，當(dāng)引進(jìn)智能呼叫投送的設(shè)備后，員工缺料時可以在桌面的呼叫設(shè)備上輸入所需要的物料，然后投料處收到信息后就投送該物料，由智能產(chǎn)線主動送到該員工處，但這樣也有明顯的缺陷，就是如果員工在物料全用完時才進(jìn)行物料呼叫的話，那么在物料送至員工處的這一段時間內(nèi)，員工會完全處于空閑狀態(tài)，嚴(yán)重影響工作效率，那么如何解決這個問題呢，引入統(tǒng)計預(yù)測算法來預(yù)測生產(chǎn)線上每個員工每次的物料需求的時間間隔，在員工物料用完之前自動生成物料呼叫請求。確保員工一直處于最高效率的工作狀態(tài)。其實現(xiàn)方法如圖5所示。

圖5　某生產(chǎn)員工的某種物料需求預(yù)測圖

統(tǒng)計預(yù)測(Statistic Forecasting)[9]是應(yīng)用最廣泛的預(yù)測方法，對大量的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，以求得比較準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果的理論和方法。本系統(tǒng)使用定量指數(shù)平滑預(yù)測法[10]，對生產(chǎn)員工的每次缺料請求的時間間隔做預(yù)測，其本質(zhì)是利用本期實際數(shù)與本期預(yù)測數(shù)。以平滑系數(shù)加權(quán)計算指數(shù)平滑平均數(shù)，作為下期預(yù)測數(shù)，其數(shù)學(xué)公式如下：

yn′: 生產(chǎn)員工第N次缺料需求的時間間隔的預(yù)測值,

yn：生產(chǎn)員工第N次缺料需求的時間間隔的實際值,

α ：平滑系數(shù)，0≤α≤1 ,

α值實際上是n期實際值和預(yù)測值的比例分配。其確定，是指數(shù)平滑法預(yù)測的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)呈水平波動發(fā)展，與其無關(guān)；中長期趨勢比較穩(wěn)定，取比較小的值，約0.05～0.20；數(shù)據(jù)呈迅速明顯變動趨勢，取較大值，約0.3～0.7，或者分別選取不同值，做不同的預(yù)測，根據(jù)結(jié)果選取符合實際的值。當(dāng)數(shù)據(jù)較多的時候，初始值的影響被逐步平滑而降低到最小，此時可以用第一個數(shù)據(jù)代替。當(dāng)數(shù)據(jù)較少時，初始值對預(yù)測結(jié)果的影響較大，可以取最初數(shù)個實際值的平均值作為初始值的估計值。圖五為某生產(chǎn)員工的一天8小時內(nèi)每次缺料呼叫時的時間間隔實際值與預(yù)測值的曲線圖。從曲線中可以看出，當(dāng)設(shè)置為0.1時，一天17次缺料呼叫中，有11次能提前生成缺料呼叫申請，準(zhǔn)確率約為65%，能大大的提升員工的工作效率。

3　結(jié)語

通過上述分析，基于RFID的離散制造業(yè)物料投送分揀系統(tǒng)，能幫助離散型制造企業(yè)實現(xiàn)管理的智能化、可視化及數(shù)據(jù)量化，及時發(fā)現(xiàn)問題和瓶頸加以調(diào)整，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，節(jié)省大量用于搬運(yùn)物料的員工，同時生產(chǎn)員工的工作量和工作效率都能直接反應(yīng)到管理系統(tǒng)上，因此本系統(tǒng)具有非常高的社會效益。

目前，該系統(tǒng)已在全球最大的玩具公司“mattel”東莞長安工廠得到了成功的應(yīng)用，使用效果良好。由于該項目是mattel公司全新打造的產(chǎn)線，許多技術(shù)問題都在生產(chǎn)線的設(shè)計過程中就得到了解決，如生產(chǎn)線上的大量金屬環(huán)境對超高頻RFID的影響、生產(chǎn)線的電機(jī)電磁干擾等問題，但目前國內(nèi)的制造企業(yè)有大量的現(xiàn)成生產(chǎn)線，如何將該系統(tǒng)應(yīng)用到這些現(xiàn)成的生產(chǎn)線中，如何對舊的生產(chǎn)線進(jìn)行有效的改造，將是本課題需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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Application for Discrete Manufacturing MaterialsDelivery Sorting System Base on RFID

PENG Ruibo

(Dongguann AITGM RF Technology Co.Ltd, Dongguan 52808, China)

By using “UHF RFID automatic sorting system” to achieve the discrete manufacturing enterprises in the production process of the material automatic delivery and sorting, and by using RFID middleware to achieve the enterprise’s MES system with RFID automatic sorting system to achieve complete combination, Real-time production data will be collected and workshop production process will be monitored. And through a combination of MES and RFID automatic sorting system of the various advantages, the production process and production data management of discrete manufacturing companies will be simplified, which provides a low-cost way for the transformation of the production automation.

UHF RFID; automatic sorting; discrete manufacturing

2016-06-28

國家科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目(14C26214402638)。

彭銳波(1984—)，男，廣東東莞人，工程師，主要從事射頻電路、無線通信系統(tǒng)的研究及設(shè)計。

TP23

A

1009-0312(2016)05-0041-05