基于二維碼、RFID的電梯零部件質量追溯系統(tǒng)研究*

宋承軒，吉衛(wèi)喜，房 杰

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著中國制造2025戰(zhàn)略的提出，各制造企業(yè)都在尋求更好的技術來對其生產制造領域進行支持和改進，產品的質量要求也被提高到了一個新的層次，如何提高企業(yè)產品的質量也成為了一個企業(yè)能否良性運行的關鍵。

電梯零部件制造企業(yè)作為一種典型的多品種、小批量生產企業(yè)，生產過程復雜多樣。傳統(tǒng)的質檢管理，工序質量信息和質量數(shù)據(jù)仍依靠質檢人員手動錄入系統(tǒng)，信息采集的利用率低，反饋信息少。進而導致產品追溯能力不足，發(fā)生質量問題時，追溯過程緩慢且難以精準定位。

目前，部分電梯零部件制造企業(yè)已經成功的將RFID技術引入到生產管理當中，并成功的實現(xiàn)了對產品批次的追溯，但在零部件的質量追溯時，只能追溯到包含零部件的相應批次的質量信息，對于單個零部件的質量信息，追溯能力略顯不足。

針對以上的研究，本文以某電梯零部件制造企業(yè)為背景，將二維碼和RFID引入到車間的生產跟蹤與產品的質量追溯過程中，提出了基于RFID和二維碼的質量數(shù)據(jù)采集方案和質量追溯方案。采用RFID技術標識產品與物料，二維碼標識產品中的關重件，用對關重件的雙重標識的方法，實現(xiàn)了對單個零部件進行質量追溯的目標。并在重要的工位安置RFID讀寫器，結合ERP(企業(yè)資源計劃)系統(tǒng)實現(xiàn)了在制品信息的及時跟蹤[1]。同時，建立了關重件的二維碼質量追溯云平臺，優(yōu)化了產品現(xiàn)有的質量追溯流程。

1 基于二維碼和RFID的數(shù)據(jù)采集方案

1.1 二維碼、RFID在車間生產管理中的實施策略

由于電梯零部件是小批量、多品種的生產方式，屬于一種典型的離散制造式產品。企業(yè)在接受訂單并下達后，生成主生產計劃，隨后在車間生成多個批次的零部件計劃。要對訂單進行實時的跟蹤，需要對零部件在車間流轉過程中的物流數(shù)據(jù)以及質量數(shù)據(jù)進行相應的采集。傳統(tǒng)的手工采集數(shù)據(jù)的方案不僅效率低下，而且不能夠確保數(shù)據(jù)的準確性，產品出現(xiàn)質量問題后也很難實現(xiàn)快速可靠的追溯。要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時、高效、準確的采集，目前企業(yè)采取的方法包括：條形碼采集方案、二維碼采集方案、RFID采集方案等[2]。其中，條形碼在使用過程中一旦損壞，就無法掃描出所存儲的信息，并且條形碼的存儲空間也十分有限，不適用于產品信息量大而雜的離散制造企業(yè)。相比而言，二維碼的存儲信息量較大，并具有抗磨損性能強，防偽效果好等優(yōu)勢。但二維碼的可移動性差，識別距離短；一旦打印出來后便不可更改，掃描讀取信息時，需要識讀器近距離的掃描讀取信息。并且，二維碼標識技術雖然已經在食品業(yè)以及農業(yè)等得到了成功的應用，但由于機械零部件在使用過程中很易磨損，若在零部件上貼二維碼標簽，則二維碼標簽容易脫落，因此目前二維碼技術在制造企業(yè)生產過程中尚未得到廣泛應用。而在車間物流的方面，RFID標簽與物料進行綁定后，利用RFID數(shù)據(jù)采集器和車間終端設備將數(shù)據(jù)信息上傳到服務器，可實現(xiàn)車間物流信息的實時跟蹤，同時在一批產品完工入庫后，RFID還可以回收重新使用，節(jié)省了生產成本。條形碼、二維碼、RFID的對比如表1所示。

表1 條形碼、二維碼、RFID的比較

為解決離散制造企業(yè)產品質量追溯中對單個零件質量問題無法溯源的問題，本文中引入了關重件[3]的概念，對于一批產品中的重要零部件要實現(xiàn)單獨的及時跟蹤與可追溯。因此，本文提出了將二維碼和RFID混合使用的數(shù)據(jù)采集方案。一方面，將RFID標簽與物料的批次(生產流轉卡)進行關聯(lián)，利用每個工位上的RFID數(shù)據(jù)采集器對質量數(shù)據(jù)和物流數(shù)據(jù)進行實時的采集。另一方面，對于單個物料批次中的關重件，利用激光雕刻技術在零件的非工作表面雕刻二維碼，對每一個關重件進行單獨關聯(lián)，實現(xiàn)關重件在車間工序流轉過程中的獨立跟蹤與可追溯。對零件在跟蹤和流轉過程中的數(shù)據(jù)進行整合后，建立起零件的加工日志[4]，實現(xiàn)關重件在出庫后的終身可追溯性。

針對電梯零部件在實際生成加工中的運作流程特點，根據(jù)企業(yè)的實際要求提出了基于二維碼和RFID技術的數(shù)據(jù)采集方案如圖1所示。

圖1 基于二維碼和RFID的數(shù)據(jù)采集方案

1.2 二維碼以及RFID標簽的編碼規(guī)則

要將二維碼以及RFID技術引入到生產的跟蹤與管理中，首先要確立二維碼與RFID要存儲的信息。對于物料在車間的流轉過程中，采用將RFID標簽與生產流轉卡上的批次號建立關聯(lián)的方法；而對于關重件則通過一個唯一的二維碼對零件進行標識。RFID及二維碼內的信息包括訂單號、零件名、零件代碼、檢驗結果、流水號以及關重件質量追溯云平臺的URL地址等。RFID及二維碼與物料的關聯(lián)關系如圖2所示。

圖2 RFID及二維碼與物料的關聯(lián)關系

根據(jù)上述編碼規(guī)則，設計編碼格式如下：

(1)RFID編碼格式

N1(1)N2(2)N3(3)N4(4)N5(5)N6(6)N7(7)各號碼對應信息如下：①訂單號，②生產流轉卡單號，③零件名稱，④零件代碼，⑤負責人，⑥機床編號, ⑦物料所在車間代碼；例如：

PTDD16010001 16WO000001 P101015C250-01 16243601-01 11011 40220015 0103

(2)二維碼編碼格式

N1(1)N2(2)N3(3)N4(4)N5(5)N6(6)

各號碼對應信息如下：①云平臺URL地址，②訂單號，③零件代碼，④零件描述，⑤追溯碼；例如：

http://192.168.1.59/zlzl/BM= PTDD16010001 16243601-01 電磁鐵組件——絕緣板 16WO000001-0001

2 質量追溯系統(tǒng)的關鍵技術

2.1 產品批次清單的建立

電梯零部件是一種典型的小批量、多品種的制造方式，一般以批次為生產單元進行生產。每一個批次對應一個唯一的批次號，達到標識物料及其相關信息的目的，為產品的可追溯性打下基礎。產品及零部件的批次主要包括原材料批次、零部件批次、部件批次、成品批次等。如上文中所述的，在每一個批次的形成過程中，采用RFID標簽與批次號進行關聯(lián)的方法對產品的批次進行唯一的關聯(lián)，同時利用二維碼對工序流轉中的關重件進行單獨標識，達到多層次的追溯結構。產品批次的形成過程如圖3所示。

圖3 產品批次形成過程

在記錄了產品及其零部件的批次信息后，就可以根據(jù)這些信息對產品進行關聯(lián)查詢。當對問題產品進行質量追溯時，還需要查詢到該與該產品有關聯(lián)的零部件信息，才能夠對該問題產品的整個訂單批次進行前向跟蹤和后向溯源，這就需要對產品批次進行展開。對于產品批次展開，本文引入了批次清單(Bill of Lots，BOL)的概念[5]，目的在于定義產品的批次構成，包括目標產品的所有子部件(原材料，半成品，零部件)，并且包括所有子部件所對于的批次號。BOL是一種樹狀結構，意義是在于通過將產品從頂層展開后，確立最終產品批次與他所組成的各成分的批次之間的關系，為實現(xiàn)批量化生產中的產品可追溯性提供一種手段，如圖4所示是產品A的批次清單。

圖4 產品A的批次清單

2.2 質量追溯模型的建立

根據(jù)上節(jié)所述，將BOL引入到產品的質量追溯當中，通過BOL追溯缺陷產品的相關批次以及裝配了這些部件和零件的產品的批次，達到雙向追溯的目的。追溯的原理如圖5所示。

如圖5所示，為BOL在質量追溯中的實際應用，包括前向和后向追溯。追溯線如：當發(fā)現(xiàn)批號為a010的產品A出現(xiàn)質量問題時，通過查詢批次定位到產品A中批次號為a0201的零件E的缺陷導致了質量問題，此為前向追溯；在通過查詢發(fā)現(xiàn)該批次的零件E還構成了批次號為a021的部件B和批次號為a011的產品A，此為后向追溯，這樣就完成了整個追溯過程。

圖5 基于BOL的產品質量追溯原理

上文中提出將RFID以及二維碼技術引入到產品的生產過程及質量數(shù)據(jù)采集當中，并結合BOL方法，建立起產品的車間生產管理與質量追溯系統(tǒng)，在一定程度上解決了產品全生命周期[6]的跟蹤與追溯能力不足、信息不共享等問題，但目前大部分企業(yè)的對物料的跟蹤與追溯過程大都是從原材料的下發(fā)開始到成品的出庫時結束。當產品出庫后，一旦客戶在產品的使用過程中發(fā)現(xiàn)產品的質量問題并向生產廠家尋求解決方案的時候；若只是普通的零部件，企業(yè)只需派發(fā)更換用的零部件即可；而對于制造成本較高的關重件，企業(yè)往往需要將缺陷產品進行回收，回收后再根據(jù)缺陷產品的批次，對該產品的整個生產過程進行溯源，以分析產品質量產生的原因，整個過程中需要大量的人力和物力的投入，大大增加了質量追溯的成本。所以本文中提出了將關重件的非加工表面刻印二維碼以達到唯一標識的方法，同時提出了建立基于二維碼的電梯零部件質量追溯云平臺[7]系統(tǒng)。當關重件在使用過程中發(fā)生問題后，客戶只需使用手機web或微信的掃一掃功能，就可以查詢到該關重件的名稱、批次、生產廠家、加工日志、出廠時間等等信息。隨后就可以第一時間向企業(yè)描述出問題零部件的具體信息，企業(yè)內部也可以根據(jù)相關的信息，快速定位問題零部件的批次及相關負責人員，同時及時的作出相應的解決方案?；诙S碼和云平臺的質量追溯系統(tǒng)如圖6所示。最后結合BOL的原理以及云平臺技術，將產品質量追溯的流程表示見圖7。

圖6 基于二維碼和云平臺的電梯零部件質量追溯系統(tǒng)

圖7 產品質量追溯流程

3 電梯零部件制造過程質量追溯系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于上述的思想，本文的設計中采用了PowerBuilder11.5作為開發(fā)工具開發(fā)了基于二維碼和RFID的車間生產管理與質量追溯系統(tǒng)，采用Eclipse開發(fā)了基于二維碼的企業(yè)質量追溯網站，采用SQL Server2008作為后臺支撐數(shù)據(jù)庫。RFID讀寫器方面采用了STC89S52單片機板開發(fā)，RFID芯片采用了MF522，可識別標準的M1卡片。利用MSComm.ocx控件進行計算機與讀寫器的串口通信。

3.1 系統(tǒng)架構

根據(jù)企業(yè)的實際情況及生產要求，本文設計的電梯零部件質量追溯系統(tǒng)主要的功能模塊包括：生產任務管理、質量追溯、RFID和二維碼的錄入與打印。輔助功能模塊包括：用戶管理、基礎數(shù)據(jù)、庫存信息管理。系統(tǒng)主要功能結構圖如圖8所示。

圖8 電梯零部件質量追溯系統(tǒng)功能結構

3.2 系統(tǒng)應用

部分功能模塊描述：車間計劃通過MES系統(tǒng)下達后，到達車間流轉流程，工人通過設置在機床旁的車間終端設備上的RFID讀寫機進行掃卡(與生產流轉卡綁定的RFID標簽卡片)操作，即可接受訂單并開始加工，工序完工后再掃卡確認完工，該批次零部件自動轉移至下一道工序，工人需將RFID卡與零部件交與下一道工序的工人手中(如圖9所示)。

圖9 系統(tǒng)車間流轉界面截圖

加工時，每個零件在工序完成后送往激光雕刻機在非加工表面雕刻二維碼(若在上道工序中已完成二維碼刻印，則不重復該操作)，二維碼刻印后，該關重件便可在質量追溯云平臺網站上進行生產過程跟蹤與追溯，如圖10所示。

圖10 質量追溯云平臺截圖

4 結束語

針對電梯零部件對生產監(jiān)控以及質量追溯的要求，本文提出了基于RFID以及二維碼技術的電梯零部件生產流程管理的架構模式。運用RFID技術實現(xiàn)了生產物料過程中對零部件的實時監(jiān)控，并提出了采用二維碼對關重件進行雙重標識的方案，實現(xiàn)了對特定零件的質量信息追溯。

本文所設計的系統(tǒng)在生產物流方面采用RFID技術，實現(xiàn)了零部件質量信息的自動采集，提升了生產過程中的監(jiān)控調度與流程管理水平。在質量追溯方面，采用二維碼及云平臺技術，使得系統(tǒng)既能夠對某一個特定零件進行質量追溯，又能夠對包含該個零件的產品批次進行追溯。提高了質量追溯的快速性與精準性，為多品種、小批量生產模式的電梯零部件制造企業(yè)的質量追溯提供了一套高效可行的方案。有效的克服了此前電梯零部件生產車間存在的數(shù)據(jù)采集效率低、質量追溯不及時、追溯信息不準確的問題，提高了車間的自動化程度與生產效率。

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