RFID技術(shù)在質(zhì)量追溯系統(tǒng)中的應(yīng)用

王兆華，周燕飛

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

離散制造業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)過(guò)程中不確定因素多，以往的手工操作方式已經(jīng)不能滿足新形勢(shì)下質(zhì)量追溯對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方面的要求。如果不能建立有效的質(zhì)量追溯體系，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，企業(yè)很難進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量追溯[1]。產(chǎn)品制造過(guò)程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著重要影響，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明有超過(guò)一半的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題是在制造過(guò)程中產(chǎn)生的[2]。制造階段的質(zhì)量追溯是指從原材料采購(gòu)到產(chǎn)品交付的整個(gè)過(guò)程的追溯[3]。

無(wú)線射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)具有識(shí)別效率高、識(shí)別精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、信息存儲(chǔ)量大、非接觸性采集信息等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，本文將RFID技術(shù)引入到質(zhì)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，設(shè)計(jì)了基于RFID技術(shù)的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方案，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品制造過(guò)程中質(zhì)量數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集。

1 RFID技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

目前，企業(yè)一般采用基于條形碼的數(shù)據(jù)采集方法，這種方法一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效、實(shí)時(shí)采集[5]，但這種數(shù)據(jù)采集方式存在條形碼在機(jī)械加工過(guò)程中容易受到污染和損壞、不能重復(fù)利用、長(zhǎng)期使用成本高、工人工作量大、存儲(chǔ)信息量少等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)限制了條形碼在機(jī)械加工車間質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用。RFID技術(shù)利用射頻信號(hào)自動(dòng)獲取其射頻范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽所攜帶的信息，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無(wú)接觸的識(shí)別與通信。常見的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器及軟件系統(tǒng)3部分構(gòu)成，相比于條形碼，RFID技術(shù)采集數(shù)據(jù)更加方便快捷，可廣泛應(yīng)用于物流、倉(cāng)儲(chǔ)、自動(dòng)化生產(chǎn)等領(lǐng)域[6]。

2 質(zhì)量追溯系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

質(zhì)量追溯系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。車間中的每個(gè)RFID讀寫器通過(guò)無(wú)線WiFi連接到車間局域網(wǎng)，車間局域網(wǎng)通過(guò)交換機(jī)連接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，建立車間與上層服務(wù)器之間的通信連接鏈路。質(zhì)檢工人通過(guò)RFID讀寫器對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WiFi傳送到系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)起來(lái)。用戶利用瀏覽器通過(guò)Internet局域網(wǎng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量可追溯。系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、支撐層、應(yīng)用層3部分。感知層由一系列RFID信息采集終端組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的質(zhì)量信息，并通過(guò)無(wú)線WiFi上傳到車間服務(wù)器；支撐層由計(jì)算機(jī)硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)、無(wú)線WiFi通信網(wǎng)絡(luò)等組成，負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)運(yùn)行的支撐環(huán)境；應(yīng)用層由質(zhì)量追溯、質(zhì)量檢測(cè)等功能模塊組成，負(fù)責(zé)對(duì)采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)各模塊功能。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)離散制造企業(yè)的質(zhì)量管理信息系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，識(shí)別質(zhì)量管理工作中的信息流、物流和工作流，確定質(zhì)量管理信息系統(tǒng)功能需求，將系統(tǒng)設(shè)為6個(gè)功能模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1)資源管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)人力資源、基礎(chǔ)設(shè)施和工作環(huán)境進(jìn)行管理。

2)質(zhì)量檢驗(yàn)管理模塊負(fù)責(zé)將產(chǎn)品加工過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量數(shù)據(jù)錄入信息系統(tǒng)。

3)質(zhì)量問(wèn)題診斷模塊利用以往的成功案例建立案例庫(kù)，當(dāng)質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生后，檢索案例庫(kù)中與當(dāng)前質(zhì)量問(wèn)題相似的案例，為質(zhì)量問(wèn)題診斷指明方向。

4)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)模塊負(fù)責(zé)幫助企業(yè)了解自身的質(zhì)量水平，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的易發(fā)、多發(fā)點(diǎn)，為企業(yè)質(zhì)量預(yù)防和質(zhì)量改進(jìn)指明方向。

5)質(zhì)量問(wèn)題追溯模塊包括生產(chǎn)過(guò)程追溯、質(zhì)量影響要素追溯和批次追溯3個(gè)子模塊。通過(guò)輸入相關(guān)的查詢條件，在生產(chǎn)過(guò)程追溯模塊可以追溯到產(chǎn)品的加工過(guò)程和各工序的具體參數(shù)；在質(zhì)量影響要素追溯模塊可以追溯到產(chǎn)品加工過(guò)程中涉及的原材料、供應(yīng)商、操作者、檢驗(yàn)員、加工設(shè)備、檢驗(yàn)設(shè)備等質(zhì)量信息；在批次追溯模塊可以追溯到問(wèn)題產(chǎn)品使用了哪些批次的零部件和原材料，同時(shí)也可以追溯到問(wèn)題零部件和原材料被使用到了哪些批次的產(chǎn)品中，為產(chǎn)品召回劃定范圍。

6)系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)添加、刪除系統(tǒng)用戶，修改用戶信息，配置用戶權(quán)限。

3 質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方案

3.1 硬件選擇

RFID讀寫器需要通過(guò)無(wú)線WiFi將采集的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，所以讀寫器需集成WiFi功能。本系統(tǒng)采用華禹工控科技有限公司的PE900讀寫器，該讀寫器集成了WiFi、WCDMA、藍(lán)牙等無(wú)線功能，為客戶在物聯(lián)網(wǎng)接入方面提供了多樣化的數(shù)據(jù)接口，同時(shí)該讀寫器在防塵、防水、防摔方面性能優(yōu)異，適合于產(chǎn)品加工車間使用。

針對(duì)機(jī)械加工環(huán)境相對(duì)惡劣、RFID標(biāo)簽需循環(huán)使用的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到相對(duì)于低頻系統(tǒng)，同樣的傳輸效果，高頻系統(tǒng)的識(shí)別距離較遠(yuǎn)，發(fā)射功率較小，傳輸速率也較高，因此RFID標(biāo)簽選擇高頻無(wú)源被動(dòng)式M1S50電子標(biāo)簽，M1S50電子標(biāo)簽工作頻率為13.56MHz，可重復(fù)使用，重復(fù)寫入達(dá)10萬(wàn)次，無(wú)限次讀，價(jià)格較低。同時(shí)，這種電子標(biāo)簽只有進(jìn)入閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)獲得閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)才能被激活，這樣就可以有效避免標(biāo)簽的串讀和誤讀。

3.2 質(zhì)量數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集之前，質(zhì)檢工人在RFID讀寫器的菜單界面(圖3)選擇“初始化RFID卡”，利用RFID讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行初始化，將原材料、零部件、產(chǎn)品批次信息寫入電子標(biāo)簽中，完成批次標(biāo)識(shí)。在進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集時(shí)，在菜單界面選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，進(jìn)行質(zhì)量表單的填寫。質(zhì)檢工人通過(guò)RFID讀寫器讀取標(biāo)簽內(nèi)的批次信息，RFID讀寫器負(fù)責(zé)將獲取的批次信息填入質(zhì)量記錄中，其他質(zhì)量信息則由質(zhì)檢工人通過(guò)RFID讀寫器錄入，然后利用RFID讀寫器具有的WiFi功能將質(zhì)量數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)。具體步驟如下：

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊界面

1)原材料入庫(kù)時(shí)，質(zhì)檢工人利用RFID讀寫器將原材料批次信息寫入電子標(biāo)簽中。

2)原材料、自制件出庫(kù)時(shí)，質(zhì)檢工人利用手持終端設(shè)備掃描電子標(biāo)簽，手持終端設(shè)備負(fù)責(zé)將獲取的批次信息填入質(zhì)量記錄中，其他質(zhì)量信息則由質(zhì)檢工人通過(guò)手持終端設(shè)備錄入，最后將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

3)在自制件加工和成品裝配開始前，質(zhì)檢工人通過(guò)RFID讀寫器將生產(chǎn)批次信息寫入標(biāo)簽。工序檢驗(yàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集步驟參照原材料出庫(kù)時(shí)的數(shù)據(jù)采集步驟。

4)產(chǎn)品銷售時(shí)，進(jìn)行銷售數(shù)據(jù)采集，其步驟參照原材料出庫(kù)時(shí)的數(shù)據(jù)采集步驟。

5)當(dāng)標(biāo)簽標(biāo)記的原材料、自制件全部用完或成品全部銷售完，質(zhì)檢工人對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行回收，以便重復(fù)使用。

4 系統(tǒng)開發(fā)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

質(zhì)量追溯系統(tǒng)使用了B/S架構(gòu)，利用Java編程語(yǔ)言和Eclipse編輯器進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。其中，數(shù)據(jù)層利用JavaBean將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)封裝為對(duì)象；業(yè)務(wù)邏輯層采用Servlet進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理，從前臺(tái)獲取用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)填充到數(shù)據(jù)層；顯示層采用JSP頁(yè)面與用戶交互。服務(wù)器采用Tomcat服務(wù)器，客戶端采用谷歌瀏覽器。數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySql5.7。質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊采用C/S架構(gòu)，同樣采用Java語(yǔ)言編程，通過(guò)TCP/IP協(xié)議的Socket接口建立連接，將質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端，再通過(guò)服務(wù)器端將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。服務(wù)器端支持客戶端并發(fā)控制，可以處理多個(gè)客戶端的數(shù)據(jù)交換。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

圖4是質(zhì)量追溯系統(tǒng)軟件界面。以批號(hào)為WK20150906的產(chǎn)品質(zhì)量影響要素追溯為例介紹系統(tǒng)應(yīng)用情況。在質(zhì)量影響要素追溯模塊輸入批次信息，系統(tǒng)將羅列出該產(chǎn)品所有的加工工序，點(diǎn)擊具體工序，查詢?cè)摴ば蚣庸と藛T、檢驗(yàn)人員、加工設(shè)備、工裝夾具、工藝參數(shù)、測(cè)量設(shè)備、加工環(huán)境等質(zhì)量影響要素的具體信息，完成質(zhì)量影響要素追溯。通過(guò)該系統(tǒng)企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和生產(chǎn)過(guò)程信息追溯。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)離散制造企業(yè)的質(zhì)量追溯需求，設(shè)計(jì)了基于RFID的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方案，開發(fā)了一種基于B/S架構(gòu)的質(zhì)量追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品制造過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集和產(chǎn)品質(zhì)量的追溯，有效解決了企業(yè)質(zhì)量追溯過(guò)程中存在的質(zhì)量數(shù)據(jù)采集效率低、不實(shí)時(shí)的問(wèn)題，同時(shí)該系統(tǒng)還可以為企業(yè)在進(jìn)行問(wèn)題產(chǎn)品召回時(shí)提供信息支持。

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