基于RFID的變速箱裝配線生產(chǎn)管理研究

    1 引言

    隨著客戶對變速箱產(chǎn)品的個性化要求越來越高，裝配方式也由傳統(tǒng)的單一裝配向混線裝配轉變，生產(chǎn)控制的規(guī)模和復雜程度也逐漸提高，因此對系統(tǒng)的柔性能力、生產(chǎn)管理和質量控制的要求也越來越高。而傳統(tǒng)方式的紙制條形碼容易破壞及條碼信息在裝配過程中不能更改，從而不能將裝配過程的信息實時記錄下來并反饋給上層生產(chǎn)管理系統(tǒng)，也很難快速找出故障原因及準確跟蹤變速器裝配過程。因此，在變速箱裝配過程中急需一種新的信息識別技術來改進條形碼的不足。

    RFID（Radio Frequency Identification）作為一種非接觸式自動識別技術，目前已有國內外學者對RFID 在生產(chǎn)過程中的應用進行相關研究。Gary M.Gaukler通過分析RFID 在裝配防差錯管理中的應用，構建了RFID 應用成本收益定量分析決策模型。Fagui Liu 和Zhaowei Miao在分析陶瓷浴缸生產(chǎn)過程的基礎上，提出了基于RFID 的生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。臧傳真和范玉順通過分析RFID 等智能物件技術在制造企業(yè)的應用場景，構建了基于智能物件的制造企業(yè)信息系統(tǒng)。

    因此本文提出將RFID技術應用在變速箱裝配過程，能夠滿足裝配線管理的信息化需求，實現(xiàn)對變速箱裝配的實時、準確的跟蹤，從而解決條碼技術在跟蹤變速箱裝配過程中存在的問題。

    2 變速箱裝配線生產(chǎn)管理現(xiàn)狀

    目前大部分變速箱生產(chǎn)企業(yè)采用了企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)以及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）。ERP 作為企業(yè)管理的最上層，其主要功能是把物料信息、采購到貨信息、訂單信息等資源類信息傳給MES，同時MES 根據(jù)來自ERP 的主生產(chǎn)計劃自動生成各個工件的工藝流程、工序時間、對應的邏輯關系、生產(chǎn)資源等，最后MES 經(jīng)過處理把物料需求計劃、生產(chǎn)隊列計劃、車間現(xiàn)場信息等反饋給ERP 系統(tǒng)。由于條碼技術的局限性，使得ERP、MES 信息非常滯后，信息的實時性較差?？偨Y起來變速箱裝配線存在以下問題：

    2.1 生產(chǎn)流程管理方面

    1）總裝生產(chǎn)數(shù)據(jù)不能及時統(tǒng)計，使產(chǎn)品統(tǒng)計的及時可查詢性和數(shù)據(jù)準確性得不到保證，且造成人力資源的浪費；
    2）目前整個生產(chǎn)線的管理以批次管理為單位，針對每一個具體的產(chǎn)品無法進行有效的管理，不能對生產(chǎn)線上每一個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行有效的監(jiān)控。

    2.2 生產(chǎn)質量過程管理和質量追溯方面

    1）生產(chǎn)過程質量管理。目前生產(chǎn)質量管理主要是采用匯總統(tǒng)計分析的方式,而隨著客戶個性化的要求，企業(yè)希望實現(xiàn)單品管理，記錄單個產(chǎn)品的質量信息。
    2）質量追溯管理。變速箱產(chǎn)品的質量問題主要通過整機流水號查詢零部件的批次號和供應商代號，無法準確快速的追溯到對應的批次，造成質量追溯困難。

    目前一些制造企業(yè)在其裝配線上采用了先進的射頻識別技術來解決信息脫節(jié)的問題。比如寶馬汽車公司、三菱汽車公司都采用了RFID 技術來跟蹤生產(chǎn)裝配過程，國內的一汽大眾總裝線上也采用RFID技術來進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集。因此應用RFID 技術可以解決上述問題：通過把各個工位的動態(tài)裝配信息寫入標簽內，實現(xiàn)裝配線的動態(tài)調度，使生產(chǎn)調度更加及時準確；通過與MES 系統(tǒng)的連接，追蹤每個變速箱的裝配信息及所裝零部件的信息；將裝配過程的數(shù)據(jù)存儲在標簽中，減少網(wǎng)絡負擔，當信息系統(tǒng)發(fā)生中斷時，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)也能夠保存。

    3 系統(tǒng)設計

    3.1 系統(tǒng)的總體設計

    多品種變速箱裝配生產(chǎn)管理系統(tǒng)一個由計算機控制和管理、網(wǎng)絡通信、RFID 技術融合的裝配線信息化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過在變速箱箱體上安裝RFID 標簽，在裝配線的第一道工序閱讀器將箱體的品種代號、流水號、各工位安裝零部件信息及工位提示信息寫入標簽內。在裝配線的關鍵工位以及需要防錯功能的裝配工位安裝閱讀器，通過閱讀標簽內的信息提示工作人員當前的箱體類型并拿取正確的零件進行裝配。在質檢工位閱讀器將質量檢驗結果寫入標簽內，使每一工位的質量信息可查詢、跟蹤以及分析，從而指導整個裝配線的工作。在最后一道工序內，閱讀器將標簽內的所有信息進行讀取并送入車間信息系統(tǒng)，通過訪問車間信息系統(tǒng)做到對生產(chǎn)信息的記錄、跟蹤和統(tǒng)計。通過將車間的首尾計算機、各工位閱讀器通過網(wǎng)絡進行連接，實現(xiàn)裝配線信息上傳至車間信息系統(tǒng)或更高級的ERP 系統(tǒng)。RFID標簽的主要分布如圖1 所示。

圖 1 RFID工作示意圖

    為了更好的說明裝配線生產(chǎn)管理系統(tǒng)各組成的功能，現(xiàn)說明如下：
    1) RFID 標簽。在變速箱箱體上線前安裝RFID 標簽，在箱體出廠前將標簽回收，以重復利用，以及在物料配送的料箱上貼有RFID 標簽。在標簽內承載的主要信息有①箱體類型；②箱體標號；③待裝配的零部件編號；④質量信息，在質檢工位的質量檢驗結果（合格或者不合格）；⑤返修信息，返修次數(shù)及質量結果確認（合格或者不合格）。
    2）閱讀器。在裝配線的首位工位、關重工位、質量檢驗工位都安裝有RFID 閱讀器。閱讀器的主要功能如下：①將箱體或料箱的初始信息寫入標簽內；②從箱體或者料箱上讀取標簽內的相關信息；③將所獲信息傳送至工位信息邏輯處理器（PLC），并根據(jù)信息內容再由PLC 送到工位顯示器；④將裝配作業(yè)質量信息寫入箱體標簽內。
    3）RFID 中間件。位于RFID 硬件和后臺應用系統(tǒng)之間的一種軟件，其主要任務是將數(shù)據(jù)送往企業(yè)應用系統(tǒng)之前進行標簽數(shù)據(jù)校對、讀寫器協(xié)調、數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務處理等。
    4）工位信息看板。裝配線上凡涉及需要多品種管理功能的工位，須安裝看板。當箱體到達這些工位時，看板上應能及時顯示由閱讀器從箱體標簽上讀取的品種信息及其他特殊信息，指導操作者進行正確的裝配。

    3.2 系統(tǒng)體系結構

    基于 RFID 的制造執(zhí)行系統(tǒng)采用分層結構，系統(tǒng)體系結構如圖2 所示。

圖2 基于RFID的系統(tǒng)體系結構

    3.2.1 系統(tǒng)結構說明：其中物理層和中間件層是數(shù)據(jù)采集層，采用C/S 結構，通過RFID 的標簽和閱讀器組成的RFID 硬件系統(tǒng)實時獲得裝配線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并通過通過中間件對原始數(shù)據(jù)進行過濾、去重以及初步的業(yè)務處理功能，減少上層的MES 的數(shù)據(jù)處理組件的工作。數(shù)據(jù)處理層用于對來自裝配線的實時數(shù)據(jù)進行邏輯處理，按照MES 的系統(tǒng)需求，將來自低層的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、融合、存儲，以支撐功能層的數(shù)據(jù)要求。功能層實現(xiàn)MES 系統(tǒng)中面向用戶的作業(yè)計劃管理、生產(chǎn)調度、質量管理等功能。該部分采用B/S 結構，實現(xiàn)各職能部門對裝配過程的管理及協(xié)調。系統(tǒng)集成接口層實現(xiàn)MES 系統(tǒng)與上層的ERP 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)和業(yè)務的集成。

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    3.2.2 系統(tǒng)業(yè)務流程：RFID 技術用于裝配線上變速器的身份認證和標識，同時將RFID 技術和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）以及企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)下結合起來，使得企業(yè)的信息更為暢通和透明。首先，ERP 將生產(chǎn)計劃通過網(wǎng)絡連接傳遞給車間級MES，MES 對生產(chǎn)計劃進行分解和調度，制定出裝配作業(yè)的派工單。RFID 系統(tǒng)根據(jù)派工單將變速器的基本信息（包括各工序所需零部件信息）寫入電子標簽，并固定于箱體。總裝過程中，各重要工序處的閱讀器讀取相應標簽信息并與送來的零部件信息核對，以防止零部件的錯裝和漏裝；利用閱讀器的讀寫性能，質量檢查工位閱讀器將檢查結果寫入標簽并與數(shù)據(jù)庫中的質量標準進行核對，篩選出不合格品；由于RFID 系統(tǒng)實現(xiàn)了與MES 系統(tǒng)的集成，能夠將箱體下線時的所有信息上傳至上層管理系統(tǒng)，便于管理層查看和進行相關質量統(tǒng)計分析。

    RFID 的準確讀取實現(xiàn)了變速箱總裝車間生產(chǎn)流程管理和質量監(jiān)控，并可大幅提高企業(yè)的信息化程度，增強企業(yè)信息的實時性，避免零部件裝配過程中的人為失誤。

    3.3 系統(tǒng)工作流程

    用 RFID 跟蹤變速箱裝配的工作流程如圖3 所示：

圖 3 基于RFID的裝配線工作流程圖

    3.4 MES 系統(tǒng)功能模塊設計

    MES 連接了企業(yè)上層的ERP 系統(tǒng)和車間現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是二者的中間介質。在條碼系統(tǒng)時，ERP 把生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)傳到車間后，由于缺乏實時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)的反饋，因而不能有效的實時的控制變速箱的整個裝配過程，有時因為信息的不準確導致了錯誤的決策。在引入了RFID技術以后，使企業(yè)的信息更加透明，ERP 控制車間的裝配得以實現(xiàn)。同時，對相應的MES 功能模塊進行提升，實現(xiàn)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效結合。制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能模塊有以下幾部分，如圖4 所示。

圖 4 MES 系統(tǒng)功能模塊

    a) 生產(chǎn)計劃管理：通過與ERP 系統(tǒng)的接口，自動生成車間作業(yè)計劃，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的及時調整。通過對RFID 標簽的閱讀，可以在看板上動態(tài)顯示裝配產(chǎn)品的信息。
    b) 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集：通過與RFID 系統(tǒng)以及現(xiàn)場設備的連接，實現(xiàn)生產(chǎn)信息的及時傳遞。
    c)物料管理：通過RFID 技術實現(xiàn)裝配所需物料的查詢、跟蹤。
    d) 在制品查詢：通過對RFID 標簽的讀取，可以實時了解裝配線上在制品的進度、數(shù)量等。
    e) 質量管理：對變速箱質量信息進行全面管理，實現(xiàn)質量信息采集的自動化。對于統(tǒng)計過程中出現(xiàn)的問題及時處理。
    f) 生產(chǎn)隊列管理：結合ERP 等系統(tǒng)導入生產(chǎn)計劃，生產(chǎn)調度部門根據(jù)計劃中要生產(chǎn)的產(chǎn)品以及生產(chǎn)線情況生產(chǎn)當天或某時段的優(yōu)化生產(chǎn)計劃隊列，并把相應隊列信息寫入RFID標簽中，更好的進行排產(chǎn)和調度的優(yōu)化。
    g) 生產(chǎn)監(jiān)控：通過對生產(chǎn)隊列的實時監(jiān)控及生產(chǎn)信息的及時發(fā)布，指導供應商或物流部門把物料及時、準確地投放到車間，實現(xiàn)精益生產(chǎn)。

    4 系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵因素

    系統(tǒng)構建的目的是在裝配車間實現(xiàn)在制品的實時跟蹤，并對裝配過程各環(huán)節(jié)的狀態(tài)進行監(jiān)控，并將這些信息及時上傳到MES 及ERP 系統(tǒng)，因此，RFID 系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)的集成、軟硬件之間的通信等對系統(tǒng)的實現(xiàn)起著關鍵作用。

    4.1 基于RFID中間件的系統(tǒng)集成

    為了使 RFID硬件和制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件能有效的進行信息交換，本文在此介紹了以RFID中間件為紐帶進行RFID 系統(tǒng)和MES 的集成。RFID 中間件是一個位于RFID 系統(tǒng)和應用程序之間，負責系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，用于解決RFID 數(shù)據(jù)的安全性、完整性和數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一的問題。它可以屏蔽RFID 硬件設備的多樣性和復雜性，處理從一個或多個閱讀器獲得的RFID 或傳感器數(shù)據(jù)，對RFID 數(shù)據(jù)進行過濾、分組、計算等處理，為處于上層的MES 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)提供運行與開發(fā)環(huán)境，幫助用戶靈活、高效的開發(fā)和集成復雜的企業(yè)上層應用系統(tǒng)。

    RFID 和RFID 中間件之間采用RFID 系統(tǒng)本身提供的應用程序接口（API）來實現(xiàn)，RFID 中間件把數(shù)據(jù)處理后，通過標準接口對其他系統(tǒng)或程序發(fā)布數(shù)據(jù)。RFID 中間件基本結構如圖5 所示。

圖5 RFID中間件的基本結構

    首先，RFID中間件通過標準接口對閱讀器進行管理及接收來自多個閱讀器的海量EPC原始信息，然后過濾/處理模塊根據(jù)中間件所制定的規(guī)則對RFID 原始數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)包進行去重、過濾、壓縮、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)聚合等操作，把有用信息以統(tǒng)一的語義暫存在內部數(shù)據(jù)庫。而應用接口采用標準的協(xié)議與MES 應用系統(tǒng)進行通信，將MES 事先定義的與RFID 有關的業(yè)務上傳至MES，提高RFID 數(shù)據(jù)應用的效率。

    4.2 移動通信接口技術

    在標準接口方面，常用的有RS-232、S-422、S-485 等標準數(shù)據(jù)接口，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會制定并發(fā)布的。RS232 主要用于不同廠家產(chǎn)品之間的兼容，RS422 是從RS422 的基礎上發(fā)展起來的，它改善了RS232 的不足，主要解決了RS232 中通信距離短、速率低的缺點，它是一種廣播式的傳輸方式，即單機發(fā)送，多機接受的單向平衡傳輸規(guī)范。為了擴展范圍，在RS422 的基礎上制定了RS485 標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性。變速箱多點發(fā)送信息模式中，我們選擇RS485 作為標準接口。

    在 RFID 數(shù)據(jù)到達應用系統(tǒng)之前主要是RFID 閱讀器與計算機之間的通信。在變速箱裝配線上，采用滿足ISO/IEC18000-6 標準的標簽和閱讀器，閱讀器根據(jù)RS485 標準與現(xiàn)場網(wǎng)絡連接，閱讀器通信模塊和網(wǎng)絡之間采用基于TCP/IP 協(xié)議進行通信，一方為客戶端一方為服務器，進而實現(xiàn)信息的有效傳輸。

    4.3 RFID 成本

    目前 RFID 產(chǎn)品及服務的價格較之條形碼系統(tǒng)仍然較高，這限制了RFID 大范圍的應用。RFID 的價格主要包括硬件成本以及系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)處理等軟件成本。因此在裝配線進行應用時首先應從成本出發(fā)，找出有價值的關鍵點進行閉環(huán)使用，通過反復讀寫來降低單次應用標簽的價格和整個系統(tǒng)的成本。在本文中主要選擇了裝配線上下線、關重工位以及質量檢驗工位作為閱讀器的安裝點。

    5 應用實例

    作為國家863 重大項目支撐之一，本文提出的應用方案已在重慶某變速箱有限公司得到了示范應用。企業(yè)一方面是為了提高生產(chǎn)效率，另一方面是為了滿足國家零部件召回制度的要求，更好地為客戶服務。

    RFID 設備主要是電子標簽和閱讀器，在進行選擇時主要從以下幾個方面考慮：符合國家標準；適合應用環(huán)境；與現(xiàn)有系統(tǒng)的集成；工作的可靠性；良好的性價比；識別的距離；識別的頻率；系統(tǒng)的可擴展性；產(chǎn)品提供及維護的便捷性；是否有成功的應用案例等。在實際選擇時，考慮到變速箱裝配線上需識別的物體為金屬，因此選擇金屬干擾能力較強的低頻頻段的RFID 標簽。

    6 結束語

    本文根據(jù)變速箱的實際需求，將RFID 技術應用在變速箱裝配線上，實現(xiàn)了在裝配過程中對箱體的實時跟蹤、信息采集和傳遞，使企業(yè)的信息化程度得以提高。本文提出的RFID的應用，彌補了條形碼技術在信息采集、傳遞中的不足，實現(xiàn)了對在制品的實時跟蹤，更高層次的實現(xiàn)了自動化管理。同時實現(xiàn)了與企業(yè)上層信息管理系統(tǒng)的集成，使車間信息得以全面的應用，解決了企業(yè)信息不暢通的問題，具有一定的借鑒作用。