基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)研究

　　1.引言

　　隨著我國汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車市場需求日益多樣化。企業(yè)資源管理系統(tǒng)雖然滿足了對汽車制造過程相關資源的有效管理，但是只能達到物品批次管理而無法實現(xiàn)單品精細化管理。因此，如何實時掌握在制品的車型、數(shù)量、進度、轉移、質量狀態(tài)等信息，實現(xiàn)車間物品層的精細管理和協(xié)調(diào)控制是關鍵之一。通過將無線射頻識別(RFID，Radio Frequency Identification)技術引入車間層管理系統(tǒng)中的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES，Manufacturing Execution System)，跟蹤和監(jiān)控單個車體的流動，可有效幫助管理者實時監(jiān)控產(chǎn)品狀態(tài)，實現(xiàn)車間層可視化和數(shù)字化管理。

　　目前，國內(nèi)外已有部分學者進行制造執(zhí)行系統(tǒng)的相關研究。Jean Marcelo Simao等[1]針對基于規(guī)則導向和產(chǎn)品驅動的MES系統(tǒng)，提出了理論解決模型以滿足客戶定制化需求。吳剛等[2]通過應用XML和BizTalkserver技術的中間件集成方法，實現(xiàn)MES與ERP系統(tǒng)的集成。臧傳真和范玉順[3]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)。Fagui Liu和Zhaowei Miao[4]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)，并通過中間件實現(xiàn)與ERP數(shù)據(jù)庫的集成。汽車制造業(yè)作為離散制造業(yè)中的典型代表，同其他制造業(yè)相比有其獨特的工藝特點和特殊的生產(chǎn)環(huán)境，而針對將RFID技術應用于汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究鮮見報道。

　　基于上述分析，本文通過分析汽車制造過程管理特點和RFID技術優(yōu)勢，提出基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)(R-AMES，Automobile Manufacturing Execution System based on RFID)。

　　2.汽車生產(chǎn)管理現(xiàn)狀

　　汽車制造業(yè)的最終產(chǎn)品都是由成千上萬個零部件所組成，因此針對整車生產(chǎn)和裝配過程的監(jiān)控是管理的重點?？傮w上來說汽車生產(chǎn)具有如下幾個主要特點：

　　第一，MTO(Made to Order)生產(chǎn)模式，需滿足客戶個性化定制要求，實現(xiàn)混線生產(chǎn)。雖然這種生產(chǎn)模式降低了庫存，但要求汽車廠商加強生產(chǎn)控制系統(tǒng)，監(jiān)控整個生產(chǎn)過程以確保每輛車按時準確的完成生產(chǎn)裝配;第二，汽車生產(chǎn)工藝規(guī)程復雜，工藝路線長，主要包括焊裝、涂裝和總裝三大工藝，要求各車間和相關部門協(xié)同完成生產(chǎn)任務; 第三，整車裝配零部件種類繁多，且必須按照一定的裝配次序，如焊裝車間沖壓件的焊裝和總裝車間部件的裝配;第四，生產(chǎn)過程干擾因素多，加工過程不穩(wěn)定，如焊裝車間的電磁干擾、涂裝車間高溫和酸堿環(huán)境等;最后，生產(chǎn)過程采集數(shù)據(jù)量大且分布于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要求實時采集、處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，便于管理者及時發(fā)現(xiàn)潛在的生產(chǎn)問題并及時采取措施。

　　目前，部分汽車企業(yè)通過ERP系統(tǒng)管理企業(yè)資源，現(xiàn)場自動化系統(tǒng)來管理車間現(xiàn)場，這種管理方式主要存在兩方面的問題：一是導致ERP和現(xiàn)場自動化系統(tǒng)之間存在信息斷層。如：企業(yè)ERP系統(tǒng)無法實時與現(xiàn)場自動化系統(tǒng)進行信息通訊，實時更新生產(chǎn)信息，導致高層管理人員無法實時了解生產(chǎn)線狀況和特殊定單完成情況等;二是傳統(tǒng)的ERP系統(tǒng)管理模式無法實現(xiàn)精細化管理。由于企業(yè)沒有引入有效的產(chǎn)品跟蹤標識技術和構建相應的車間層制造執(zhí)行系統(tǒng)，導致企業(yè)管理者只能按批次對產(chǎn)品進行管理，不能有效滿足客戶的大量個性化需求。因此，需要在ERP系統(tǒng)和現(xiàn)場自動化系統(tǒng)之間構建一個橋梁以解決這兩方面的問題。本文結合汽車制造過程管理的需求，構建了一個基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過引入RFID技術，實現(xiàn)了汽車整車生產(chǎn)實時監(jiān)控和精細化管理。

　　3.基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)

　　3.1 RFID 技術

　　RFID系統(tǒng)一般由標簽(Tag)、閱讀器(Reader)天線(Antenna)組成，同傳統(tǒng)的條形碼數(shù)據(jù)采集技術相比，RFID技術有著多方面的優(yōu)勢，具體內(nèi)容如表1所示[5][6]：

　　表 1 RFID 與條碼的特性比較

　　3.2 RFID 應用方案

　　如今，RFID技術已在物流等領域有一定應用，但是在制造業(yè)生產(chǎn)管理中的應用卻鮮見報道，此外相關部門也尚未制定出統(tǒng)一的應用標準。因此，本文提出的應用方案主要適用于汽車整車生產(chǎn)車間范圍內(nèi)應用，通過安裝于車體或運輸載體上的電子標簽實現(xiàn)對車體的跟蹤和監(jiān)控。RFID系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集層，主要采集的數(shù)據(jù)包括三類：生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質量數(shù)據(jù)和裝配數(shù)據(jù).

　　上下線工位：根據(jù)車間的不同需求，在車間起始工位安裝電子標簽，將其固定在車體適當位置或牽引小車車架上，通過閱讀器將車輛VIN碼，車型編碼，顏色編碼，批次號等信息寫入電子標簽。由于VIN碼是按照國家標準統(tǒng)一制定的，具有唯一性，因此可作為車體跟蹤的關鍵標識信息。整車下線后可回收電子標簽實現(xiàn)循環(huán)使用，同時掃描標簽信息打印相應的條形碼貼于車身，作為整車出廠后的身份標識。

　　關鍵監(jiān)控工位：在汽車生產(chǎn)過程監(jiān)控的關鍵工位上，通過設置的閱讀器和天線自動獲取電子標簽內(nèi)存儲的車體信息，一方面通過現(xiàn)場控制器傳入后臺監(jiān)控系統(tǒng)，作為生產(chǎn)實時監(jiān)控的基礎信息;另一方面通過現(xiàn)場控制器與現(xiàn)場PLC控制器、機器人等設備進行數(shù)據(jù)傳輸，控制其執(zhí)行相應的生產(chǎn)指令，或通過電子看板指導現(xiàn)場工人完成正確的操作。此外，在關鍵質量檢驗工位，工人通過手持閱讀器掃描標簽，并錄入質量檢測數(shù)據(jù)到后臺系統(tǒng)中，實現(xiàn)單個車體的質量管理和監(jiān)控。

　　關重件工位：為滿足汽車質量召回的要求，整車企業(yè)需要對關重件進行跟蹤管理。因此，在總裝車間關鍵裝配工位，如發(fā)動機等，當車體到達裝配工位時通過工位閱讀器讀取車體編碼，然后工人通過手持條碼槍掃描發(fā)動機條形碼，將發(fā)動機等關重件的數(shù)據(jù)與裝配車輛VIN碼傳送到后臺系統(tǒng)中進行關聯(lián)儲存，為車輛召回時進行質量追溯提供基礎信息。

　　3.3 系統(tǒng)總體結構

　　一、系統(tǒng)體系結構

　　系統(tǒng)采用分層結構，系統(tǒng)整個體系結構如圖1所示。從圖上可看出，該系統(tǒng)主要包括標簽部署層、物理層、中間件層、功能應用層和系統(tǒng)接口層。

　　標簽部署層主要根據(jù)汽車生產(chǎn)車間的不同應用需求將標簽安裝于車體或設備的相應區(qū)域，具體安裝位置需要通過大量的測試工作后方可進行確認。

　　物理層主要根據(jù)系統(tǒng)的應用需要將RFID閱讀器及其他硬件設備進行部署和管理，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、打印、監(jiān)控和設備驅動控制等。從工業(yè)現(xiàn)場的實際出發(fā)，選擇采用C/S模式。RFID中間件層主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備與控制器和R-AMES系統(tǒng)的集成。功能應用層主要面向管理信息的維護、查詢、統(tǒng)計、報表等應用，要求應用靈活、管理和操作方便，選擇采用B/S模式。系統(tǒng)接口層主要實現(xiàn)R-AMES系統(tǒng)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)如ERP之間的集成?！　』赗FID汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務主要包括兩大部分：核心業(yè)務和輔助業(yè)務。其中主要的功能包括：

　?、偕a(chǎn)計劃維護與管理：從ERP系統(tǒng)下載生產(chǎn)計劃，按照工藝制定并直接下達工序生產(chǎn)計劃到車間，并提供對生產(chǎn)計劃隊列的修改和查詢統(tǒng)計。

　　②車間實時追蹤與管理：在車間的關鍵或重要工位設置采集點，采集相關信息，追蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)流動過程。

　?、凵a(chǎn)過程質量管理：在生產(chǎn)過程中的關鍵工位和有質量檢測要求的地點設置信息采集點，追蹤產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質量狀況，同時進行科學的統(tǒng)計分析和處理。

　?、苌a(chǎn)實時監(jiān)控與查詢：針對采集的信息進行可視化處理，通過生產(chǎn)線圖形化的監(jiān)控界面監(jiān)控各條生產(chǎn)線實時運行狀況和生產(chǎn)訂單的完成情況。

　　二、系統(tǒng)整體構成

　　基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)構成如圖2所示。通過在生產(chǎn)線相應工位安裝的固定閱讀器或手持閱讀器實時采集生產(chǎn)線車體信息，并通過現(xiàn)場控制器實現(xiàn)與機器人等現(xiàn)場設備的實時通訊?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過車間現(xiàn)場總線傳輸?shù)杰囬g服務器進行數(shù)據(jù)處理和分析，最終通過中心服務器將各個車間的數(shù)據(jù)匯總到企業(yè)ERP系統(tǒng)。

　　4.實證研究

　　在國家863計劃支持下，RFID技術已成功的應用于國內(nèi)某汽車企業(yè)涂裝生產(chǎn)線。圖4為該企業(yè)安裝了R-AMES系統(tǒng)的涂裝車間布局圖，現(xiàn)場設置了7處讀寫站。

　　如圖3所示，車體由白車身貯存線(WBS)進入涂裝線，白車身被轉掛到空滑橇上，當檢測開關發(fā)出滑橇到位信號時，Reader 1開始自動讀取滑橇標簽所存儲的數(shù)據(jù)，即讀出滑橇號和噴涂次數(shù)等，同時顯示在屏幕上;再進行寫操作，清除上一循環(huán)的VIN碼、車型、顏色信息，通過R-AMES系統(tǒng)寫入新的VIN碼、車型、顏色等信息，同時系統(tǒng)自動記錄當前時間作為該車身的上線時間，其它Reader均能實現(xiàn)時間的記錄，這樣就可對每輛車所處工藝段進行準確跟蹤。

　　白車身經(jīng)過前處理、電泳和電泳烘干后進入電泳打磨線，當檢測開關發(fā)出滑橇到位信號時,設置的Reader2讀出標簽內(nèi)的VIN碼并自動記錄當前到達時間;然后錄入車身電泳質量信息到R-AMES系統(tǒng)。

　　車身密封完成后進入面漆線進行噴漆，Reader3設置在自動擦凈機和自動噴涂機器人前，讀出滑橇號、VIN碼、車身顏色、車型等信息，確認噴涂顏色后給自動擦凈機、自動噴涂機器人發(fā)出正確的車型及噴涂顏色信息，滑橇噴涂次數(shù)自動加1。

　　車身經(jīng)過面漆和烘干后進入檢測線，Reader4設置在噴涂質量檢查工位，現(xiàn)場檢測工人將檢查結果(合格、返修、返工)寫入標簽，同時錄入質量信息到監(jiān)控系統(tǒng)中。車身從檢測線出站后到達分流點，此處設置的Reader5自動讀取當前標簽內(nèi)的檢查結果信息，合格則進入下一工位，否則進入返修線;設置在返修線下線處的Reader6自動識別返工車，控制其返回面漆線重新噴涂。

　　檢測合格的車身到達車間下線工位后，通過Reader7讀取標簽內(nèi)的VIN碼，打印條形碼作為總裝車間車體識別系統(tǒng)的標識數(shù)據(jù);同時讀出滑橇噴涂次數(shù)，以決定是否對滑橇進行清洗;最后車體轉掛到PBS吊具上進入噴涂完工車身貯存線(PBS)。RFID技術的引入使得企業(yè)的管理更加精細化、透明化，管理者更加清晰的了解生產(chǎn)線的實時狀態(tài)，提高了管理和生產(chǎn)自動化的水平。系統(tǒng)實施后，生產(chǎn)率提高了15%，每年節(jié)約生產(chǎn)成本約160萬元。在實現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部管理精細化后，逐步將RFID技術應用擴展到整個汽車供應鏈，實現(xiàn)整個供應鏈的可視化管理和質量追溯是企業(yè)進一步提高綜合實力的發(fā)展方向。

　　5.結束語

　　本文提出了基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)，并通過中間件實現(xiàn)了該系統(tǒng)與企業(yè)ERP系統(tǒng)、現(xiàn)場設備的集成，很好解決了汽車企業(yè)資源計劃層與生產(chǎn)線現(xiàn)場控制層的信息斷層問題，并結合RFID技術，實現(xiàn)單個物品的跟蹤管理。該制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究成果和實施經(jīng)驗表明該系統(tǒng)能明顯提高生產(chǎn)效率和質量，在汽車制造業(yè)具有普遍推廣和應用的價值。RFID技術在汽車制造業(yè)的成功應用，為全面提升我國汽車制造業(yè)的生產(chǎn)信息化水平提供了充分的技術支持。