基于RFID的车间应用方案

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　 [摘要]文章分析车间管理系统的现状,介绍射频识别(RFID)技术的特点和RFID技术在生产制造中的应用,提出基于RFID技术的车间系统应用方案。
　　 随着现代工业发展,客户需求日趋多样化、个性化,以订单为主的多品种小批量生产模式逐步取代传统的以刚性自动化为代表的大批量生产模式,并成为现代制造业的主流。制造业市场竞争日益激烈,企业迫切要求提高对市场的反应能力,增强企业的竞争力。车间作业管理是制造企业的基础环节,如何实时准确地获取车间底层制造资源和在制品的信息,并且实时地将这些信息反馈到调度层、计划层,是提高企业的信息化水平和敏捷制造能力的关键。
　　一、车间管理系统现状
　　 现有许多生产车间还处于传统的手工作业或计算机半自动化管理阶段,对零部件、在制品的信息处理仍需要企业各级操作员工手工进行,采用诸如加工线路单、工序单、台账等对在制品管理,但填写工作量大,账单容易丢失和受污损,不便于统计和核算,零部件、在制品和产品完工等信息不能及时采集并传递到上层的管理信息系统(如MES、ERP等);虽然也有一些生产车间采用纸质条形码,使车间现场的信息采集得到一定程度的改善,但条形码对环境要求高、携带的信息量小,只能近距离读取、读取时间长,在生产流程中需要多次粘贴条形码,人为操作现象严重,漏扫、误扫率偏高,这些因素制约了条形码的应用和发展。同时生产车间普遍存在生产不均衡现象,对于不同产品的柔性混流生产,零部件配送难同步、产品零件装配易出错,造成生产效率低下。而且零部件在生产与装配过程中,跳站、漏站现象时有发生,造成产品质量不稳定。质量信息分布在各个管理环节、乃至每个工位,由于未建立成品与组装零部件间的关联,造成质量问题难定位、难追踪,不能按时间、工位、人员等因素定位追踪,以查出问题根源。如何准确、快速地采集、处理生产现场的数据,对生产资源、生产过程进行准确的识别和跟踪,实时动态地监控生产的整个过程,成为目前车间管理关注的重点之一。
　　二、RFID技术及应用
　　 射频识别(Radio Frequency Identification),是一种非接触式的自动识别技术 ,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,可读写,环境适应性好。最早的RFID应用历史可追溯到二战期间,英国皇家空军敌我军用飞机的识别。1999年,美国麻省理工学院开始深化这项技术,目标是用电子标签代替条形码,通过RFID阅读器对每一贴有电子标签的商品加以识别,瞬间完成全部扫描和统计结算工作,自动刷新库存,实时了解产品销售状况和供需详情。至今为止,RFID的应用已被广泛应用于物流系统、供应链管理、身份识别系统、高速公路收费等各种领域。澳大利亚将它的RFID产品用于澳机场旅客行李管理中并发挥了出色的作用。瑞士国家铁路局在全部旅客列车上安装RFID自动识别系统,调度员可以实时地掌握火车运行情况,不仅利于管理,还大大减小发生事故可能性。德国BMW公司将射频识别系统SmartTag, 应用在汽车生产流水线的生产过程控制中。Motorola公司在超净车间里利用RFID系统来控制流水线的零件流向等。RFID已经被有关专家认定为21世纪最具影响力的科技领域之一。RFID在我国的发展才刚刚开始。目前,国内有200多家企业、研究机构、大学等从事RFID中间件、数据管理、公共信息服务网络和应用软件的开发和应用。2006年科学技术部等十五部委发布《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》详细阐述了我国发展RFID的技术战略、技术发展及优先应用领域、推进的产业化战略等。RFID 技术被誉为当前最具发展潜力的技术之一。
　　 根据不同的应用目的和应用环境,RFID系统的组成有所不同,但从其工作原理来看,最基本的系统一般都由应用软件、RFID 标签、读写器、发射接收天线这几部分组成。基本的RFID系统如图1所示。 　　

        　　 RFID标签根据应用场合、形状、工作频率和工作距离等因素的不同采用不同类型的天线。一个RFID标签通常包含一个或多个天线。天线设计是RFID标签研制的核心技术之一。
　　 RFID阅读器的主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。根据应用不同,阅读器可以是手持式或固定式。
　　 RFID应用支撑软件除了标签和阅读器上运行的软件外,还包括阅读器与企业之间的相关软件。这些中间件是RFID技术的一个重要组成部分。其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算,减少从阅读器传往企业应用的数据量。
　　三、基于RFID的车间应用方案
　　 鉴于目前生产现场的数据采集、处理、集成以及应用手段较为落后,无法对生产过程和生产资源进行实时准确识别和跟踪,不能满足制造执行系统在质量管理、车间作业调度和过程控制等方面的要求。RFID采集和携带数据的特性,决定其在实时跟踪、调度、检测方面具有无可比拟的优势,可大大减少人员管理和纸制管理的错误率,十分适合制造系统对数据和控制的实时性要求。
　　 在车间管理系统中,可利用射频识别技术全线跟踪产品从原材料、在制品到成品的过程。即每一个零件从原材料开始就带一个射频标签,在它进入生产线或到达完工区的每一个工序,都有射频读写器自动记录工序号、设备和工人的编号ID、加工时间等信息,并通过计算网络将数据传至上层的计划管理系统,避免了大量人工进行的滞后的数据输入和条码扫描等操作以及由此带来的可能的不精确数据,彻底解决了ERP等管理系统实时的信息获取瓶颈问题,从而实现了车间现场数据采集的实时化、自动化和可视化,使企业信息实现全程透明管理。
　　 在工序的起点设置在制品对应的 RFID 电子标签,并固定于在制品机体或生产线台架上,作为在制品在整个生产过程监控的标识。产品上线时绑定电子标签,产品下线包装时摘下电子标签,RFID电子标签将在生产线上循环使用[2]。工位标准配置如图2所示。

        　　 在上线工位,工位控制器通过 RFID 读写器和天线,将产品型号规格、批次、加工要求、质量检验等关键内容写入标签,作为产品生产跟踪的关键标识信息;在产品生产过程监控的关键工位上,工位控制器通过 RFID读写器和天线,自动获取到达该工位在制品的关键标识信息,并通过设置光电传感器识别空台架,检测出因金属物体遮挡等原因造成的 RFID 电子标签漏读,确保可靠读取在制品信息。只要零件进入生产线或到达完工区,将自动记录工序、设备和操作者编号、加工时间,避免了后期人工数据输入、条码扫描等操作产生的不精确数据或误差。这样,通过RFID技术实现对产品从原材料到最终产品的全面跟踪。
　　 RFID 读写器读取经过所在工位的在制品电子标签上的信息,一方面传送至车间控制器,作为生产监控的基础信息;另一方面送至工位控制器,工位控制器将其与生产计划和当前状态数据比对,符合要求的才能进入生产工位;否则给予声光告警,以确保生产工位物料送达的准确性,避免了以往常见的因忽视零部件细小差异而造成的装配错误。工位控制器根据在制品信息和相应生产指令进行处理,并通过电子看板给予工人相应的生产操作指导;同时,将关键/重要零部件数据送车间控制器保存,以备后期质量分析和跟踪。基于RFID的车间生产体系结构如图3所示。

        　　 RFID技术所具有的自动对象识别和数据存储功能能够在车间生产中发挥重要作用。一方面,通过对绑定有标签的待加工对象的自动识别,可以实时地获取待加工对象的操作说明以及注意事项,以指导工人进行正确操作,减少操作失误,提高产品的合格率。另一方面,RFID标签可以记录产品的批次号、流水号、工序号、加工者、加工设备、主要加工参数等,在产品质量检验过程中或后续使用过程中发现有质量问题时,可以通过读取RFID标签来获取这些信息,非常容易地追溯导致产品缺陷的原因和环节;通过对存储于标签中的数据的收集和分析,可以实现与产品跟踪、质量管理、车间调度、生产过程控制等相关的MES功能。
　　 在生产车间,RFID系统可对整个生产线上的原材料、零部件、半成品和产成品进行自动识别与跟踪,及时获得产品数量、传送路线、质量控制程度等与组装工艺直接相关的瞬时常数,从而可加强对生产过程的管理;使用RFID技术对生产线上的产品进行跟踪和记录,可以在同一生产线上生产不同参数的产品,从而极大地提高生产效率;利用RFID可以从生产源头进行有效的追踪,使用RFID记录生产流程中各种数据,可以减少流水线上各类纸制记录,从而减少错误的发生率,保证了生产质量,提高生产过程的可靠性。总之,使用RFID采集和记录数据可以增加生产系统和数据的安全性、适应性,从而达到弹性生产和高精度生产的目的。
　　四、结语
　　 RFID技术具有非接触、输入速度快、准确度高、可靠性强等优点,突破了数据录入和数据采集的“瓶颈”问题,将RFID技术和现有的MES、ERP技术相结合,使得生产过程和存储运输过程中对在制品的跟踪及产品的质量追溯更为清晰有据,有助于企业降低产品缺陷,缩短产品制造周期,降低生产成本,提高生产效率,提高企业在市场上的综合竞争力。
　　
　　[参考文献]
　　[1]中华人民共和国科学技术部等十五部委. 中国射频识别 (RFID )技术政策白皮书[Z]. 2006.
　　[2]李泉林,郭龙岩. 综述RFID技术及其应用领域[J]. RFID技术与应用, 2006,(1).
　　[3]刘卫宁,黄文雷,孙棣华,赵敏,郑林江. 基于射频识别的离散制造业制造执行系统设计与实现[J].计算机集成制造系统,2007,(10).
　　[4]银国超. 基于RFID的离散制造业MES方案及应用研究[D].重庆大学, 2008.
　　[5]Robin G Qiu. RFID-enabled automation in support of factory integration. Robot Computer-Integrated Manufacturing, 2007.
　　[6]Zhang Min, Li Wenfeng, Wang Zhongyun, Li Bin, Ran Xia. A RFID-based material tracking information system, Jinan China: Proceeding of the IEEE international conference on automation and logistics, 2007.

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