發布日期：2022-05-20 點擊率：52
離散制造是以零配件組裝或加工為主的離散式生產活動，由零件或材料經過多個環節的裝配或加工過程，生產出最終的產品。離散制造企業的生產設備往往都是典型的數控設備或傳送帶流水線，以車間為單位，按照工作中心進行成組布置。車間計劃調度部門根據客戶訂單、生產能力、庫存制定生產計劃，組織人員并安排生產設備進行投料生產。
離散制造生產過程普遍存在產品品種繁多、工藝復雜、個性化要求高等特點，反映在信息模型上就是信息量大、關聯和處理規格復雜。這些特點對生產過程的信息采集、傳輸、處理等環節都提出了很高的實時性和可靠性要求。憑借遠距離無接觸識別和數據存儲容量上的優勢，射頻識別I疆ID技術被廣泛應用于制造、交通、物流等領域。RFID還具備識別速度快、準確性高、耐污染等特點，很適合應用于對實時性和可靠性要求較高的離散制造過程中。
離散制造過程可以分為車間生產過程控制和現場制造執行2部分。其中車間生產過程控制是離散制造過程的核心。主要強調的是生產計劃控制和執行。本文將就離散制造過程的生產過程控制方面展開討論，研究并開發一種基于RFID離散制造車間生產過程控制系統。該系統位于業務管理層和車間底層數據之間，強調制造過程數據的實時采集、生產作業計劃的可執行性和有效性。基于RFID技術的車間制造過程數據采集和管理方法的總體目標是在車間管理中能夠自動、及時、準確地采集制造過程數據，讓企業的管理人員及時、準確地掌握企業車間制造過程的運作情況，使企業能夠快速、準確地響應市場的變化，以便盡量減少企業不必要的開銷。
1 生產過程控制系統研究
1.1 離散制造業生產特征分析
典型的離散制造業企業由于主要從事單件、小批量生產，產品的工藝過程經常變更，因此需要進行良好的計劃。離散行業主要是按訂單組織生產，由于很難預測訂單在什么時候到來，因此采購和生產車間制定計劃時就要借助生產過程控制系統。由以上分析可知，該控制系統需要控制的信息量大且種類多，信息之間的關系復雜，事務處理規則描述困難。主要表現為：(1)因單、小件較多，生產較為復雜，生產過程較難控制;(2)生產數據多，且數據的采集、處理和檢索工作量大;(3)產品的種類變化較多，用到的外協件較多，車間生產設備和倉庫要有足夠的柔性;(4)一般來說，離散制造產品的加工周期較長，加工等待時間較長，引起加工總時間過長且時間不確定;(5)影響生產計劃的因素較多，信息形態復雜。
1.2離散制造車間生產過程控制系統分析
生產過程控制，就是要確保企業產品在制造過程中按照規定的方法和順序始終處于受控狀態下進行，這是企業質量管理體系中最重要的一部分工作，有效實現了產品質量的過程控制。生產過程控制是離散制造過程的核心，它包含了車間生產制造各個方面的信息，其組成結構如圖1所示。它主要包括：現場數據采集和管理、生產調度、生產現場監控、勞動組織、質量控制、成本控制、工藝反饋與改進、生產統計、定額核算、安全生產、車間的人員調配以及整個車間設備狀態監控等整個車間生產過程涉及到的工作?？紤]到離散制造過程中產品復雜、生產數據多、加工周期較長等特點，其生產過程控制系統需滿足實時可靠、控制穩定的要求。
圖1 生產過程控制系統組成結構圖
1.3 RFID在離散制造過程中的應用
離散制造業制造過程中不僅具有傳統的制造流程，還具有產品設計一工藝規劃一加工制造一動態調度一信息反饋這個動態的流程。因此離散制造業生產過程控制系統主要是面對車間管理人員、計劃人員提供計劃管理、資源管理、報表統計管理、車間作業管理等功能，而且要求實時地采集現場生產數據并反饋回系統，系統根據反饋的數據進行分析、統計，最后根據相應的分析結果作出反應，從而實現離散制造業車間的無紙化作業、標準化操作、自動化派工、實時化監控、科學化管理等目標。由于RFID具有無接觸識別和快速存取數據的特性，其在實時跟蹤、調度、檢測方面具有無可比擬的優勢，使用該技術可大大減少人員管理和紙質管理的錯誤率，十分適合離散制造系統對數據和控制的實時性要求。
離散制造業生產線較復雜，生產結果與預期有誤差而影響交貨的情況時有發生，人為原因也會影響生產。將RFID標簽貼在生產物料或產品上，可自動記錄產品的數量、規格、質量、時間、負責人等生產信息，用以代替傳統的手工記錄;生產主管通過讀寫器可隨時讀取產品信息;其他相關人員能及時掌握生產狀況并根據情況調整生產安排;物料和產品離開倉庫前系統都將自動記錄出入庫信息，并能實時追蹤物品所在地。RFID電子標簽作為生產數據移動的載體，它在生產線上的流動，實現了生產過程中工人、工序、工件、工時的實時精確統計。從而達到實時控制生產過程、便于質量管理和追溯的目的。RFID技術的應用將有利于企業實現實時化、透明化、可視化的管理。
2 基于RFID生產過程控制系統設計
生產過程控制系統作為離散制造過程的核心，連接著底層車間制造與上層管理系統，整體系統結構圖如圖2所示。
圖2 整體系統結構圖
2.1 系統的整體架構
車間生產過程控制系統利用RFID技術采集車間生產過程信息，主要銜接上層決策系統ERP/MES與底層RFID設施層，對整個車間的生產進行管理和控制。分析圖1，基于RFID離散制造車間生產過程控制系統從模塊上劃分可分為：數據采集和處理模塊、生產計劃模塊、生產狀態監控模塊、閉環實時控制模塊和信息管理模塊。該系統功能模塊如圖3所示。其中，數據采集和處理模塊、生產計劃模塊、生產狀態監控模塊、閉環實時調度模塊實現了對生產過程數據的采集、生產計劃引入、車間狀態監控、生產閉環調度等功能，是整個系統功能實現的核心部分。而信息奩詢管理模塊提供必要的信息查詢和統計分析功能。
圖3 系統功能模塊圖
各模塊具體功能介紹如下：
a.數據采集和處理模塊。
數據采集和處理模塊是系統的基礎模塊，主要負責采集物料加工數據、設備運行數據、產品質量檢測數據以及故障數據等。采集完成后.將原始數據上傳至數據庫和過程控制系統進行處理。
b.生產計劃模塊。
生產計劃模塊是過程控制的前期準備，在參考了數據采集模塊上傳的關于物料、加工設備、車間作業情況數據以及企業資源計劃的情況下，通過生產排程將生產任務生成生產作業計劃，便于企業合理安排生產，使企業資源利用達到最大化，降低企業運營成本。
c.生產狀態監控模塊。
生產狀態監控模塊分為設備運行狀態監控、故障信息監控和加工進度監控。通過此模塊，可以實時地觀察車間各種設備運行狀態和加工進度。當出現機器損壞或物料大量堆積等故障信息時，可以及時采取應對措施，防止出現停產現象。
d.閉環實時調度模塊。
閉環實時調度模塊的作用是對監控模塊返回的故障信息進行處理。當車間生產作業發生變化，例如設備運行故障、物料短缺、新訂單插入、訂單交貨期提前等情況出現時，運用閉環實時調度模塊可以實現故障排除處理和生產計劃重排。e.信息查詢管理模塊。
信息查詢管理模塊主要管理物料及設備信息、故障信息和產品完成進度信息。通過此模塊可以了解所有加工工件的加工詳細信息，其中包括工件加工的開始時間、結束時間、加工機器、加工工序、操作員等信息。同時還提供了對故障詳細信息的查詢，包括故障機器、故障原因、故障時間等信息。
2.2車間過程控制系統應用模型
通過對離散制造車間生產過程控制系統的各功能模塊的分析，可以得到如圖4所示的生產過程控制系統的應用模型。
圖4 生產過程控制系統應用模型
首先由生產過程控制系統的生產計劃模塊生成生產作業計劃，生產車間根據生產作業計劃展開生產。數據采集和處理模塊對貼有射頻標簽的加工物料和加工設備的狀態數據進行采集，經過過濾、分析處理后，將數據傳送至生產狀態監控模塊和閉環調度模塊。當出現故障信息時，狀態監控模塊就會向過程控制系統發出故障報告，過程控制系統將報告傳送至閉環調度模塊，最后由閉環調度模塊生成故障排除方案，再通過過程控制系統解決故障。
2.3硬件及接口設計
基于RFID的離散制造業生產過程控制系統由處于底層的數據采集終端，通過CAN總線與工作站進行通信，把數據信息傳送到車間工作站，車間工作站通過企業網絡把數據保存到數據庫，然后通過接口程序傳送到其他系統，為企業管理決策提供可靠、準確、實時的數據支持。本系統由硬件系統和接口程序構成。
2.3.1硬件系統設計
硬件系統包括2個主要部分：數據采集終端和基站。數據采集終端的作用是用來采集離散制造業生產一線的實時數據，其組成結構包括I源ID管理模塊，數據輸入、數據顯示和數據存儲模塊，狀態顯示模塊等。
基站的主要作用是實現車間工作站運行的通信程序與終端之間的數據交互，主要由數據收發模塊和數據存儲模塊組成。利用RFID進行數據采集過程如圖5所示。
圖5 RFID數據采集過程
2.3.2接口程序設計
接口程序是把從車間現場采集到的實時數據傳送到其他的系統中，以便查詢、統計生產信息。利用中間件的設計思想，把接口程序設置在系統服務器端，接口程序可采用定時和觸發2種方式傳遞信息。接口程序主要完成以下數據的傳遞：加工信息、加工設備信息、工藝參數信息、質量信息、產品信息、檢驗數據等。
生產過程控制系統針對位于企業計劃層和工業控制層之間的執行層管理問題，可向企業現有的ERP系統、PDM系統等提供可靠、及時、準確的信息，能有效防止車間管理信息的“斷層”。本系統采用通用數據接口程序，把分布在所有車間終端上采集的數據提交給上層管理系統，為企業決策提供數據支撐。接口程序采用中間件開發思想，集成加隆和ERP系統的數據參數傳遞方式，采用定時和事件觸發的方式對接口函數進行調用。
3 系統開發與功能實現
3.1系統仿真平臺開發
仿真平臺主要由上位計算機、總控制臺ARM控制器、自動輸送小車AGV、加工單元和自動化立體倉庫組成，其中加工單元包括機械手、加工設備、射頻讀卡裝置以及零件緩沖區等。已貼射頻標簽的物料存儲于自動化立體倉庫中。生產運行后，根據生產作業計劃，AGv從倉庫出庫臺搬運物料至相應加工單元，由ARM控制加工單元運作。所有加工工序完成后，物料再由AGV運送回倉庫。讀卡器會在加工開始與結束分別讀取RFID的數據，過濾處理后，上傳至控制系統。
仿真平臺的實物照片如圖6所示，該實驗平臺可以模擬離散制造車間生產過程，本文將在該平臺上驗證基于RFID離散制造業車間生產過程控制系統的有效性和可行性。
圖6 仿真平臺的原型
3.2功能實現
根據對系統總體設計的要求，已搭建完成的車間生產過程控制系統包括以下功能模塊：基礎數據管理、生產作業管理、生產監控管理、生產查詢管理、資源管理和數據接口。各主要模塊實現功能如下：
a.基礎數據管理。
基礎數據管理模塊可以定義產品生產特性及物流管理信息系統用戶，執行功能的權限及用戶使用功能的授權，并對各子系統公用的基礎數據進行維護，如工序、工人、車間等信息，這些基礎數據是進行制造生產和運行調度的基礎。
b.生產作業管理。
該模塊自動生成車間作業計劃?？梢钥刂萍庸すに?、加工過程、優先級調度等。系統設置的控制器會根據生產能力、設備狀況生成計劃，通過RFID閱讀器對標簽的識讀，實現對現場生產作業信息的錄入，并把數據信息輸入到服務器上的數據庫，方便管理人員合理安排生產，提高生產效率。
c.生產監控管理。
該模塊主要提供信息給一般用戶、企業管理人員等需及時了解生產進度情況的人員。它主要包括訂單執行情況的實時監控、工序生產的實時監控、工位生產的實時檢測。這些實時監測功能提供了整體生產執行信息，可以實時地觀察車間各種設備運行狀態和加工進度。方便用戶根據實際情況及時調整生產計劃。
d.生產查詢管理。
工作狀況，采用圖表、直方圖或餅圖等方式進行直觀的反映，為管理者提供決策依據。查詢功能可以查詢到每個工位的操作信息.如裝配的具體時間、物料需求信息、員工操作結果、質量狀況等，而且還可以追溯生產歷史，從而找到殘次品產生的環節。
e.資源管理。
該模塊主要對生產線上的設備進行管理，提供給用戶當前各設備的工作狀態，及時了解現有設備的實際使用情況，以便為安排生產或者設備維護提供參考依據。
f.數據接口。
該模塊提供與車間設備、MES、ERP或其他車問管理信息系統的數據接口功能。
4 結束語
離散型制造企業的生產過程控制系統的特點表明，利用RFID技術將從根本上提高產品生產過程中物料監控和協調調度的管理水平。基于RFID技術的控制系統適合大部分離散型生產企業的生產過程控制應用，既可以提高企業的生產效率，又能降低企業生產成本，有較高的實用價值，具有非常良好的市場前景。為提高中國制造業信息化水平，以信息化帶動工業化，在企業原材料供貨、生產計劃管理、生產過程控制、精益制造等多個方面使用RFID技術，可以實現生產過程的實時數據采集可視化、準時化以及業務協同和產品信息可追溯。基于RFlD過程控制系統的應用還可與ERP、CRM等系統形成良好的互補，有效地解決ERP系統在物資和產品數據采集、數據準確性和實時輸入等方面的問題，是實現離散型制造企業整體信息化的樞紐信息系統，有助于企業減少產品缺陷，縮短產品制造周期，降低生產成本，提高生產效率，提高企業在市場上的綜合競爭力。
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