發布日期：2022-05-25 點擊率：52
第一章、 背景分析
1.1. 項目背景
隨著物聯網技術的興起，國內制造業普遍認識到通過物聯網等技術結合企業信息化MES等管理系統，通過物聯網無線傳感網絡、RFID標簽等技術手段，實現制造裝配線生產過程的工序實時跟蹤和數據采集，從而提高車間制造過程的可視化和可控化水平，增加企業生產效率。生產過程可視化和可控化是生產計劃制定和產品按時交貨的重要參考因素。實現生產制造管理的數字化、生產過程可視化和可控化所發揮出的重要作用，為企業帶來了可觀的經濟效益。
三一重工作為全球工程機械制造商50強、全球最大的混凝土機械制造商、中國企業500強、工程機械行業綜合效益和競爭力最強企業、福布斯“中國頂尖企業”，中國最具成長力自主品牌、中國最具競爭力品牌、中國工程機械行業標志性品牌、亞洲品牌500強。引進了國外先進管理思想和方法，并開發了SAP、MES等信息管理系統，這些系統目前已在產品制造管理中內發揮出了重要的作用，為企業帶來了巨大的經濟效益。
目前三一重工已建成覆蓋全國8大產業園，并且正積極采用先進的數字化技術提升三一重工在生產制造等各個環節的效能提升，本案即為利用物聯網等技術，采集關鍵工序/工位信息，實現對車身公司三大工藝(焊裝、涂裝、總裝)生產線的即時報工。
1.2. 現狀分析
我國傳統制造業由于普遍存在信息化基礎薄弱、生產效益不高等問題，因此在制造業尤其是傳統制造業實施信息化是當前迫切需要解決的任務。如何對車間級的生產信息進行采集與管理，以達到對生產進行“事前預測計劃、事中分析控制、事后跟蹤管理” 的效果成為制造業信息化的方向之一。
目前三一重工湖南汽車制造有限責任公司的生產過程的監控還是通過管理人員到車間現場了解情況，然后對數據人工輸入進行記錄、統計形成車間報表，工作量大并且效率低，無法實時跟蹤在制品加工狀態，數據不能共享。存在以下問題：
工藝轉換時(上/下工)，三大工藝之間的在制品的工序信息耦合不緊密。
對在制品當前所在工位、工步等信息的跟蹤無法做到全程、及時和自動化。
對各在制品的實作工時無法實時、精確掌握，制約計劃排產的實效性，同時也無法開展價值工程。
由于非實時跟蹤在制品的生產過程及裝配進程，導致作業調度、線邊物料配送的時效性差。同時也制約對裝配物料的齊套性查驗，進而影響倉庫、配套廠家和供應鏈的生產配送效率，對JIT生產模式形成制約。
可追溯差，缺乏對整車的宗譜的跟蹤與追溯，包括裝配時間、操作工人、工時、裝配零部件等信息，影響質量管控及售后服務效率和質量。
關重件等信息采集需要工人手工掃碼，效率相對低下。且條碼在使用過程中易受油污影響，易脫落而無法讀取信息。對特殊幾何特征的關重件，條碼掃描不方便。
關重件和主機的裝配容易出現誤裝的情況，無法在裝配前進行匹配性驗證，缺乏相應的預警機制和有效的解決方案。
通過MES終端報工，需要解屏保和身份驗證，導致經常出現一次性為多個產品報工，導致報工任務積壓，報工不及時。
生產過程的非實時性跟蹤，使計劃人員無法及時、準確的掌握生產計劃的完成情況。
1.3. 系統功能目標
本項目擬采取無線射頻識別(RFID)技術來實現在制品的全過程實時跟蹤和自動報工。通過該項目的實施，可以達到以下目標：
1、 在制品全過程實時狀態跟蹤。準確了解在制品的位置和狀態信息。
2、 與MES和PLC集成，實現在制品的三大工藝之間轉換時的信息無縫耦合。
3、 為裝配線全線三維作業指導和物流等業務提供數據支持。
4、 通過采用讀寫器實時觸發報工方法，減少報工時間和提高報工準確率。
5、 通過對裝配線在制品生產過程的跟蹤和實時監控，了解在制品的加工和裝配過程，減少異常處理時間，提高準時完工率和交貨率。
6、 對在制品的宗譜(整車及其部件的歷史加工/來源信息)進行跟蹤管理，便于開展質量溯源。
7、 將采集到的生產過程信息與SAP、MES等業務系統集成，驅動物料管理、配送管理、生產調度、計劃排程、質量管控、售后服務等業務模塊高效高質運行。
8、 RFID采集設備能夠適應現場復雜的工況環境。
1.4. 預期效果
系統實施所達到的預期效果包括：
通過條RFID等自動識別和數據采集手段代替手工處理信息提高管理效率和增強企業的應變能力;
信息系統將向底層自動化擴展。通過RFID向系統輸入大量底層實時數據，使得信息系統勢必不斷向底層自動化擴展，提高裝配過程的靈活性;
彌合企業生產系統中計劃與執行時間的間隙。應用RFID等自動識別和數據采集手段的信息系統能及時獲取生產的實時數據，實現在制品的全程自動跟蹤，并通過網絡信息傳遞通道將數據和應用無縫集成起來，為企業管理層提供決策支持，彌合了計劃下達和生產執行之間的間隙，減少計劃的盲目性;
安全庫存和制造批量的觀念發生變化。RFID在工廠和倉庫中的應用將使得上游工序(或企業)的來料、下游工序(或企業)的需求完全透明，從而實現準時制(JIT)和批量定制(MC)生產方式。
第二章、 系統方案
2.1. 系統總體結構
系統方案的總體結構圖如圖1所示。整個系統大體分成管理執行層、數據通信層和數據采集層三部分。
1. 生產執行層
數據采集層由設備終端和數據采集系統兩部分組成，包括的物理設備有RFID手持設備、耐高溫/耐腐蝕RFID電子標簽等。
主要涉及用于在制品生產的總裝、電泳等工位現場。生產執行層完成底層數據采集、數據傳輸、數據提交和指導生產。
RFID讀寫器：讀寫器是RFID數據采集系統的核心部件，主要完成電子標簽數據的采集與數據交互。
RFID電子標簽：RFID電子標簽的選擇要根據在車身制品的實際特點決定。在本案中使用為特定的高溫抗金屬標簽以保證在本案條件下可以正常工作。
整個系統結構由數據采集、網絡傳輸、系統運算等部分組成。
現場信息顯示：現場信息可通過MES終端機、電子看板等設備顯示，實現零配件批號生成與管理以及生產計劃、生產工藝、生產狀態信息、生產設備信息、質量分析信息的在線實時查詢、顯示、錄入，實現車間的無紙化作業。
RFID標簽發卡設備：發卡器從控制電腦處接收和執行寫入指令。根據一個生產過程的記錄，然后將標簽懸掛在或安裝在制品設備上。
2. 數據通信層
數據通信層是聯系管理控制層和生產執行層的中間部分，實現管理層與執行層之間的數據通信與信息交互。主要的物理設備包括企業內部網(Intranet)和通信服務器。
企業內部網：結合企業生產車間現有網絡環境，數據通信層通過千兆以太網實現管理層與執行層的連接，并實現兩者之間基于TCP/IP協議的數據傳輸和信息通信。
3. 管理監控層
管理監控層主要完成從中間件到生產管理及調度和數據存儲的一系列過程，并響應由底層傳輸過來的數據終端的命令請求，或者中間件發到底層數據終端的指令。管理控制層包含數據庫服務器、管理服務器和上層管理計算機三部分：
中間件技術：中間件是指介于前端數據采集系統和后端數據庫與管理和監控系統中間，提供程序管理、資料過濾與匯集、事件管理、安全管理以及網絡管理等機制的軟件模塊。
中間件提供了一個雙向透明接口，對底層設備的精確控制和實時數據采集以及對上層應用軟件及數據庫等提供需要的底層數據，使上層應用軟件屏蔽了底層硬件的復雜性和多樣性，能在不同硬件環境下更為方便地實現相同功能的軟件。
數據庫服務器：主要存放生產執行層采集的實時數據，用于對整個生產狀態的實時監控。
管理服務器：主要存放對企業生產管理所需的各類信息，用于對生產實施日常管理和企業整體的計劃決策管理;
數據服務器和管理服務器通過網絡接口聯入局域網絡。
上層管理計算機：是生產管理人員用于生產管理的綜合平臺，主要用于對生產狀態的實時監視和生產指令的下達。
系統軟件架構
2.2. 系統業務模型設計
本系統使用在總裝的18個工位區域，通過掃描報工實現對車間生產進度的實時監控。
業務流程描述：
1、 系統在制品上線前，在發卡工作站簽發RFID標簽卡，標簽內寫入該在制品的訂單號、規格型號、制造流程等基本信息。在制品標簽隨車走。
2、 在制品到達某一工位后，通過固定式閱讀器讀取在制品到位時間，并開始查驗配件信息，包括配件數量與規格型號。同時，讀寫器往在制品標簽內寫入當前工位的操作信息，包括裝配工人信息、開工時間、報工時間等，并將相關信息傳遞給MES、SAP等業務系統;
3、 在在制品或部裝件上安裝過程中，如果遇到如配件問題，設備故障等，通過工位按鈕向指定人員反饋，紅燈亮;直到問題解決為止。
4、系統自動報工。當前工位所有工作完成時，可選用以下方式報工：
(1)、通過工控按鈕一鍵確認報工。
(2)、按鈕報工。按一下工位確認按鈕系統確認此工序完成。
(3)、MES終端報工。身份驗證，解除屏保，報工確認。
2.3. 方案關鍵技術及優點
本方案中，涉及的關鍵技術/產品和難點包括以下幾個方面：
物聯網集成管理平臺：
快速定制，通過接口腳本適配各類行業應用系統;
支持主流RFID讀寫器產品，對上層提供Http,Soap,JMS等協議支撐，提供Web Service接口;
提供對RFID讀寫器的監控，配置和管理。
提供靈活擴展的框架，支持ALE規范的升級和快速集成新的RFID讀寫器;
掛載標簽精確定位模塊，支持高精度標簽定位;
提供標簽數據自動生成模塊;
提供企業級運行品質，穩定，高效，安全，可管理，可擴展。
分布式讀寫器技術：
支持低成本大規模遞增式組網;
超大容量讀寫器單元，超傳統50倍以上;
有線無線結合的靈活組網模型;
讀寫器控制單元可獨立部署在核心機房便于集中維護;
控制單元支持硬件升級;
單讀寫器可控制超過2000個射頻節點;
可通過互聯網絡分散覆蓋。
連續、精確、實時射頻定位技術：
追蹤價值目標，可確定覆蓋范圍內的細微活動;
低功耗設計，優化的有源標簽碰撞算法節電一半;
精確定位，世界領先的射頻定位算法;
可自動記錄箱體的堆場擺放位置;
僅需按特定算法部署少量定位讀寫器;
需強有力的算法研究力量支持;
RFID標簽封裝技術：
在倒裝芯片封裝過程中，伴隨著鍵合界面的演變和I/O互連的實現，力、熱、流體、振動、超聲等多物理場的復合作用成為影響封裝可靠性、效率和電氣/機械聯結性能的主要因素。封裝過程中的多物理場作用具有多參數時-空耦合、強非線性及不確定性等特點，其作用機理十分復雜。高性能低成本的RFID封裝工藝依賴于人們對熱、力、流體等多物理場作用下封裝界面形成機理的揭示，以及微小物體精密操作、基于視覺引導的精確定位、高速高精運動控制、多物理參數在線精密測量及耦合控制、光機電一體化設計等理論方法和關鍵技術的突破。
本案中的核心難點之一為耐高溫、耐腐蝕、抗電脈沖的RFID標簽設計，標簽設計需要主要需要滿足以下關鍵指標：
耐高溫：工作溫度(-200C～800C)，保存溫度(-200C～2400C)，持續溫度60’。
耐腐蝕：酸堿強度為3≤PH≤12
抗電場：主要是能夠在在電場中移動或保存時，RFID標簽的性能不被電場強度所破壞。
工業級別：能夠在灰塵、潮濕、油污、冷卻劑、粉屑、有害氣體等環境下工作，滿足IP66保護類型的要求，即防塵和防水。
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