基于RFID的离散制造业制造执行系统设计与实现

1、基于RFID的离散制造业制造执行系统设计与实现刘卫宁，赵敏重庆大学摘要：针对离散制造企业在生产形态和生产管理中存在的问题，引入RFID技术跟踪在制品、采集制造过程生产和质量数据，解决ERP计划层与现场过程控制层间信息和管理的断层问题，实现制造和质量的可视化和数字化管理。研究提出系统的构成、体系结构，通过车间控制器和单元控制器的有机结合实现系统功能。实际应用的情况证明本系统成功解决了计划层和生产控制层之间的信息断层问题，提高了生产效率、生产质量和管理水平，实现了制造过程可视化和产品质量可追溯化。关键词：RFID；离散型制造业；制造执行系统；通信中间件Design and Implementati

2、on of Discrete Manufacturing Industry MES Based on RFID TechnologyAbstract: Analyzing the production organizational mode and problems in production management of discrete manufacturing industry, RFID technology was introduced to track WIP (work in process) and collect data of product quality, fill i

3、n the information and management gaps between ERP plan and field process control, and implement visualization manufacturing and digital management. Discussing system architecture and operational characteristics and the shop controller and cell controller were combined to cooperate for system functio

4、ns. The factory application showed that the proposed RFID based MES was successful to fill in the information gap between plan layer and control layer, and the visualization of manufacture process and trace facility of product quality were realized.Key Words: RFID; Discrete Manufacturing Industry; M

5、ES; Communication Middleware0 概述离散制造企业生产现场的在制品跟踪和生产状态监控一直是MES功能实现的瓶颈。如何准确及时地将生产所需零部件运送到生产线？如何跟踪生产物料实现对产品质量的控制和追溯？这是离散制造业，尤其是采用流水线作业的组装厂的难题。尽管条码技术的使用在一定程度上解决了上述问题，但由于条码易污损、读写距离短、不耐高温、数据存储量小且不可重写，尚不能很好地解决生产制造与装配过程中的跟踪和管理问题。RFID（射频识别）技术的出现弥补了条码的这些不足，将成为支持生产制造与装配过程管理的新途径。基于RFID实现生产过程的管理与控制能有效地跟踪、管理和控制生产

6、所需的包括物料、设备、人员在内的所有工厂资源，与上层管理系统结合，可合理地调度、管理这些资源来提高制造竞争力，改善生产组织、缩短生产周期、减少在制品数量、减少生产提前期，提高产品的质量和降低人力资源消耗。满足离散制造企业对生产管理和质量的需求。为此，本文采用RFID技术作为离散制造业生产现场的在制品跟踪和生产状态监控的基础，解决了ERP计划层与现场过程控制层间信息和管理的断层问题，实现了制造和质量的可视化和数字化管理。1 系统的总体结构1.1系统构成图1 基于RFID的MES系统构成基于RFID的MES系统构成如图1所示。车间控制器位于企业上层管理系统和车间控制系统之间，实现现场控制系统与计划

7、层ERP等系统的网络、数据及应用的集成。底层工位控制器下连生产线上各种生产控制和检测设备，上接车间控制器，实现底层生产数据的采集及其与车间控制器的通信和应用集成。一般置于生产线关键工位处。1.2工位典型配置关键工位设有工位控制器，工位控制器下连RFID读写器、条码扫描枪、电子看板等生产控制和检测设备，上接车间控制器，实现工位生产数据的采集及其与车间控制器的通信和应用集成。 图2 工位典型配置图1.3系统体系结构系统采取分层结构，系统体系结构如图3所示。图3 系统体系结构图系统集成接口实现MES系统与ERP系统的集成。通信中间件采取C/S结构，其服务器端和客户端软件分别驻留在车间控制器和工位控制

8、器上，用于车间层数据的采集、管理、控制和通信。数据持久层用于生产数据的逻辑控制处理，按照MES系统需求将来自低层的各种生产数据处理、融合、存储，以支持MES功能层上的数据需求。功能层实现MES系统中面向客户的生产监控、计划管理、质量跟踪管理等功能。此部分采用B/S结构。2 系统功能及特点2.1 系统功能MES系统由以下六个部分组成：l 工位生产及物料计划管理：完成生产及物料计划下载（从ERP系统至MES服务器），并按工艺将生产及物料计划细分到工位，并将其下发到生产线相应工位控制器上。l 工艺管理：完成生产线工艺流程及工序组织方案的维护和管理。l 成品质量跟踪管理：完成成品全生命周期跟踪和用户返

9、修品的质量追溯，并为质检部门提供成品质量综合分析功能。l 生产监控：用于监控生产计划执行情况和生产线实时运行状况。同时，管理人员还可以通过本系统向单个或多个工位发布生产指令。l 配料管理：实现关重件的物料比对及信息记载。l 生产控制设备管理：为系统管理员定制，实现生产现场系统拓扑管理、设备（控制设备及其外设）管理、软件（控制设备加载软件）管理、配置文件（控制设备关键参数配置文件）管理和故障管理（控制设备运行状况实时监控、远程重启、断点恢复）。2.2 系统特点l 用户界面友好。管理层用户端应用系统采用B/S结构，客户端操作直观简便、培训量小，软件升级方便。l 开放性好。系统采用分层结构，为各种E

10、RP系统和下层数据采集系统的接入提供了良好的集成接口。在数据采集层，工位控制器支持多种标准通信接口，可接入生产线上各种设备和仪器，适用于各种工业现场；系统集成接口标准化设计易实现MES系统与上层ERP系统的集成。l 运行效率高。车间层数据采集和通信中间件采用C/S结构，将系统功能分布在车间控制器和各工位控制器上完成，提高了系统处理的效率和可靠性。l 可移植性强。车间层数据采集和通信中间件的客户端软件基于通用的软件平台，服务器软件基于JAVA，易于系统移植和跨操作系统运行。l 可扩展性好。在系统体系结构、硬件和软件设计上具有良好的可扩展性。在硬件设计上，工位控制器通过PC104标准扩展总线可实现

11、多种标准功能模块的扩展；在软件设计上，应用系统与数据的分离，及模块化设计，使系统可根据用户需求扩充软件模块功能。3 系统应用效果在国家863计划支持下，本文完成的基于RFID的MES已应用于某通用汽油机生产企业的生产线上。该生产线引入RFID技术实施MES后，采用电子标签跟踪在制品，并兼容基于条码的关键零部件比对。图4为实施了MES的通用汽油机生产线现场。图4 基于RFID的通用汽油机MES的生产线现场上线工位工人通过条码枪将流水号写入电子标签，使其与在制品绑定。其后的各关键工位的单元控制器通过电子标签识别和跟踪在制品，电子看板实时显示在制品信息、操作指导、车间指令等。支线上的工人可通过手持天

12、线自动读出，通过指示灯查看比对结果。在制品下线时由工人取下电子标签取消绑定。基于RFID的MES在通用汽油机生产的应用中已产生明显效果。管理层和技术人员通过网络浏览器监控现场生产情况和生产计划执行，提升了生产过程控制水平；通过电子看板向各工位下达管理指令，替代了原来纸质文件在各工位的传递，方便快捷；电子看板以“图片+文字”的形式及时指导生产线上工人的操作，生产质量得到更可靠的保证；关键及重要零部件上料时的比对，有效控制了装配差错的发生。系统试运行的情况表明，该生产线生产流程已更加顺畅，在基本不增加人员和其他设备的基础上，生产效率提高约10%，且生产质量事故大大减少，从以前的每月14至15起减少

13、到目前的2起左右。表明该系统起到了提高产品质量和改善生产线整体效率的作用。4 展望系统实施形成的软硬件成果及实施经验，在汽车、摩托车、家电、机械制造等离散型制造业中具有推广应用价值。系统的实施不仅很好地满足了企业生产和质量管理的需求，同时也为我国RFID技术的应用起到了积极的示范作用。此外，将基于RFID的MES与供应链管理相结合，可使物流系统的信息流和实物流保持同步协调一致， 反映从生产、分配、销售到用户一环扣一环的行为，从而实现产品的全生命周期管理。图5 将基于RFID的MES与供应链管理相结合的数据流图参考文献：1 JIANG Mingwei. Characteristics of Ma

14、nagement Informationization and Trends of Development in China Machinery Manufacturing Industry, 2004-10-08 .蒋明炜. 我国机械制造业管理信息化特点及发展趋势EB/OL. 2004-10-082 CHEN Xiwen. I/O Interface Programming and Application, China Machine Press(Beijing) ,1997 陈西文. I/O接口程序设计与应用M. 北京:机械工业出版社，1997.3 HU Chun, LI Ping. Comparison of MES Between Productions of Continuous Industries and Discrete Industries J. Control and Instruments in Chemical Industry, 2003,30(5): 14. 胡春, 李平. 连续工业生产与离散工业生产MES的比较J. 化工自动化及仪表, 2003,30(5): 14.4 LIU Ying, WANG Lihui, RFID&RTLS technology and ApplicationJ, A