基于RFID技術的汽車總裝廠零配件配送計算機監控系統

吳理門

(湖北水利水電職業技術學院，湖北 武漢 430074）

1 引言

現代汽車總裝廠由于裝配車型多、生產柔性大、管理復雜、所需零部件多等原因，經常導致生產停線，為此，企業急需新的生產管理手段來解決這一難題。射頻識別技術作為一種新興技術，其自動快速識別的特性以及良好的環境適應能力，正迎合了汽車制造企業的需求，將RFID技術應用于汽車總裝廠零配件配送監控系統，越來越受到人們的重視。

2 傳統零配件配送方式的問題

汽車制造企業總裝廠的生產物流按工藝流程進行，傳統零配件配送方式面臨以下幾個方面的問題：

（1）在零配件配送過程中，各環節的信息錄入均由手工完成，經常出現抄錄錯誤，導致工作步驟不能正常銜接，影響了整個生產流通；

（2）當發現產品有缺陷時，由于記錄的不完全和數據的不統一，不能及時查詢到具體的負責人員；

（3）由于某些條碼不可讀或者一些人為錯誤，使得存貨統計缺乏準確性，從而影響到總裝廠PC區做出正確決定；

（4）傳統方法在清理貨物時效率很低，而為了及時了解貨物的庫存狀況又需要隨時清點，為此需花費大量的人力、物力；

（5）生產線與倉庫溝通銜接不夠好，導致配料效率低；

（6）零部件配送過程中的貨物損耗始終困擾著車間配送，損耗的原因有貨物存放錯了位置引起的，也有貨物被偷盜而損失的，還有因為包裝或者發運時出錯導致的；

（7）管理人員不能直觀及時地了解生產線狀況，從而不能根據生產實際情況及時調整作業計劃。

根據上述需求分析，信息傳遞的延遲以及信息的不準確是整個問題的關鍵，因此要改善生產管理的效果，降低產品的成本，必須從信息采集技術入手，從而改變生產過程中的信息傳遞方式。基于這種情況，提出了基于RFID的物流管理信息系統。

3 基于RFID技術的汽車零配件配送方式的優勢

在配送中心應用RFID技術后，帶來的效益主要體現在以下幾個方面：

（1）要貨信息處理效率提高。由于采用RFID技術，要貨信息處理過程中避免了很多無效或者不合理信息的出現，入庫、整理、補充的可靠性提高，縮短了整個要貨信息處理的周期，提高了在整個供貨配給中信息處理的效率。

（2）節省人力成本。傳統的汽車零配件配送由于要對貨品進行掃描、定位、統計、核對，費時費力，而應用了RFID技術后，自動進行掃描和核對，可節省人力成本達30%～40%。

（3）精確控制庫存能力大大提高。由于可以知道每個貨物的精確位置，數據的管理具有及時性和準確性，使得存貨信息精確性大大提高。

（4）降低貨物損耗。貨物的損耗主要由職員盜竊、零配件配送過程中的丟失、管理和核對的錯誤帶來的遺失等引起。由于RFID技術可以詳細管理到每一個貨物，所以配送丟失帶來的貨物損耗幾乎可以完全避免。此外RFID技術的高度自動化，也使得管理、審計錯誤引起的貨物損耗降到最低，所以采用RFID技術后極大地降低了配送過程中貨物損耗。

4 RFID系統的工作原理

RFID的基本原理是利用空間電磁波的耦合或傳播實現對象信息的無接觸傳遞，以達到自動識別被標識對象，獲取標識對象相關信息的目的。典型的RFID自動識別系統包含電子標簽(Tag)和閱讀器(Reader)，后者由數據載體，讀/寫單元和接口模塊構成，接口模塊以總線方式或串口通訊方式與PLC、PC等控制單元相連。RFID系統如圖1所示。

電子標簽中一般保存有約定格式的電子數據，在實際應用中，電子標簽附著在待識別物體的表面。讀寫器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。通常讀寫器與計算機相連，所讀取的標簽信息被傳送到計算機上，進行下一步處理。

系統啟動時，由讀取器產生特定頻率的無線電信號，激發標簽內部晶片中的程序，進而產生射頻電波，并將記憶體中的識別碼(ID Code)傳回讀取器，經由計算機解碼后完成辨識功能。

5 基于RFID技術的汽車總裝廠零配件配送監控系統結構及功能

5.1 基于RFID技術的零配件物流配送監控系統結構

在汽車總裝廠現場建立統一中心數據庫，作為零配件流通的信息平臺。在工業環節利用RFID技術為每一個在制品零部件或者托盤賦予識別編號(ID)，也就是該部件在信息網絡中的名字，通過RFID技術，將生產狀態、庫存情況映射到信息網絡中，登記在現場中心數據庫里，再傳送到信息體系中 (如ERP等）。

RFID零配件配送管理系統主要由基礎硬件網絡平臺（現場信息采集點讀寫器設備及其與后臺管理系統之間的數據傳輸網絡）、硬件接口平臺、管理軟件平臺、ERP系統接口平臺（負責與ERP系統進行數據交換的部分）等組成，構成分層分布式控制系統，包括數據采集管理層、配送過程監控層、ERP系統管理層。零配件物流監控系統結構圖，如圖2所示。

（1）數據采集管理層。RFID是數據采集管理層的核心，通過讀寫器采集裝有零配件的托盤或零配件電子標簽中的信息，進行簡單的信息預處理（解碼、防沖撞、多通道信息去重、信息過濾、分類）。 .

（2）零配件配送過程監控層。零配件配送過程監控層負責管理零配件配送過程中在制品的加工信息、生產線的狀態信息和零配件物流狀態信息，并將這些實時信息及時呈遞給物流配送調度部門，使企業領導和調度管理人員能夠掌握第一手的生產作業情況，其與零配件配送監控服務器、RFID讀寫器、零配件信息顯示終端等，通過工業以太網組成一個星型網絡結構。

（3）ERP系統管理層。ERP系統管理層是系統的頂層，也是整個系統對外部的接口。ERP系統服務器作為車間級零配件管理、調度的中心，負責整合、分發監控層上報的物流信息，實現車間范圍內的信息共享，為管理者及時下達調度指令提供可靠的分析依據。

5.2 基于RFID技術的汽車零配件配送監控系統功能

根據系統總體設計的要求，整個系統主要包括系統管理、零配件入庫和檢驗管理、零配件整理和補充管理、總裝線零配件配送管理、零配件動態配送監控管理等功能。

（1）系統管理。系統管理模塊可以定義某車型總裝生產線生產及物流管理信息系統用戶、執行功能的權限以及用戶使用功能授權，并對各子系統共用的基礎數據進行維護，完成數據的備份作業。

（2）零配件入庫和檢驗管理。將RFID標簽安裝在周轉箱或零部件上，將零部件批次、編號、名稱、數量、生產廠家等內容寫入標簽，即可實現對零部件的標識。貼有射頻標簽的零配件運抵總裝廠暫存庫（PC庫）時，入口處的閱讀器將自動識讀標簽，并將相關內容寫入標簽，通過標簽可實時查詢各盛具狀態、所裝物料及其數量等，實現零部件成品庫的無紙化管理。根據得到的信息，管理系統會自動更新存貨清單，同時，根據看板的需要，將相應零配件發往正確的地點。這一過程將傳統的零配件驗收入庫程序大大簡化，省去了繁瑣的檢驗、記錄、清點等大量需要人力的工作。

（3）零配件整理和補充管理。裝有移動讀寫器的運送車自動對零配件進行整理，根據主工作站計算機管理中心的指示，自動將零配件運送到正確的位置，同時將計算機管理中心的存貨清單更新，記錄下最新的零配件位置。存貨補充系統將在存貨不足指定數量時，自動向管理中心發出申請，根據管理中心的命令，在適當的時間補充相應數量的貨物。在整理貨物和補充存貨時，如果發現有貨物堆放到了錯誤位置，讀寫器將及時向管理中心報警，根據指示，運送車將把這些貨物重新堆放到指定的正確位置。

（4）零配件動態配送監控管理。應用RFID技術后，零配件送貨將實現高度自動化。在周轉箱或托盤上安裝標簽，讀寫器安裝在生產線的物料存儲區，及時統計零部件的使用情況和線邊庫存情況。通過車體追蹤系統提前計算各工位零部件需求，結合線邊庫存，提前通知零件庫或配送商配送，保障配送準確及時。零部件物流配送人員根據電子看板顯示的生產計劃，去裝配車間PC庫領料；當零配件在車間PC庫出庫時，經過倉庫出口處閱讀器，讀寫器自動讀取貨品標簽上的信息，并將出庫后要進入現場的零部件讀入現場物流管理模塊；當零部件在工位被正確安裝到車架上時，車間看板定時顯示已經使用的零配件及需要去庫房領取的零配件。配送人員根據生成的現場物流監控視圖，對現場零配件定時進行補充，將空箱回收到規定地點置換滿箱零配件，配送到相應的工位。這樣，出PC庫的零配件不需要掃描，可以直接運送到生產線工位貨架，而且由于前述的自動操作，整個送貨過程速度大為提高，同時所有貨物都避免了條碼不可讀和存放到錯誤位置等情況的出現，準確率大大提高。

裝配車間生產線工位標簽上記錄著各個工位需要裝配的零部件的標務代碼，在總裝廠的各個工位上都安裝讀寫器和看板，并將讀寫器編號。當工件進入第一個工位時，讀寫器讀取標簽上的內容和讀寫器的編號，中間件根據讀寫器的編號提取標簽上的代碼并將第一個代碼傳入企業應用程序，經程序處理后將第一個工位的裝配工藝發送到第一個工位看板。

工位工人按照看板顯示的內容進行裝配。進入工位讀寫器的讀入范圍時，零部件的標簽自動發送到中間件，當接收的代碼與需要裝配的代碼不一致時，將發送錯裝警報并將正確的裝配信息發送到看板。以后的工序以此類推。

（5）總裝線零配件查詢及跟蹤管理。現在的零配件查詢及跟蹤主要通過兩種方法，一是標簽貼在零件本身，二是將標簽貼在零件的包裝或周轉箱上，后者可以減少RFID的使用費用。

根據工藝及生產管理需要，可在總裝廠出入口處、零配件物流的分岔處、重要的工藝過程入口處設置讀寫器。讀寫裝置可以自動讀取安裝在托盤或零部件上的標簽中所存儲的數據，并將數據發送給現地層管理終端PLC，同時顯示在人機界面上；通過PLC上傳給車間配送過程監控系統（主工作站）進行進一步的處理和運算，從而實現對整個車間零部件物流的查詢、跟蹤和配送過程控制。查詢及跟蹤管理的功能為管理人員提供及時的生產線工作狀況及數據，包括：生產線編碼、產品編碼、零部件編碼、訂單號、狀態位置、計劃號、產品順序號、VIN信息等。在零部件配送中采用RFID技術，不需要所有的讀寫裝置都和主數據庫通信，因此與主數據庫通信的失敗不會導致配送的停止。

（6）防差錯管理。在裝配流水線上使用可重復使用的射頻標簽，該射頻標簽上可帶有詳細的汽車零配件需求，在每個工作點處都有讀寫器，這樣可以保證零配件在車間各個位置都能毫不出錯地完成配送任務。

（7）零配件追溯管理。零配件追溯要求有詳細的零配件配送現場記錄，根據RFID標簽信息，可以追溯零配件的質量信息、主要配套件生產商信息；根據零部件信息可以追溯到零部件批次和關鍵部件批次等信息，找出同批次的其他產品；向上可追蹤至材料、組件，向下可追蹤至終端用戶。

6 RFDI系統中的電子標簽和中間件

電子標簽和中間件作為汽車總裝廠零配件配送監控系統中的重要節點，它們的質量、成本和效率直接影響到零配件配送監控系統的可靠性、安全性、實時性。

6.1 RFID標簽選擇

RFID標簽分為：低頻射頻標簽、中高頻射頻標簽和超高頻射頻標簽三個等級。車間物流配送標簽一般選用中高頻或超高頻射頻標簽。

中高頻段射頻標簽的工作頻率一般為3MHz～30MHz。典型工作頻率為：13.56MHz。該頻段的射頻標簽采用電感耦合方式工作。

超高頻與微波頻段的射頻標簽，簡稱為微波射頻標簽，其典型工作頻率為：433.92MHz、862(902)～928MHz、2.45GHz5.8GHz。微波射頻標簽可分為有源標簽與無源標簽兩類。工作時，射頻標簽位于閱讀器天線輻射場的遠區場內，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將有源標簽喚醒。相應的射頻識別系統閱讀距離一般大于1m，典型情況為4～6m，最大可達10m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內的射頻標簽可被讀/寫。

應用涉及到高頻（13.56MHz）、超高頻（915MHz）兩種不同類型的RFID標簽，所選擇的RFID標簽規格分別見表1、表2。

表1 高頻標簽參數列表

表2 超高頻標簽參數列表

6.2 RFID中間件選用

中間件是基于分布式處理的軟件，最突出的特點是網絡通信功能。作為RFID網絡關鍵的組成部分，RFID中間件扮演RFID硬件和應用程序之間的中介角色，RFID中間件獨立并介于RFID讀寫器與后端應用程序之間，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應用程序連接。這樣一來，即使存儲RFID標簽數據的數據庫軟件或后端應用程序增加或由其它軟件取代，或者RFID讀寫器種類增加等情況發生時，應用端不需修改也能處理，解決了多對多連接的維護復雜性問題。

中間件被設計部署在需要密集讀寫器環境的工作場所中，控制讀寫器網絡獲取、合并RFID標簽數據，提供位置信息，并對在站點級別內采集到的大批量標簽數據進行智能化處理，過濾標簽數據，使用用戶定義的位置信息提供關聯數據，并生成統一的、有意義的標簽觀測數據。RFID網絡化結構還有能力使用來自不同制造廠商的最優質的標簽和讀寫器，而不需要在應用層對程序進行修改；借助有線或無線網絡，通過TCP/IP協議有效地協調、控制和管理RFID讀寫器，以便于減小干擾和優化RF的利用。

RFID中間件當前分RFID數據采集中間件和RFID數據管理中間件。由于不同行業對RFID的應用環境、工作頻率、存儲能力、標簽形式、抗干擾性能等要求不同，對設備的選型提出了挑戰。流行的開放式RFID中間件平臺有：

（1）單一頻率型。單一頻率型中間件專門用于相同頻率的任何RFID硬件。終端用戶采用這種方案的優點是硬件選擇多，經濟實惠，可以與其它參與者兼容，只要他們使用的是相同的頻率。采用這種方案的中間件生產商有 Tagsys、GlobeRanger以及OATSystems。

（2）單一RFID型。單一RFID中間件適合各種頻率RFID使用，如UHF、HF、微波、以及LF。這種中間件解決方案除去單一頻率型具有的優點以外，可以適用于所有RFID頻率。這樣終端用戶就可以為自己的RFID系統選擇最佳的解決方案。可以提供單一RFID型中間件的供應商有Sybase/iAnywhere、Blue Vector很快還有Tagsys。

（3）單一技術型。單一技術型中間件主要用于各種自動識別和數據采集（AIDC）技術。模塊化是這種產品靈活性的關鍵。采用單一技術型中間件的終端用戶不但可以獲得單一RFID中間件的所有優點，而且還可以與現有的設備和系統整合，減少技術投資風險。如果效果不錯，還可以自行改進或者改造這種解決方案。這類中間件解決方案供應商有RFIdeaworks和Omnitrol。

中國目前市場上采用的RFID中間件多是國外的，其中有影響的如IBM、SAP、Microsoft、Oracle、Sun等公司的中間件產品。此外，國外一些規模較小的公司也在積極開發RFID中間件產品，如Manhattan、Associates、OAT System等。國內深圳金蝶、山東中創、上海普元、中關村科技、點擊科技等廠商，也開發出一些中間件產品。

7 結束語

在汽車裝配車間，由于生產工藝變更頻繁、車間環境復雜、零配件物流量大、現場數據較難采集等原因，使得零配件配送出錯率較高，導致裝配現場經常停線。按照上述架構設計的RFID汽車總裝廠零配件配送監控系統，能很好地實現汽車裝配過程中對現場數據的實時采集與監控，減少零部件在配送及裝配過程中的出錯率；同時有助于配送質量監控與售后跟蹤、防差錯管理、零配件追溯管理，實現數據自動錄入等功能。

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