基于RFID的離散制造車間實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張洋洋， 陳 進(jìn)

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

目前市場競爭日益激烈，制造業(yè)面臨巨大的壓力，主要表現(xiàn)在:產(chǎn)品生命周期縮短;少量多態(tài)生產(chǎn)型態(tài);市場變化快，預(yù)測難度變大;嚴(yán)格的質(zhì)量追溯體系［1-2］。企業(yè)要想在惡劣的市場環(huán)境中生存，必須能夠快速響應(yīng)市場需求，迅速滿足客戶需求。為此，絕大部分企業(yè)實(shí)施了企業(yè)信息化工程，在市場中處于優(yōu)勢地位。但是隨著信息化的不斷深入，企業(yè)也面臨著瓶頸問題:生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)不能實(shí)時準(zhǔn)確的采集［3］。

伴隨識別技術(shù)的不斷提高，RFID技術(shù)［4］為制造執(zhí)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能提供了一種高效、可靠的實(shí)時數(shù)據(jù)采集技術(shù)。RFID最大的特點(diǎn)是非接觸性，因此完成識別工作時無需人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多卡，操作快捷方便。RFID技術(shù)既保證了數(shù)據(jù)的可靠、準(zhǔn)確性，同時又提供了高效獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)的技術(shù)方法。文中以無錫某工程機(jī)械制造企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為背景，提出一種基于RFID技術(shù)的離散型制造車間生產(chǎn)過程實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。

1 離散型制造業(yè)與RFID技術(shù)

1．1 離散型制造業(yè)的特點(diǎn)

離散制造業(yè)涉及面非常廣泛，包括汽車、機(jī)床、計算機(jī)、日用電子消費(fèi)品等。目前在大中型的離散制造企業(yè)中，管理信息化和設(shè)計信息化已得到一定的應(yīng)用并取得了較好的效益。但是對于大部分離散制造企業(yè)，車間信息化是一個薄弱環(huán)節(jié)，車間生產(chǎn)的信息很難準(zhǔn)確及時地反饋到企業(yè)的管理層，極大地影響了企業(yè)決策的及時性和科學(xué)性。離散制造業(yè)有如下特點(diǎn)［5］:

1)產(chǎn)品組成復(fù)雜、品種多。每種產(chǎn)品都由很多零部件組成，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜;為了滿足市場發(fā)展，需要研發(fā)新品，提供更多的產(chǎn)品種類，很多企業(yè)還提供定制服務(wù)，使產(chǎn)品種類不斷增加。

2)工藝路線復(fù)雜多變，生產(chǎn)周期長。成品需要經(jīng)過零部件加工、裝配等一系列環(huán)節(jié)，很多零件可能需要幾十道工序才能生產(chǎn)出來，涉及眾多車間、外協(xié)廠商。從采購到加工、裝配、出廠，一般需要幾十天甚至幾個月，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期太長。

3)生產(chǎn)過程組成復(fù)雜。要維持生產(chǎn)，需要原材料、設(shè)備、工裝夾具、倉庫、操作人員等一系列科學(xué)配合，牽涉企業(yè)各部門和供應(yīng)商，生產(chǎn)過程組織極其復(fù)雜。

1．2 車間數(shù)據(jù)采集

離散制造車間生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)包括車間人員、物料、加工設(shè)備、工票、工裝、加工過程等，涉及車間各個部分。生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)包括工人、物料、設(shè)備、工票、車間加工過程等。現(xiàn)場數(shù)據(jù)可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，具體分類如下:

1)工人信息。包括工人工號、姓名、工種、班號等信息，是靜態(tài)數(shù)據(jù)。可建立靜態(tài)的工人信息表存儲工人信息，通過工號即可查詢到工人相關(guān)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)現(xiàn)場需要采集的是工人工號。

2)物料信息。包括物料編號、名稱、尺寸、材料牌號、加工工藝等，是靜態(tài)數(shù)據(jù)。可以建立靜態(tài)的物料數(shù)據(jù)表存儲物料信息，通過物料號即可查詢到相關(guān)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)現(xiàn)場需要采集的是物料編號。

3)設(shè)備信息。包括設(shè)備編號、名稱、分類、型號、所在車間、設(shè)備性能等，屬于靜態(tài)數(shù)據(jù)。可以建立靜態(tài)的設(shè)備信息表存儲設(shè)備信息，通過設(shè)備編號即可查詢相關(guān)信息，生產(chǎn)現(xiàn)場需要采集的是設(shè)備編號。

4)工票信息。工票是離散制造企業(yè)車間生產(chǎn)現(xiàn)場加工的基本單位，也是工人進(jìn)行加工的依據(jù)，屬于動態(tài)數(shù)據(jù)，包括工票號、工人工號、設(shè)備編號、開票日期、開工日期、準(zhǔn)備工時、定額工時等，工票在有新的生產(chǎn)任務(wù)時開出，在工票任務(wù)加工完成時結(jié)束。在生產(chǎn)現(xiàn)場需要采集的是開工時間、完工時間等。

5)車間加工信息。用來記錄在車間的加工完成情況，是動態(tài)數(shù)據(jù)，按約定的讀卡器事件進(jìn)行采集。

1．3 RFID技術(shù)特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中生產(chǎn)數(shù)據(jù)是靠生產(chǎn)記錄文件獲得的。它通過手工在生產(chǎn)管理文件上記錄每一批次產(chǎn)品在每一個工序生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，等到該批產(chǎn)品加工完畢后，再把管理文件上記錄的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過手工錄至計算機(jī)中。因此，該方法操作繁冗，生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄滯后，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控和統(tǒng)計，數(shù)據(jù)的可靠性差，效率也非常低。目前，不少企業(yè)仍然采用這一傳統(tǒng)手工錄入數(shù)據(jù)的方式。為了提高企業(yè)信息化程度，一些企業(yè)已采用條形碼方式的數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)管理。

RFID(射頻技術(shù))是一種非接觸的自動識別技術(shù)。RFID系統(tǒng)通常由讀寫器、電子標(biāo)簽、天線及控制器組成。在RFID系統(tǒng)的應(yīng)用中，標(biāo)簽附著在被識別的物體上，當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的被識別物體進(jìn)入可識讀范圍時，讀寫器以自動無接觸的方式將約定的信息從電子標(biāo)簽中讀取出來，從而完成自動識別物品或者自動收集物品標(biāo)識信息的功能。

RFID技術(shù)與條形碼技術(shù)比較，有如下特點(diǎn)［6］:

1)可在惡劣環(huán)境下使用。條形碼必須依靠激光讀取信息，在光線差、油污污染等情況下不可識別。RFID采用無線電射頻，可以穿透外部材料進(jìn)行識別。

2)可遠(yuǎn)距離識別。條形碼只能靜距離讀取，而RFID則能快速準(zhǔn)確地讀取數(shù)米外的信息。

3)可重復(fù)使用。RFID的標(biāo)簽可以在生產(chǎn)任務(wù)完成后回收再利用，節(jié)約成本。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2．1 硬件組成

該系統(tǒng)采集的是車間的實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，主要包括:零件的開始加工時間、完工時間、在線生產(chǎn)數(shù)等。根劇車間數(shù)據(jù)采集的需求，設(shè)計系統(tǒng)的硬件組成［7-10］如圖1所示。在每臺加工設(shè)備上安裝數(shù)據(jù)采集終端，利用串口網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與采集系統(tǒng)的通信。將車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成到企業(yè)局域網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)與ERP/MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

圖1 系統(tǒng)硬件組成Fig．1 System hardware

系統(tǒng)包括有:在每臺加工設(shè)備上安裝的數(shù)據(jù)終端，多臺通過局域網(wǎng)連接在一起的客戶機(jī)，多臺通過局域網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。多個不同型號的閱讀器通過各個廠商提供的協(xié)議與軟件連接。標(biāo)簽可以根據(jù)實(shí)際需要選無源的或是有源的;也可以是一些閱讀器對應(yīng)有源標(biāo)簽，而另一些對應(yīng)無源標(biāo)簽。每個閱讀器從標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)初步處理加工后，通過局域網(wǎng)存儲在企業(yè)數(shù)據(jù)庫中。

2．2 軟件設(shè)計

車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須為上層ERP，MES等管理軟件提供車間生產(chǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，因此需要考慮實(shí)時數(shù)據(jù)的采集，并與其他管理軟件集成。

2．2．1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的集成 分析企業(yè)目前的管理系統(tǒng)，需要把車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與其他管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，具體如圖2所示。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)終端及時采集車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，觸發(fā)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理并存儲到企業(yè)數(shù)據(jù)庫，企業(yè)的其他管理系統(tǒng)可以共享該數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了集成功能。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流Fig．2 Data flow of system

2．2．2 系統(tǒng)操作流程 由于數(shù)據(jù)采集軟件僅在企業(yè)內(nèi)部使用，且考慮數(shù)據(jù)安全、運(yùn)行速度等因素，軟件采用客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，即C/S模式;同時考慮到企業(yè)目前已有管理軟件均采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，為了滿足企業(yè)信息化集成、數(shù)據(jù)共享、軟件兼容性等需求，故數(shù)據(jù)采集軟件仍以SQL Server 2000作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。軟件在C++Builder與SQL Server 2000環(huán)境下開發(fā)完成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)操作流程Fig．3 Operation flow of system

軟件設(shè)計主要包含以下關(guān)鍵技術(shù):

1)采用多線程技術(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須實(shí)時采集數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)還需要統(tǒng)計在制品情況、車間計劃執(zhí)行情況等，所以系統(tǒng)采用多線程。一個線程負(fù)責(zé)掃描閱讀器狀態(tài)，另一個線程則負(fù)責(zé)統(tǒng)計生產(chǎn)情況。

2)判斷閱讀器事件是否合法。為了系統(tǒng)正確地采集數(shù)據(jù)，對于閱讀器的事件做一些約定。①員工卡卡號 ＜30 000，物料卡卡號 ＞90 000;②生產(chǎn)以刷物料卡、刷員工卡開始，以按“F1”鍵結(jié)束，如果在加工開始5 min之內(nèi)刷其他物料卡則視為無效，必須先按“F1”鍵結(jié)束，才能開始新的零件加工;③數(shù)據(jù)采集終端的按鍵事件，規(guī)定一些按鍵觸發(fā)的命令，“F2”鍵視為暫停。

3)利用數(shù)據(jù)庫存儲過程將合法事件保存至數(shù)據(jù)庫。對于閱讀器發(fā)生的合法事件，利用存儲過程將采集到的信息保存至數(shù)據(jù)庫，以便系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。合法的事件包含:①事件類型。“刷卡事件”、“開機(jī)事件”、“按鍵事件”。② 事件內(nèi)容。卡號、鍵值、閱讀器ID等。③事件時間。每次事件發(fā)生的時間。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

硬件安裝完成后，首先設(shè)置每個閱讀器的ID以及IP地址。對于軟件主要設(shè)置各串口的IP地址，保證每個閱讀器的IP地址唯一。調(diào)試完成后就可以運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程Fig．4 Flow chart of data collecting

車間數(shù)據(jù)采集運(yùn)行流程如下:

1)開始。車間主管已根據(jù)生產(chǎn)計劃及工藝文件完成派工，將零件與物料卡按照車間計劃放置在托盤內(nèi)。生產(chǎn)管理軟件如圖5所示。

圖5 車間計劃窗體Fig．5 Workshop production plan form

2)刷物料卡。加工者取下托盤內(nèi)的物料卡并在閱讀器掃描，閱讀器會顯示該物料的批次以及名稱等信息。數(shù)據(jù)終端顯示如圖6所示。第1行顯示批號，第2行顯示零件名稱。

3)刷員工卡。加工者將自己的員工卡在閱讀器掃描，閱讀器會顯示該卡的姓名。系統(tǒng)將記錄時間作為零件的開始加工時間。數(shù)據(jù)終端如圖7所示。第1行顯示批號與工序號，第2行顯示零件名稱，第3行顯示加工者姓名與零件數(shù)量，第4行顯示提示信息。

圖7 數(shù)據(jù)終端界面Fig．7 Data terminal interfaces

4)開始加工。加工者裝夾零件，開始加工。生產(chǎn)管理軟件如圖8所示。生產(chǎn)臺賬記錄了該生產(chǎn)活動的主要信息，包括批號、零件名稱、工序序號、數(shù)量、加工者、開始加工時間。

圖8 生產(chǎn)臺賬窗體Fig．8 Production records form

5)按F1鍵。加工結(jié)束，系統(tǒng)將記錄結(jié)束加工時間。生產(chǎn)管理軟件如圖9所示。系統(tǒng)將結(jié)束加工時間更新到生產(chǎn)臺賬。

圖9 生產(chǎn)臺賬窗體Fig．9 Production records form

4 結(jié)語

利用RFID的特點(diǎn)設(shè)計的車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅可以使數(shù)據(jù)采集更實(shí)時準(zhǔn)確，同時為企業(yè)生產(chǎn)計劃層提供生產(chǎn)能力的準(zhǔn)確值。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對車間的實(shí)時監(jiān)控、在制品統(tǒng)計、生產(chǎn)計劃的科學(xué)安排，大幅度提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)目前已經(jīng)初步開發(fā)完成，并在該企業(yè)實(shí)施。通過一段時間的運(yùn)行，系統(tǒng)不斷完善，目前已經(jīng)能滿足企業(yè)需求，從而提高了企業(yè)的競爭力。

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