RFlD電子物料車實現印染MES生產數據采集的研究

阮登峰，周硯江，許光明

（1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018；2.杭州開源電腦技術有限公司，杭州310013）

RFlD電子物料車實現印染MES生產數據采集的研究

阮登峰1，周硯江1，許光明2

（1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州310018；2.杭州開源電腦技術有限公司，杭州310013）

印染制造企業現有的制造執行系統（MES）大多采用條碼技術作為生產任務的標識來間接地獲取加工過程數據，難以保證生產信息的實時性和準確性。針對該問題，提出一種在印染制造執行系統中采用RFID技術的電子物料車實時采集被加工布料生產信息的方法，并對RFID電子物料車的設計、多讀卡器和多RFID標簽的射頻識別系統的防碰撞識別、定位以及射頻卡讀寫等技術進行了研究。該方法可在印染企業兩庫三層信息化體系結構中，通過MES采集物料生產過程中的實時信息，實現物料加工信息和生產管理信息的同步。

印染；RFID；MES；生產數據采集

0　引 言

以實時數據庫、關系數據庫、企業資源規劃層（enterprise resource planning，ERP）、制造執行系統層（manufacturing executiou system，MES）和過程控制系統層（process control system，PCS）組成的“兩庫三層”體系架構已經成為先進工業國家開發制造企業信息化、自動化生產系統的主流模型。在線獲取生產過程和企業管理中的數據信息，并保證生產過程的物料流和信息流的同步是建立實時化生產管理體系，優化生產與管理活動的基礎。雖然國外學者或機構對MES有多種定義［1］，國內對MES也有制造執行系統、生產執行系統、生產管理系統等不同的描述，但從MES在上述兩庫三層體系架構中的功能屬性來認識，MES承擔著向數據庫提供從訂貨到制成品全過程的實時數據和狀態信息。只有快捷、準確地采集生產現場數據，才能實現對生產過程、物流管理、生產計劃、調度和質量等的監控。因此，生產數據的實時采集技術是MES的一項關鍵技術。

紡織品印染工業是傳統制造業，近年來應用資源規劃ERP、供應鏈管理SCM、客戶關系管理CRM等信息技術的國內印染企業顯著增加，規模以上的企業應用ERP約占10%［2］；同時，印染裝備的智能化、自動化水平也不斷提高。但由于現場控制設備與企業管理信息系統的信息阻斷，企業的管理系統不能在線獲取生產過程信息，影響現有管理系統和裝備能力的充分發揮，面向制造層面的印染制造執行系統的研究與應用亟待加強［3］。陳剛良等［4］提出了一種基于ERP/MES/PCS的染色車間信息系統框架，討論了該MES的染色車間集中監控、生產作業調度和生產能耗管理的構建；田民亮等［5］提出了一種符合印染行業特點的MES架構體系，并討論了印染生產優化調度技術；王海冉［6］通過對紡織行業當前的生產流程進行建模與分析，研究了基于B/ S架構的印染紡織行業制造執行系統的總體模式并對子功能模塊進行了分析。目前，國內在印染MES的研究重點主要在于系統體系結構的構建。在現有的印染制造執行系統或單功能的生產管理系統中，一般采用單條形碼或二維碼作為生產任務標識來間接地采集和更新生產現場數據，這種方法難以保證生產過程信息采集的實時性和準確性，更無法實現物料加工信息和生產管理信息的同步。與條形碼技術相比，無線射頻技術采用的射頻識別（RFID）標簽具有無線遠距離、穿透、高速移動讀寫，存儲數據量大，可在惡劣環境下使用等特性。如何發揮RFID的技術優勢，而不是簡單地將條形碼替換成射頻標簽，開發出生產數據實時采集技術是MES研究的一項重要課題。Qu等［7］研究了采用RFID技術進行現場數據采集和生產物品的跟蹤來實現產品生命周期管理；Chen等［8］將RFID技術應用到混合模型裝配線生產制造中，分析了RFID在數據采集、生產管理、生產過程控制等方面的作用；Zhong等［9］建立了基于RFID的離散制造系統四層模型，提高了系統的實時性能。上述研究成果對推動MES中的數據實時采集技術的發展起到了積極的作用。

本文提出一種在車間物料車上安裝RFID標簽來實現被加工物料生產信息實時采集的方法，并以紡織品印染車間MES為研究對象，設計開發了一種基于RFID技術的智能電子物料車，通過跟蹤該物料車以及對其RFID標簽信息與MES終端的信息交換，實時獲取和更新生產過程信息。解決了被加工物料不能直接貼裝RFID標簽的技術難題，為發揮印染制造執行系統的生產設備、生產計劃、人員信息、加工信息、加工進度和質量等的管理和監控功能提供了一種新方法。

1　采用RFID技術的生產數據實時采集的原理和方法

1.1印染制造執行系統生產數據采集的特點

不同的制造行業在管理、生產和市場營銷模式上均存在較大的差異，其制造執行系統的實現方式也應有所不同。在制造執行系統的企業建模上，一般分為離散制造和流程生產兩類，而印染生產具有兩者的混合特性。按物料在加工過程中發生的變化來看，染色等濕處理加工屬于流程生產，生產過程使織物纖維發生規定的化學反應或物理變化；而整緯等機械后整理則屬于離散制造，生產過程只是使織物或纖維的形狀發生改變。按生產類型，印染絕大多數屬于小批量多品種生產。按生產方式，印染生產有連續式生產和間歇式生產兩種，印染設備的使用具有多機型少機臺的特點。在市場營銷上，產品利潤率低，交貨期短，具有敏捷生產的特點。總之，印染行業的制造執行系統具有其特殊的行業性。

印染行業所具有的流程生產與離散制造相混合的特殊性表現在生產數據采集上，第一，印染制造執行系統難以像流程生產采用基于通用儀表完成數據采集，一般要通過設備的控制器來獲取生產過程數據信息。第二，準確性要求高。印染企業的銷售部門需要準確掌握生產車間生產及設備的在線數據，避免簽訂價格不合理、交貨期無法保證的合同；生產車間則需要準確掌握各個機臺的運行負荷、加工產品的歷史數據，合理調配產品與加工設備，快速準確地根據生產任務制訂合理的生產調度計劃，確保設備使用效率，減少空置率。第三，實時性要求強。印染生產的一次準確化要求特別高，為確保產品的加工質量，避免產生不符合訂單要求的殘次品或廢品，及時發現瓶頸工序，最大限度地降低水耗、能耗和染化料的消耗等，均需要對生產工藝數據進行實時控制。總之，印染制造執行系統的數據采集要保證從接單→編排生產計劃→生產→設備及工藝控制→交貨等各個環節的實時信息流和物料流的同步，在企業的ERP和PCS層之間建立準確、快速、實時的信息“直通車”。

1.2物料上貼裝RFID標簽的解決方法

采用RFID技術實現生產數據的實時采集首先需要解決如何在被加工物料上貼裝RFID電子標簽的問題。由于被加工的紡織品（布料或纖維）具有繞性，其在加工中受到機械、高溫和染化料水溶液的作用，致使在紡織品上無法直接貼裝RFID標簽。若在現有的紙質加工單上貼裝RFID標簽，則條形碼/二維碼的手工操作所存在的實時性弱、易產生錯誤和加工單破損、丟失等問題依然不能有效得到解決，RFID的優勢未得到充分的發揮。

本文提出一種RFID電子物料車的設計，即對印染車間廣泛使用的物料車（布車）進行改造，如圖1所示。該RFID電子物料車的機械部分采用布車原來的結構，加裝的電子控制部分主要包括控制模塊、紅外檢測模塊、RFID標簽、射頻讀寫器以及LED指示器組成，如圖2所示。

圖1　RFID電子物料車結構

圖2　RFID電子物料車的電子控制部分組成

圖2中的紅外檢測模塊用于檢測電子物料車上物料（被加工紡織品、加工使用的染化料）的裝載情況。當發射端在控制器的控制下發出紅外線時，若接收端接收到紅外信號則電子物料車為閑置或空載狀態；當發射的紅外線被物料遮擋，則可檢測出電子物料車為加工任務等待狀態。電子物料車的負載狀態同時通過LED顯示。

RFID標簽用于存儲電子物料車的狀態以及其上裝載物料的生產信息。本設計中采用Inlay SAAT-T850無源電子標簽，該電子標簽是一種UHF大容量電子標簽，內部有64kb的用戶數據存儲空間，支持EPCglobal Class1 Gen2協議，工作頻率在840～950 MHz。

射頻收發模塊用于發送和接受射頻信號，實現電子物料車上RFID標簽信息與MES數據終端以及加工設備的信息交換。射頻收發模塊的組成如圖3所示，其內部集成了數字轉換器、增益濾波器、DRM濾波、變頻混合器。本設計的采用了12 dBi的天線，實測最遠識別距離15 m，寫標簽的距離為2 m，讀寫速度為64 kb/s。

圖3　射頻收發模塊

將印染車間的布車改造成采用RFID技術的電子物料車使得布車成為智能數據載體，并作為信息傳遞的紐帶，可實現對在制品的實時信息采集和跟蹤，與條形碼技術相比，生產信息采集具有實時性、更加高效、準確和完整，突破了印染企業底層物料信息和生產信息采集的瓶頸。

1.3RFID電子物料車實現生產數據實時采集的技術方案

采用RFID電子物料車實現生產數據實時采集的技術方案如圖4和圖5所示。圖4中車間的各個機臺的控制器通過工業以太網組成底層網絡，并與印染制造執行系統的終端聯網，以獲取各個機臺的實時信息。圖5中各機臺的控制器通過射頻卡讀寫器可對距離15 m半徑范圍的車間內物料車進行識別和定位，并且可以訪問車間內的RFID電子物料車的信息。

當設備處于待工狀態時，會依照印染制造執行系統下達的生產任務定位載有對應待加工物料的電子物料車，由操作人員根據物料車的LED提示，將物料車移至機臺位置，在完成在制品從物料車卸載至設備上后，設備控制器自動讀取物料車上的布料的全部加工工藝信息并根據工序要求進行加工，電子物料車呈閑置狀態。當設備加工完成時，設備控制器自動搜尋閑置的物料車，完成在制品從機臺上卸載至物料車后，自動向物料車寫入該布料的全部加工信息。

圖4　印染MES系統

圖5　印染制造執行系統實時數據采集系統

此技術方案的特點是：

a）實現了物料信息與機臺的加工信息實時同步采集；

b）物料車不需要始終與在制品及工位綁定，可大大減少物料車的使用數量；

c）實時數據的采集不需要人工操作，可保證數據的正確性；

d）由于印染制造執行系統為各工位設備的功能事先進行了設定，一旦工位處于待工狀態時，設備控制器即通過射頻識別系統自動定位待加工的物料，設備的利用率可極大的提高；

e）由于射頻卡可記錄被加工物料整個加工過程的信息，可為生產管理系統建立產品的生產檔案，提供對產品加工過程追溯的功能。

2　電子物料車識別與定位算法的研究

2.1電子物料車防碰撞識別的算法

本文采用RFID電子物料車實現生產數據實時采集的技術方案，屬于多個讀卡器與多個RFID標簽的射頻識別系統，存在著兩種形式的沖突方式，一種是同一電子物料車RFID標簽同時收到不同機臺讀卡器發出的命令，另一種是一個機臺的讀卡器同時收到多個不同電子物料車RFID標簽的返回數據。因此，在一般情況下，電子物料車的響應信息會產生混疊現象。防碰撞問題的研究主要解決兩個問題：一是如何避免或減少機臺閱讀器與電子物料車標簽之間的沖突問題，二是避免或減少機臺讀卡器之間的干擾碰撞問題。

為了對各個電子物料車正確地識別，將幀的時隙ALOHA算法應用到車間電子物料車的防碰撞識別中。幀的時隙ALOHA算法是在時隙ALOHA算法的基礎上的一種改進算法［10］，它將若干個時縫作為一幀，讀卡器按照每幀作為一個識別單位，形成基于幀的時隙ALOHA防碰撞算法。在幀的時隙ALOHA算法開始時，讀卡器廣播一個Q值作為下一幀所包含時隙的個數，并激活識別區域的所有RFID標簽。每個RFID標簽接受到Query指令以后產生一個在0～2Q-1的隨機數載入槽計數器。在識別中，如果RFID標簽的槽計數器等于零則返回一個RD16（16位的隨機數）作為該RFID標簽的臨時ID，否則其槽計數器減1，繼續等待下一個時隙。幀的時隙ALOHA算法中每個時隙有3種狀態：空時隙（沒有標簽響應）、單時隙（一個標簽響應）和沖突時隙（多個標簽響應）。只有在單時隙中，該電子標簽成功被讀寫器識別。幀的時隙ALOHA算法實例如表1所示。

表1　幀的時隙ALOHA算法實例

不同生產規模的生產車間使用的電子物料車的數量不同，在識別電子物料車之前系統將設定一個幀的長度（稱為Q值）。對于較大的Q值，物料車碰撞的概率較小，但是識別的時間越長；對于較小的Q值，發生碰撞的概率較大，同樣會延長識別時間。因此Q值的設置需根據現場未識別的電子物料車數量而設置。在本設計中，有5個參數Qstart、Qmin、Qmax分別本文中設置Q最小值為1，最大值為20，初始化值為4。K1、K2根據當前Q值的大小而變化，K1= Q/2，K2=Q/3。

RSC（right slot count）：當前幀已經進行了的時隙；

SSC（success slot count）：當前幀中所進行的時隙讀寫器發送包含RD16的ASK指令確認成功后的標簽個數；

ISC（idle slot coun t）：當前幀中所進行的時隙沒有返回RD 16的時隙個數；

CSC（collision slot count）：當前幀所進行碰撞時隙數，接受到RD 16，發送ASK驗證錯誤。

ISC-CSC＞K1Q=Q-1；

CSC-ISC＞K2Q=Q+1；

算法具體實現過程如下圖6所示。

圖6　動態Q值算法

2.2電子物料車定位的算法

由于本設計方案不需要電子物料車始終與在制品或工位綁定，為便于操作人員能迅速找到所需的布車，射頻識別系統對電子物料車要有很好定位功能。本設計采用參考定位坐標和RSSI（received signal strength indication）距離定位相結合的方法［11-12］。

式（1）中，A、C與環境、天線等因素有關，實驗的第一步是測量該環境的A和C。實驗中將讀寫器分別對距離1 m到10 m的便簽進行測試，得出如圖7所示的RSSI與距離的關系，經過計算取A為-40，C為22，最后將A、C代入RSSI與距離的關系式。

圖7　RSSI與距離關系

圖8　定位實驗示意

定位中，將3個讀寫器分別放置在（2，2）（8，2）（2，8）處，依次對如圖8所示的9個電子標簽進行定位，分別取得標簽回去返回RSSI的大小，代入RSSI與距離的關系式中，得出標簽與讀寫器的距離，通過計算三個讀寫器分別與該標簽的距離，最后所匯聚的交點形成標簽的距離位置。

3　RF I D電子物料車實時數據采集的實現

3.1RFID標簽存儲信息的組成

電子物料車的RFID標簽用于記錄印染制造執行系統所需的被加工的物料流及生產，其中包括靜態信息、動態信息以及電子物料車狀態信息。

靜態信息以生產單號為主鍵，記錄被加工物料的規格參數。主要包括生產單號、顏色/花型、品名規則、匹數/長度信息、客戶代碼、批號、匹幅、成品門幅、交貨日期等信息。

動態信息以加工工序為主鍵，記錄被加工物料所須的生產工序表及其完成情況，其中包括工序名稱/代碼、加工日期、班別、機臺、班次、操作人員、病疵及損耗等信息。

電子物料車的狀態信息指示電子物料車的四種狀態。

a）空置：表示電子物料車處于空閑狀態，此時其射頻卡上的物料靜態信息和動態信息清零；

b）載料：表示電子物料車上裝載有待加工的布料或待使用的染化料，此時，其射頻卡中存儲著物料的靜態和動態信息；

c）定位：表示電子物料車已被機臺設備的控制器定位，等待操作人員移動至工位；

d）鎖定：表示電子物料車上的加工單信息已被工位設備的控制器讀取或更新，物料正在從電子物料車或機臺上卸載。電子物料車的狀態信息用2位二進制代碼表示。

上述信息在射頻卡的存儲格式如圖9所示。

圖9　射頻卡印染物料流信息存儲格式

圖10　電子物料車監控程序流程

3.2電子物料車控制器的監控程序

電子物料車控制器的監控程序流程如圖10所示。其主要功能一是通過紅外檢測器探測物料車上的負載情況，并對其上的RFID標簽寫入空置或載料的狀態代碼；二是讀取機臺設備控制器寫入的定位與鎖定代碼；最后通過不同顏色的LED指示器的顯示，便于操作者操作。為了降低功耗，控制器對電子物料車狀態的檢測采用定時掃描方式。

3.3工位設備控制器對電子物料車的讀寫操作

工位設備通過RFID標簽對電子物料車的物料信息和加工任務信息進行采集，其程序流程如圖11所示。在生產的每個加工環節，利用工位設備的控制器通過讀寫器自動讀取電子物料車射頻卡中的生產任務單信息，并根據物料的靜態信息及動態信息中已經完成的前道加工工序，判斷是否可以在該設備上進行加工的條件。在加工任務確定后，通過鎖定指示燈提示操作人員從電子物料車上的卸載物料至設備上，并讀取全部的物料信息。在加工過程中，通過圖4所示的網絡向印染制造執行系統實時傳輸加工的過程信息和設備狀態信息。在加工完成后，搜索并定位空置的電子物料車，指示操作者將距離該設備最近的電子物料車移動至工位，在從該設備卸載物料至電子物料車的同時，向電子物料車射頻卡寫入更新的物料信息和加工信息，以此實現物料流與加工信息流的同步采集。

3.4 數據采集實現的步驟

圖11　工位設備控制器對電子物料車的讀寫操作流程

步驟一：布料信息初始化。加工之前由ERP制定生產計劃，生成如圖12所示的布料生產任務信息表格，安排操作人員。在車間入口處，由操作人員定位一輛最近的空置電子物料車裝載胚布，并通過印染制造執行系統的生產任務調度RFID終端，將布料生產任務信息寫入電子物料車。

圖12　生產任務單信息表

步驟二：工序開始。車間各工位設備射頻讀寫器定位并鎖定與本機臺相符合電子物料車，由操作人員移動對應的電子物料車至工位，完成被加工布料的上機后，讀取電子物料車上布料加工任務的全部信息、物料車空置標記置位，并進行加工作業。在加工過程中，工位設備控制器實時將設備狀態及加工狀態的信息傳輸給制造執行系統。

步驟三：工序結束。加工結束時，工位設備射波讀寫器定位并鎖定空置的電子物料車，由操作人員將此工序加工完成后的布料從機臺上卸載至空閑的電子物料車上，將布料信息全部寫入電子物料車，并更新本工位的布料動態信息。

各個機臺重復上述步驟二和步驟三，直到制成品的所有工序全部完成。

步驟四：加工完成。當布料由胚布到成品布的全部工序完成后，電子物料車將被移送到成品檢驗終端，由成品檢驗終端的RFID讀寫器讀取布料信息，在確定給定的全部加工生產任務完成后，進行成品檢驗，并將檢驗結果寫入RFID標簽。由成品檢驗終端再將電子物料車的電子標簽信息搬遷到成品布電子標簽上，成品布入庫。

4　結 語

本文根據RFID技術的優勢，針對被加工布料不能直接貼裝電子標簽問題，提出了一種采用RFID電子物料車作為數據媒介，將其中融入到印染制造執行系統以實現生產過程的物料流和信息流的同步采集的技術方法，并對多讀卡器與多RFID標簽的射頻識別系統的防碰撞識別、定位、射頻卡讀寫等技術進行了研究，為印染企業實現AMR兩庫三層體系架構下的實時生產管理提供了一種新方法。

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Study on Acquisition of Printing and Dyeing MES Production Data with RFlD-Based Electronic Material Vehicle

RUAN Deng-feng1，ZHOU Yan-jiang1，XU Guang-ming2
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China；2.Hangzhou Kaiyuan Computer Thechnology Co.，Ltd.，Hangzhou 310013，China）

Most of current Manufacturing Execution Systems（MES）adopted by printing and dyeing enterprises apply barcode technology as the identificaiotn of production task to indirectly acquire process data.It is hard to ensure instantaneity and accuracy of production information.aiming at this problem，a method of acquiring real-time process date in printing and dyeing MES by using RFID（Radio Frequency Identification）technology through material vehicle in shop floor was proposed.The design of the electronic material vehicle based on RFID technology，the technologies of anti-collision recognition，location and radio frequency card read-write were studied additionally.The above method can achieve synchronization of material processing information and production management information in informatization architecture of two databases and three layers of two data base and three layers through MES-based real-time information acquisition in production process.

printing and dyeing；RFID；MES；production data acquisition

TS198

A

1673-3851（2015）06-0864-08

（責任編輯：陳和榜）

2014-12-30

浙江省重點科技創新團隊項目（2011R50004）

阮登峰（1989-）男，江蘇興化人，碩士研究生，主要從事制造執行系統與企業信息化應用方面的研究。

周硯江，E-mail：zyj@zstu.edu.cn