基于RFID 的MES 在智能工廠中的應用

師 寧， 劉 輝， 陳容紅

（1.北京電子科技職業學院汽車工程學院， 北京 100176；2.中國航空制造技術研究院裝備中心食藥機械產品部， 北京 100024）

0 引言

十九大報告中提出“從2020 年到2050 年，我國要從全面建成小康社會到基本實現現代化， 再到全面建成社會主義現代化強國， 這是新時代中國特色社會主義發展的戰略安排”。制造業作為國民經濟主體，是立國之本、興國之器、強國之基，在實現現代化的道路上必定要發揮重要作用。 “工業4.0” 自2011 年由德國率先提出之后，美國、歐洲以及我國都相繼提出了相關的發展規劃，到今年2021 年正好是“工業4.0”提出的第十個年頭，在這十年里，智能制造得到了蓬勃的發展機遇，工業智能化不僅提高了工廠的生產效率，而且降低了生產成本，為企業帶來更多利益。

當今全球經濟競爭如此激烈，要讓企業保持競爭力，只有加快企業信息化、 智能化進程， 讓信息化推動工業化，來加速企業的智能化，實現社會生產力的持續發展。在企業信息化發展初期， 用的最多的信息管理系統就是企業資源計劃（ERP），但是在實際應用中ERP 卻沒有達到起初預想的效果， 歸其根源就在于它對生產車間的底層數據很難準確獲取和控制， 為了解決企業管理層與生產現場之間的數據交換， 提高生產計劃的實時性、 靈活性，美國先進制造研究中心AMRC Advanced Manufacturing Research） 最早在90 年代初提出了制造執行系統（Manufacturing Executing System）的概念[4]。

MES 的出現給制造業信息化帶來了蓬勃的發展，但是MES 的基礎是底層生產線及企業管理過程中產生地大量的基礎數據，而這些數據必須通過先進的、可靠的數據采集技術才能準確實時獲得和傳輸， 只有實時和準確地獲取傳輸基礎數據， 才能保證企業生產管理系統的可靠有效運行，才能實現對設備、物料、員工、產品及其生產過程等的有效監管和控制。所以，制造業底層車間的數據采集技術不僅是MES 的數據支持，也是制造業信息化建設的重要基礎。

目前， 在底層車間數據采集技術中應用最為廣泛的是條形碼技術和RFID 技術（射頻識別技術）。 其中，條形碼易于制作，使用成本低、可靠性高、靈活實用，多用于近距離數據采集，但是數據存儲量小、保密性差、抗惡劣環境能力差、使用周期短，在圖書館、物料管理等方便使用較多。 而RFID 是一種非接觸式數據自動識別技術，讀取速度快，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的，標簽數據存儲量大、可多次讀寫、安全保密性高、可用在惡劣生產環境中[1]。

RFID 技術作為一種先進的自動識別數據采集技術，數據存儲量大、可非接觸式讀寫、可遠距離識別、環境適應能力強，將其運用到MES 中，并結合條形碼在制造業物料管理中的應用優勢， 這不僅有效為系統提供數據支撐，而且極力地促進了信息技術、自動化技術、現代管理技術與制造技術的結合[4]。 本文以我校“基于工業4.0 的數字化工廠實訓室”設備為載體，介紹了基于RFID 技術的MES 管理信息系統在數字化工廠中的應用，該實訓平臺可以完成從下單、智能存儲、產品追蹤、生產及數據管理的全自動化過程。

1 MES 系統

2015 年國務院發布的中國制造2025，部署了全面推進制造業升級的戰略， 這是我國實施制造業強國戰略的第一個十年行動綱領。 作為制造車間的數字信息管理平臺，MES 是實施中國制造2025 戰略的關鍵支持工具，是實現數字化工廠的關鍵技術之一[5]。

介于管理層和控制層之間的MES 生產信息化管理系統，主要服務于企業的生產現場管理和調度指揮。它從生產計劃開始，包括之后的生產統計、生產調度，再到產品跟蹤、質量管理、設備管理，最后到生產的數據管理及采集、 通信接口及數據分析等整個生產及管理過程都離不開它的身影。它還通過網絡聯接使用統一的數據庫，并同時強調制造過程的整體優化從而達到了完整的閉環生產，從而建立了一體化和實時化的全方位信息體系。 MES為用戶提供一個反應快、有彈性、精細化的制造業環境，幫助企業降低成本、提高設備利用率、提高產品的質量和為企業考核都提供了可靠的依據[6]。

1990 年，制造執行系統（Manufacturing Executing System）最早由美國先進制造研究機構AMR（Advanced Manufacturing Research）提出，它將MES 定義為“位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間層的管理信息系統”，它為操作人員/管理人員提供計劃的執行、跟蹤以及所有資源（人、設備、物料、客戶需求等）的當前狀態。 AMR 還提出了MES 三層結構集成模型，見圖1。

圖1 MES 三層結構模型

該模型形象具體地描繪出了MES 在企業系統中具體對應的位置。

（1）計劃層（ERP）：位于最頂層，它關注整個企業的管理和計劃。 它根據市場和客戶需求來制定企業生產計劃，給下一層執行層下訂單，告訴需要生產什么。 該層的主要任務是解決企業資源的合理利用， 完成生產計劃的編制。 如ERP/MRP 等從生產管理的角度來看，屬于企業的計劃層。

（2）執行層（MES）：位于模型的中間層，它的主要任務是監控企業生產計劃的執行，并動態管理生產過程。本層接收上層下達的計劃任務并按此執行， 同時接收底層生產線反饋的結果，并根據接收信息來優化企業管理，解決生產過程中遇到的不確定性。通過MES 把ERP 與企業的生產現場控制有機地集成起來。

（3）控制層（（PCS）：位于模型的最底層，它執行上一層下達的指令，主要是對設備進行操作控制，并將操作狀態與結果反饋給上一層。 主要包括典型的生產過程中的控制方法，比如PLC，DCS，SCADA，DNC 等，進而解決設備的控制過程中出現的問題來提高產品質量[1]。

除此之外，制造執行系統協會（Manufacturing Execution System Association，MESA）也對MES 下了定義，它指出：“MES 能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。 當工廠發生實時事件時，MES能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。 這種對狀態變化的迅速響應使MES 能夠減少企業內部沒有附加值的活動， 有效地指導工廠的生產過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力，改善物料的流通性能，又能提高生產回報率。MES 還通過雙向的直接通訊在企業內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息。 ”

在這個定義中，我們可以看到MES 不是用來解決某一個生產瓶頸，而是用來優化整個生產過程；同時可以實時采集生產過程中的數據， 并根據這些數據來分析、處理，給企業的生產管理的優化提供可靠的依據。在整個生產過程中，MES 通過實時采集的數據流與上層和下層進行信息交換，來實現企業信息全集成。

在此定義的基礎上，MESA 也給出了MES 主要的功能模塊，它包含了11 個內容[3]，見圖2。

圖2 MES 功能模型

從該模型中我們可以看出，MES 在整個企業信息系統集成中起著承上啟下的作用，它涵蓋了從采購、生產、維護、到運輸與后勤、客戶管理等企業的整個管理過程，能根據數據采集和分析， 對產品的整個生產過程進行及時優化管理，有效的指導了生產過程，提高了企業的生產效率及收益。 企業通過建立MES 管理信息化系統，可以為用戶提供一個安全可靠、靈活高效的制造業生產環境，從而幫助企業節約成本、提高產品質量、優化生產管理及服務質量。

2 RFID 溯源技術

MES 系統主要運用在企業底層車間， 作用是對生產過程進行實時調度， 所以對生產控制底層的設備運行狀態數據進行實時采集是MES 系統的基礎。 在目前所有的數據信息采集技術中，RFID 技術通過射頻信號來自動識別物體，并獲取相關信息，同時與該產品進行綁定，進而實現對其的跟蹤控制以及管理，為RFID 在離散企業生產現場的應用提供了技術支撐。 隨著信息技術的發展，將RFID 與物聯網技術有效的結合，可以實時采集生產車間的現場數據， 并把此數據通過指定路徑傳遞給上層系統來處理，來完成對整個車間的生產現場的數據處理。以此來取代過去的手工記錄方式， 并解決企業需投入很大的人力進行繁瑣的統計錄入工作的弊病。 所以，RFID 為MES 提供了可靠的數據依據。

RFID 是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術， 該技術被廣泛應用在企業倉儲管理系統當中。RFID 讀取速度快，可靠性高，非接觸識別，標簽內容可以修改，而且可以多標簽可同時讀取，安全保密性較高。 隨著RFID 技術與互聯網、通訊等相關技術相結合，它已被應用于物流、供應鏈管理、工業自動化、公共信息服務、商業自動化、交通運輸等眾多領域，進而實現全球范圍內信息共享，來降低企業成本，提高企業管理與運作效率[3]。

RFID 系統由射頻標簽（Tag）、識讀器和計算機網絡等三部分組成。 射頻標簽由可存儲數據的芯片及天線構成，根據計算機網絡的指令，保存在芯片中的數據可由識讀器來進行讀取或擦寫工作。

表1 RFID 主要部件

RFID 系統的基本工作原理是電子標簽進入天線磁場后，若接收到讀寫器發出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽），或者主動發送某一頻率的信號（有源標簽），讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。

圖3 RFID 工作原理[2]

3 基于RFID 的MES 生產管理系統

智能工廠實訓平臺是我校引進的智能制造生產線實訓，它可以實現多個產品共同生產，利用管理信息化系統根據生產指令控制系統進行產品的生產。 按照現代智能工廠的生產模式， 根據用戶需求通過MES 系統軟件，實現從毛坯件出庫至成品入庫全過程的生產及生產節拍的智能調度。該生產線整個生產過程全部實現自動控制，不需人工干預，生產過程中的每個環節均通過RFID 進行數據采集與記錄，全程追蹤產品的生產過程，從訂單下發、物料傳輸，再到物料加工、物料入庫等所有環節，生產管理系統記錄每一個生產過程數據，可產品追溯[6]。 該生產線整個工藝流程，見圖4。

（1）MES 方案結構。MES 上位系統采用B/S 的多層結構，采用瀏覽器操作應用系統，無須安裝客戶端程序，方便用戶操作；使用IE6.0 以上的瀏覽器上網，都可以使用本系統處理業務；系統結構簡便，維護量小；可以共享數據、多人協同工作；采用多層結構的服務器，將業務邏輯處理和WEB 服務分開，可以明顯提高應用服務的性能。

圖4 工藝流程

MES 下位系統采用C/S 結構， 主要應用于數據采集監控系統，保證數據的實時性；數據采用跟上位系統共享方式；實現立體倉庫等附屬自動設備的控制。

（2）MES 功能描述。 該智能生產線的MES 的包括用戶管理、數據備份、設備維修等功能，具體見表2。

（3）RFID 自動跟蹤系統。 RFID 自動溯源子系統由標準卡、電子標簽、讀寫器、RFID 管理軟件等組成，當工作站與工業4.0 可視化工廠聯機運行時， 可以對生產過程中的工位和工序完成情況， 以及對產品的出入庫及托盤信息進行及時記錄，以便能實時的采集產品數據信息，通過與生產線聯網通信，實現與生產線的信息交換。最終數據全部發送給總控制系統保存[6]，見圖6。

表2 MES 總體功能

圖5 MES 系統界面組成及監視畫面

圖6 RFID 讀寫卡一體機

把RFID 技術應用于MES 管理系統中，給MES 系統提供準確、可靠的數據信息。在倉庫的入口和出口分別放置兩個RFID 讀寫卡一體機， 在所有產品上貼上識別標簽， 當由毛坯件出庫時，RFID 讀寫卡一體機會采集到毛坯件出庫信息， 并把給信息傳遞給MES 系統，MES 系統根據這些實時數據來優化整個生產過程， 進而提高管理效率和生產效率，來增加企業的核心競爭力。

圖7 基于RFID 的MES 功能架構[3]

4 結論

企業通過建立MES 管理信息化系統，可以為用戶提供一個安全可靠、靈活高效的制造業生產環境，從而幫助企業節約成本、 提高產品質量、 優化生產管理及服務質量。介紹了通過RFID 技術采集物品信息，為WES 提供數據基礎，不僅為生產提供實時數據信息，同時也為產品的全生命周期管理提供了一個實時的移動數據庫。 學生通過該平臺的學習， 可以了解先進技術在智能制造中的具體應用，提高了學生多技術綜合應用的能力，同時也培養了學生數字化和信息化思想。