基于RFID技術的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)研究

　　引言

　　RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動識別技術，它利用射頻信號通過空間耦合，實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別的目的，識別工作無須人工干預，具有很多優(yōu)點，諸如數(shù)據(jù)存儲量大、可讀寫、非接觸、識別距離遠、識別速度快、保密性好、穿透性強、壽命長、環(huán)境適應性好以及能同時識別多標簽等等，并且可工作于各種惡劣環(huán)境。

　　車間的制造能力和其內部物流能力對企業(yè)的生產(chǎn)能力起到了決定性的作用，制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）作為承接ERP（Enterprise Resource System，企業(yè)資源計劃） 系統(tǒng)、協(xié)調SCM（Supply Chain Management，供應鏈管理）系統(tǒng)、調度底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的樞紐。激烈的市場競爭對現(xiàn)代制造業(yè)提出了進一步的要求，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：少量多種類的生產(chǎn)模式，不斷縮短的生產(chǎn)周期，對客戶多變需求的及時響應。這些都要求現(xiàn)代制造業(yè)具備更高的自動化和信息化程度。研究應用RFID技術，探索重組企業(yè)信息流，更大限度地發(fā)揮我國制造業(yè)現(xiàn)有資源優(yōu)勢，推動企業(yè)技術進步及傳統(tǒng)制造業(yè)的升級換代的可行方案與模式，已成為當務之急。而將RFID技術融入MES系統(tǒng)之中，必定是促進傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展升級的眾多途徑之一。

　　1 系統(tǒng)需求分析

　　作為離散工業(yè)生產(chǎn)中的典型情況，汽車的裝配生產(chǎn)活動具有以下特征：生產(chǎn)過程并行且異步，設備功能冗余度大，控制量相互獨立，生產(chǎn)資源管理復雜，在生產(chǎn)過程中的零部件處于離散狀態(tài)，車輛的生產(chǎn)制造主要通過物理加工和組裝來實現(xiàn)。

　　RFID技術不只是條碼技術的簡單替換，它在離散制造業(yè)中的應用將改變離散制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營方式。由于RFID技術具有前文所述的諸多優(yōu)勢，用其取代條形碼在汽車生產(chǎn)線上對車輛進行標識和跟蹤，整個過程無人工干預，可以在極大程度上降低工人的勞動強度和出錯率?，F(xiàn)今已經(jīng)可以利用RFID技術來實現(xiàn)自動、高速、有效的記錄，降低操作員的勞動強度，從而提高了產(chǎn)品下線合格率。

　　將RFID技術應用于汽車制造業(yè)，融入到MES系統(tǒng)中，可提升生產(chǎn)過程的管理與控制水平，有效地跟蹤、管理和控制生產(chǎn)所需的包括物料、設備、人力等資源；與上層管理系統(tǒng)結合，可合理地調度、管理這些資源，提高制造競爭力，改善生產(chǎn)組織、縮短生產(chǎn)周期、減少在制品數(shù)量，提高產(chǎn)品的質量和降低人力資源消耗。對于發(fā)展離散制造業(yè)生產(chǎn)制造系統(tǒng)模式和應用解決方案、提高制造過程可視化監(jiān)控與產(chǎn)品質量追蹤水平、促進制造行業(yè)RFID技術應用標準規(guī)范形成、帶動我國RFID技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等方面具有重要的理論意義和應用價值。

　　2 系統(tǒng)目標

　　基于以上需求分析，提出以下系統(tǒng)總目標：充分利用RFID的技術優(yōu)勢，結合總裝車間MES系統(tǒng)，解決企業(yè)現(xiàn)行ERP系統(tǒng)的計劃層與車間現(xiàn)場自動化系統(tǒng)過程控制層之間、LES（Logistic Execution System，物流執(zhí)行系統(tǒng)）車間內部物流層面和MES系統(tǒng)生產(chǎn)控制層之間、車輛質量追溯系統(tǒng)和原有MES 系統(tǒng)之間信息和管理的斷層問題，實現(xiàn)制造和質量的可視化和數(shù)字化管理。具體分解為以下幾個子目標：

　?。?）將RFID技術與生產(chǎn)線調度系統(tǒng)進行結合，在生產(chǎn)線調度自動化的基礎上實現(xiàn)生產(chǎn)線調度智能化。

　?。?）將RFID技術與融入生產(chǎn)車間的裝配工位之中，利用RFID標簽標識零部件進行數(shù)據(jù)采集，時刻掌握生產(chǎn)線物料消耗信息，無延遲拉動供應物流，進一步滿足JIT供貨模式的需求；對重要部件進行安裝記錄，為質量追溯系統(tǒng)提供翔實可靠的數(shù)據(jù)支持。

　?。?）將RFID技術與現(xiàn)場可視化系統(tǒng)相結合，向工位工人提供實時準確的裝配指導。

　　（4）將RFID技術與車間人員管理系統(tǒng)和質量追溯系統(tǒng)相結合，除了實現(xiàn)人員管理的功能，還可以對裝配操作進行記錄，實現(xiàn)裝配責任落實到人。

　　3 RFID技術在汽車總裝線上的應用方案

　　應用方案中共涉及到高頻（13.56MHz）超高頻（915MHz）兩種不同類型的RFID標簽，所選擇的RFID標簽規(guī)格如表1、表2 所示。

　　其中人員配備高頻RFID標簽，標簽內存放員工ID和基本信息；每個零部件料箱中放置一枚高頻RFID標簽，標簽內存放零部件號；每臺車輛上放置一枚超高頻RFID標簽，標簽內存放車輛唯一標識碼（VIN 碼）。車輛標簽采用膠磁封裝，方便吸附于車體表面。

　　在車輛上線之前，工作人員將初始化的標簽安裝在車體前部引擎蓋上表面。

　　生產(chǎn)線員工需在工位上的高頻讀卡器上刷卡，完成上崗認證，系統(tǒng)記錄當前工位員工上崗狀態(tài)信息。

　　在車輛上線前，工作人員掃描車身VIN條碼，超高頻讀寫器將VIN碼信息寫入其天線場強范圍內的車輛RFID標簽，后續(xù)工位通過讀寫車身RFID標簽來完成生產(chǎn)線車輛監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等工作。

　　在裝配工位，超高頻讀寫器讀取車輛標簽后，提示相應工位的零部件安裝信息。工作人員安裝相應零部件，并在高頻讀寫器上刷相應零部件料箱中的高頻RFID標簽。系統(tǒng)獲取相應車輛的部件安裝信息和工作人員信息以備后期質量跟蹤，系統(tǒng)向LES系統(tǒng)返回物料消耗信息，并刷新工位零部件安裝信息提示，直至該工位所有應裝部件全部安裝完畢。在向生產(chǎn)線工位供貨環(huán)節(jié)中，生產(chǎn)物流部門將零部件送達工位之后，系統(tǒng)更新零部件數(shù)量信息。

　　在下線工位，超高頻讀寫器讀取車輛標簽，系統(tǒng)檢查裝配信息，工作人員取下RFID標簽，循環(huán)使用。

　　4 基于RFID技術的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)

　　4.1 系統(tǒng)功能模塊

　　基于RFID技術的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊主要分為車間生產(chǎn)管理、生產(chǎn)線可視化、RFID標簽管理、車間人員管理等四個功能模塊，具體功能結構如圖1 所示：

　　車間人員管理：管理車間人員的基本信息，配置員工的工作崗位信息，為人員工作記錄和車輛零部件數(shù)采等功能提供相關基礎數(shù)據(jù)。

　　總裝車間生產(chǎn)管理：在計劃層面從ERP系統(tǒng)獲取粗粒度生產(chǎn)計劃，分解成為日生產(chǎn)計劃，指導車間生產(chǎn)。在整車生產(chǎn)過程中對車輛的每一個裝配步驟進行指導和監(jiān)控，以規(guī)范整個生產(chǎn)流程，其中包括向裝配工人提供裝配作業(yè)指導，自動化整車裝配和物料消耗數(shù)據(jù)采集，提供精確到零部件信息、裝配人員信息、供應商信息的裝配記錄，向MES系統(tǒng)實時反饋工位物料的消耗數(shù)據(jù)。

　　生產(chǎn)線可視化：提供對生產(chǎn)線和車輛狀態(tài)信息的實時反饋，有利于管理人員實時掌握生產(chǎn)情況。

　　RFID標簽管理：負責人員標簽的發(fā)放和管理，在車輛標簽的循環(huán)使用中對標簽進行發(fā)放和回收，并針對車輛標簽進行資產(chǎn)管理。

{$page$}

　　4.2 系統(tǒng)體系結構

　　本系統(tǒng)利用部署在車間服務器中的RFID軟件中間件對車間讀寫器網(wǎng)絡進行統(tǒng)一管理，有利于屏蔽RFID設備差異性、提高RFID讀寫器網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和效率，且RFID 設備不依賴工位終端，無需對工位終端進行特殊配置，方便部署?；赗FID 技術的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)結構如圖2所示：

　　4.3 系統(tǒng)軟件架構

　　本系統(tǒng)采用B/S架構，在J2EE開發(fā)環(huán)境下，結合Struts2、Hibernate、Spring、DWR等主流開源框架，具有良好的跨平臺兼容性?；赗FID技術的汽車總裝管理系統(tǒng)的軟件架構如圖3所示：

　　Struts框架是基于MVC（Model-View-Controller）模式的框架，主要采用JSP與Servlet 技術實現(xiàn)。系統(tǒng)使用Struts框架整合Servlet、JSP、自定義標簽和信息資源，完成系統(tǒng)對前臺頁面操作的響應。

　　系統(tǒng)采用Hibernate作為Java持久層解決方案，建立對象/關系映射，實現(xiàn)從關系型數(shù)據(jù)到對象型數(shù)據(jù)的轉換。

　　DWR作為一種實現(xiàn)了Ajax交互能力的Web框架，可以把服務器端的任何Java對象公開為可以通過瀏覽器中的JavaScript訪問的遠程對象。本系統(tǒng)利用DWR框架實現(xiàn)正向和反向Ajax功能，將RFID處理模塊所獲取的數(shù)據(jù)實時推送至響應業(yè)務模塊中，減少瀏覽器冗余請求，降低服務器壓力，提高系統(tǒng)運行效率。

　　Spring框架是在J2EE的基礎上實現(xiàn)的一個輕量級J2EE框架。本系統(tǒng)用它來為程序提供Bean的配置、AOP的支持、抽象事務支持，組織系統(tǒng)中的業(yè)務服務層、數(shù)據(jù)訪問層對象，實現(xiàn)組件對象創(chuàng)建與使用之間的松耦合。

　　5 結語

　　據(jù)該系統(tǒng)在安徽某汽車生產(chǎn)企業(yè)總裝生產(chǎn)線上的實際運行情況表明，基于RFID 技術的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)使得企業(yè)能夠及時、準確的掌握生產(chǎn)線狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率，確實有利于MES系統(tǒng)和LES 系統(tǒng)之間協(xié)同工作，為產(chǎn)品的質量跟蹤提供精確的數(shù)據(jù)保障。