基于智慧車間的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

　　為了解決中小型塑料制造企業(yè)管理系統(tǒng)在信息采集方式、計(jì)劃實(shí)時(shí)性、靈活性等方面的不足。將射頻識(shí)別Radio Frequency Identification(RFID)技術(shù)引入塑料生產(chǎn)車間，構(gòu)建塑料制造裝配車間的物料智能配送體系，形成面向離散制造業(yè)的智慧裝配車間。對(duì)生產(chǎn)執(zhí)行系Manufacturing Execution System(MES)的架構(gòu)、RFID智慧生產(chǎn)車間應(yīng)用流程、應(yīng)用可靠性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)車間生產(chǎn)組織、制造事件和動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的響應(yīng)能力進(jìn)行了優(yōu)化。所述內(nèi)容對(duì)提升塑料制造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的理論與實(shí)際意義。 

引言 

　　中小型制造業(yè)面臨著多品種、小批量，制造過(guò)程離散化等問(wèn)題，這要求企業(yè)能夠更精確地安排生產(chǎn)，管理生產(chǎn)運(yùn)行中的更多的細(xì)節(jié)。但是，我國(guó)大部分中小型制造企業(yè)仍在采用需人工干預(yù)的被動(dòng)信息交互手段，缺乏主動(dòng)性和實(shí)時(shí)性，導(dǎo)致生產(chǎn)組織響應(yīng)慢而難以滿足制造過(guò)程信息化的需求，制約了企業(yè)的發(fā)展。MES系統(tǒng)能很好地解決這些問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外各大專院校、科研院所和信息技術(shù)公司紛紛對(duì)MES應(yīng)用表現(xiàn)出濃厚的興趣，進(jìn)行了深入研究，取得了大量的科研成果。如文獻(xiàn)探討了精細(xì)化生產(chǎn)管理實(shí)踐在大型煤機(jī)企業(yè)的實(shí)施過(guò)程；文獻(xiàn)針對(duì)汽車制造企業(yè)在總裝環(huán)節(jié)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集手段落后等問(wèn)題，提出了基于射頻識(shí)別技術(shù)的汽車總裝生產(chǎn)模式，構(gòu)建了該模式下的汽車總裝制造執(zhí)行系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中取得成效。然而，以塑料制造業(yè)為背景的MES應(yīng)用研究暫時(shí)還沒有。塑料制造業(yè)在裝配和加工過(guò)程中具有零部件品種多、工藝繁雜、生產(chǎn)變化快，生產(chǎn)管理復(fù)雜等特點(diǎn)，給塑料制造企業(yè)的管理帶來(lái)很大的困難。本文提出一種基于RFID的智慧車間的精細(xì)化生產(chǎn)管理的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)塑料制造業(yè)從企業(yè)管理、生產(chǎn)指揮到生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的有機(jī)集成，能提高企業(yè)的生產(chǎn)管理水平。 

1 基于智慧車間的MES架構(gòu) 

　　精細(xì)化生產(chǎn)管理是指對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行計(jì)劃、控制和持續(xù)改進(jìn)。是以生產(chǎn)計(jì)劃為主線，使各種資源按計(jì)劃所規(guī)定的流程、時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行合理配置與管理，使企業(yè)高效、低耗、高質(zhì)、靈活、準(zhǔn)時(shí)地生產(chǎn)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，在生產(chǎn)執(zhí)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提高生產(chǎn)水平。MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的建立就是要在生產(chǎn)過(guò)程層及管理層之間加強(qiáng)數(shù)據(jù)集成與分析的力度，拓展優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用的范圍，建立完備的物流批次監(jiān)控管理體系，真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成和業(yè)務(wù)集成優(yōu)化。如圖1所示，塑料制造企業(yè)的MES結(jié)構(gòu)主要由車間調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化和基于RFID數(shù)據(jù)采集以及質(zhì)量跟蹤組成。車間調(diào)度是車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心功能之一，本系統(tǒng)在生產(chǎn)執(zhí)行(物理)模型和生產(chǎn)計(jì)劃(邏輯)模型基礎(chǔ)上建立計(jì)劃調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化算法，切實(shí)符合企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際情況，變復(fù)雜問(wèn)題為多步求勰的簡(jiǎn)單問(wèn)題，具備合理性和實(shí)用性。求解過(guò)程分三步：①以訂單為輸入，通過(guò)排產(chǎn)模型及約束計(jì)算出可能的工藝路線；②以工藝路錢為輸入，依據(jù)生產(chǎn)執(zhí)行模型，通過(guò)優(yōu)化算法，得到排產(chǎn)邏輯模型與生產(chǎn)執(zhí)行模型的最優(yōu)匹配，合理分配任務(wù)；③計(jì)劃層面按訂單和其他約束條件選擇需要進(jìn)行加工的生產(chǎn)加工方案和時(shí)間限制，并通過(guò)總體產(chǎn)能、庫(kù)存情況，產(chǎn)生可能的加工方案組合。確定加工方案后，按優(yōu)化規(guī)則在生產(chǎn)執(zhí)行物理模型中計(jì)算加工方案對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)單元路徑，并對(duì)該路徑進(jìn)行約束限制和優(yōu)化評(píng)價(jià)，計(jì)算得出的最優(yōu)解通過(guò)工作任務(wù)指令方式寫入產(chǎn)品標(biāo)簽，指導(dǎo)產(chǎn)品在智慧車間的整個(gè)生產(chǎn)流程。本文將在后面重點(diǎn)對(duì)所構(gòu)建的面向塑料制造業(yè)的RFID智慧生產(chǎn)車間進(jìn)行介紹。  

圖1 MES架構(gòu)圖

2 基于RFID的智慧生產(chǎn)車間 

　　智慧車間是指在車間內(nèi)部署RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽，建立物料跟蹤的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，并定義這些生產(chǎn)對(duì)象節(jié)點(diǎn)的工藝(質(zhì)量)參數(shù)，按批次、模塊對(duì)參數(shù)進(jìn)行采集，分析工藝(質(zhì)量)參數(shù)的相關(guān)性，支撐全廠的物料跟蹤流程。它利用先進(jìn)的接口技術(shù)和RFID自動(dòng)設(shè)備，獲取現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、庫(kù)存數(shù)據(jù)，質(zhì)檢數(shù)據(jù)和移動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)全廠參數(shù)計(jì)量信息的收集、整理和分析，完善對(duì)物料生產(chǎn)過(guò)程所涉及的生產(chǎn)單元、設(shè)備、倉(cāng)庫(kù)儀表數(shù)據(jù)采集和錄入，為各種生產(chǎn)活動(dòng)提供物料移動(dòng)、加工、庫(kù)存和設(shè)備、管理層輔助決策和車間成本核算提供可靠保證刪。RFID智慧車間能夠?qū)崿F(xiàn)全部或者部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集、生產(chǎn)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、操作參數(shù)的在線調(diào)整優(yōu)化等生產(chǎn)運(yùn)行管理和監(jiān)控功能，是高效率生產(chǎn)和管理的前提，是MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)的來(lái)源脅。 

　　2.1 現(xiàn)有裝配車聞的生產(chǎn)流程 

　　現(xiàn)有企業(yè)管理系統(tǒng)中生產(chǎn)過(guò)程信息始終是“離線”的，質(zhì)量工藝、物料消耗、實(shí)際產(chǎn)量、殘次品數(shù)等生產(chǎn)信息還是靠原始的人工錄入方式，不能連續(xù)、自動(dòng)、完整地反映在企業(yè)管理系統(tǒng)中。其流程如圖2所示。裝配車間主任根據(jù)交期先后和物料的齊備情況，交計(jì)劃員電腦排產(chǎn)，填“生產(chǎn)派工單”將生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)給各個(gè)小組長(zhǎng)。組長(zhǎng)依據(jù)“生產(chǎn)派工單”填寫“領(lǐng)料清單”，并到發(fā)料倉(cāng)庫(kù)領(lǐng)料。 

　　組長(zhǎng)對(duì)各員工進(jìn)行人工派工和發(fā)料，并將各訂單的派工信息和發(fā)料數(shù)量填寫“裝配車間員工生產(chǎn)記錄卡”，由組長(zhǎng)監(jiān)督并在此卡上記錄數(shù)量。 

　　組長(zhǎng)將每班次機(jī)臺(tái)員工生產(chǎn)的經(jīng)過(guò)質(zhì)檢合格的良品和每班次回收的殘次品數(shù)量按訂單記錄到“裝配車間員工生產(chǎn)記錄卡”上，同時(shí)核算各工序員工的零件損耗數(shù)量和零件利用率。 

　　一個(gè)訂單完成后，組長(zhǎng)將各員工的領(lǐng)料、合格品和殘次品數(shù)量匯總到“裝配車間小組生產(chǎn)日?qǐng)?bào)表”上；填寫“成品入庫(kù)單”傳至質(zhì)檢主任確認(rèn)后，將質(zhì)檢合格的產(chǎn)品送入成品總庫(kù)；次品由專管員填寫“報(bào)廢單”，送至質(zhì)檢主任簽字確認(rèn)后，將殘次品送入非合格品庫(kù)。非合格品庫(kù)倉(cāng)管員將這些非合格品處理數(shù)據(jù)按照裝配車間的人(機(jī)臺(tái))或小組記錄在每個(gè)訂單里面。  

圖2 裝配車間生產(chǎn)流程

2.2 構(gòu)建面向塑料制造業(yè)的智慧裝配車間 

　　塑料制造業(yè)的智慧生產(chǎn)車問(wèn)通過(guò)設(shè)置于車間應(yīng)用管控點(diǎn)的多功能交互式控制終端采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息，通過(guò)應(yīng)用集成接口，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與記錄，達(dá)到與上層資源管理系統(tǒng)、客戶、動(dòng)態(tài)聯(lián)盟合作企業(yè)的數(shù)據(jù)共享，從而構(gòu)建起資源管理系統(tǒng)、車間生產(chǎn)管理模型、底層制造控制系統(tǒng)的縱向無(wú)縫集成和車間生產(chǎn)管理與動(dòng)態(tài)聯(lián)盟合作企業(yè)制造車間的橫向無(wú)縫集成。為了增強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程管理的透明化程度，提高離散生產(chǎn)車間的快速響應(yīng)能力，控制終端主要具備兩方面功能：一是實(shí)時(shí)自動(dòng)接收、顯示作業(yè)計(jì)劃及指導(dǎo)書等信息，指導(dǎo)工人生產(chǎn)操作；二是通過(guò)終端外連的RFID設(shè)備、質(zhì)量采集終端、生產(chǎn)設(shè)備和人工錄入接口，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集在制品物流、產(chǎn)品裝配質(zhì)量、生產(chǎn)異常事件等信息。 

　　2.3 智慧裝配車間應(yīng)用流程 

　　該公司共有七個(gè)生產(chǎn)車間，每個(gè)車間分上下兩層，樓下為注塑車間，樓上為裝配車間。注塑車間機(jī)臺(tái)上架的模具不同，生產(chǎn)出來(lái)的注塑件不同。每個(gè)裝配車間的裝配工序基本相同，裝配工人從半成品庫(kù)領(lǐng)取的注塑件不同，裝配出來(lái)的產(chǎn)品就不同。各個(gè)裝配車間產(chǎn)品對(duì)應(yīng)表如表1所示。下面以裝配三車間生產(chǎn)的矮泵產(chǎn)品為例詳細(xì)說(shuō)明該公司的裝配工序。矮泵產(chǎn)品由泵體、壓蓋、連蓋等30種零件組成，這些零件在預(yù)設(shè)的產(chǎn)品工藝路線的約束下裝配，如圖4所示：裝配工人從車間的半成品庫(kù)和外購(gòu)件庫(kù)領(lǐng)取所需注塑件和外購(gòu)件，依次經(jīng)過(guò)沖頭子、試頭子、套滴子、連套、撳泵、壓氣檢測(cè)、胃口、組裝、插管九道自動(dòng)機(jī)工序得到半成品矮泵(已插管)，最后通過(guò)—道手工作業(yè)生產(chǎn)出完整的矮泵成品。  

表1 裝配車間產(chǎn)品對(duì)應(yīng)表 

圖4 傳統(tǒng)矮泵生產(chǎn)流程

　　在矮泵產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，前制程的輸出是后制程的輸入，之一，某道工序的零部件不夠時(shí)，可以暫時(shí)跳過(guò)，先組裝后面的兒道工序，待到該工序零部件齊全時(shí)，再將該零件與后面幾道工序組裝出的半成品組裝在一起。MES需要采集這一過(guò)程中的生產(chǎn)日期、班次、每道工序的操作工、投入的零件編號(hào)和領(lǐng)料重量、產(chǎn)出的半成品編號(hào)、余料數(shù)量、廢料數(shù)量、不合格數(shù)量等信息。本文的RFID智慧車間研究的主要是前九道自動(dòng)機(jī)工序的信息采集。 

　　為了實(shí)時(shí)監(jiān)控裝配生產(chǎn)狀況，本方案配備讀寫距離分別為10cm、8cm、5cm的高頻RFID標(biāo)簽記錄員工ID、零部件ID、產(chǎn)品ID等基本信息，構(gòu)建基于RFID的矮泵生產(chǎn)流程。如圖5所示，訂單第—道工序開始之前，工作人員將初始化的產(chǎn)品標(biāo)簽安裝在頭子外表面。操作工需在工位上的高頻讀卡器上刷卡，完成上崗認(rèn)證，系統(tǒng)記錄當(dāng)前工位員工姓名、日期、班次等上崗狀態(tài)信息。  

圖5 基于RFID的矮泵生產(chǎn)流程

　　每班次上崗前，工作人員掃描裝有零件的器皿上的零件RFID標(biāo)簽，高頻讀寫器將零件RFID標(biāo)簽的VIN碼信息寫入其天線場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)的產(chǎn)品RFID標(biāo)簽，后續(xù)工位通過(guò)讀寫產(chǎn)品RFID標(biāo)簽來(lái)完成生產(chǎn)線零部件監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等工作。在裝配工位上，高頻讀寫器讀取產(chǎn)品標(biāo)簽后，提示相應(yīng)工位的零部件安裝信息。工作^員安裝相應(yīng)零部件，并在高頻讀寫器上刷相應(yīng)零部件器皿上的高頻RFID標(biāo)簽。MES系統(tǒng)獲取并保存相應(yīng)產(chǎn)品的零件安裝信息、工作人員信息和物料消耗信息以備后期質(zhì)量跟蹤。 

　　在生產(chǎn)線工位供貨環(huán)節(jié)中，生產(chǎn)物流部門將零部件送達(dá)工位之后，MES系統(tǒng)更新零部件數(shù)量信息及工序信息。完工后，高頻讀寫器讀取產(chǎn)品標(biāo)簽，系統(tǒng)檢查產(chǎn)品經(jīng)過(guò)的各道工序、料耗等裝配信息，并以生產(chǎn)料耗表的形式呈現(xiàn)給裝配車間主任、成本分析員、工資核算員。最后，工作人員取下產(chǎn)品RFI標(biāo)簽，循環(huán)使用。圖5中。各標(biāo)簽采集的數(shù)據(jù)如表2所示。  

表2 RFID標(biāo)簽信息 

　　2.4 塑料制造環(huán)境下RFID應(yīng)用可靠性 

　　根據(jù)塑料制造業(yè)車間工作環(huán)境建立的改善RFID系統(tǒng)應(yīng)用可靠性的技術(shù)體系嘲，如圖6所示。  

圖6 改善RFID應(yīng)用可靠性的技術(shù)體系

　　通過(guò)改進(jìn)標(biāo)簽和物理閱讀器硬件識(shí)別的可靠性，減少應(yīng)用環(huán)境的影響，可提高標(biāo)簽識(shí)別率(TIP)；采用多個(gè)標(biāo)簽標(biāo)識(shí)一個(gè)物理對(duì)象，在邏輯管控點(diǎn)設(shè)置多個(gè)物理閱讀器的應(yīng)用方案可提高對(duì)象識(shí)別率(OIP)；SIP是在OIP改進(jìn)的基礎(chǔ)上，基于各種應(yīng)用完整性約束規(guī)則(如：路徑約束、伴隨約束等)，通過(guò)對(duì)異常閱讀產(chǎn)生的不可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與糾正的方法來(lái)提高。改進(jìn)RFID硬件可靠性、減少應(yīng)用環(huán)境干擾、以及增加硬件設(shè)備的實(shí)施方案都是提高RHD應(yīng)用可靠性的關(guān)鍵。 

3 結(jié)束語(yǔ) 

　　本文以江蘇一家有代表性的中小型塑料制造企業(yè)為例，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與制造技術(shù)相結(jié)合，全面討論了MES系統(tǒng)與RFID技術(shù)在離散型裝配制造業(yè)中的應(yīng)用。本系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐表明：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程控制智能化、制造裝備數(shù)字化、咨詢服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化和物流進(jìn)出可追溯化。在實(shí)現(xiàn)規(guī)模化推廣之后，系統(tǒng)將可以成為提升該企業(yè)乃至整個(gè)塑料制造行業(yè)發(fā)展速度的重要產(chǎn)品。系統(tǒng)可擴(kuò)展新的功能以適用于部分相似行業(yè)。