基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)研究

　　1.引言

　　隨著我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車市場(chǎng)需求日益多樣化。企業(yè)資源管理系統(tǒng)雖然滿足了對(duì)汽車制造過(guò)程相關(guān)資源的有效管理，但是只能達(dá)到物品批次管理而無(wú)法實(shí)現(xiàn)單品精細(xì)化管理。因此，如何實(shí)時(shí)掌握在制品的車型、數(shù)量、進(jìn)度、轉(zhuǎn)移、質(zhì)量狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)車間物品層的精細(xì)管理和協(xié)調(diào)控制是關(guān)鍵之一。通過(guò)將無(wú)線射頻識(shí)別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)引入車間層管理系統(tǒng)中的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES，Manufacturing Execution System)，跟蹤和監(jiān)控單個(gè)車體的流動(dòng)，可有效幫助管理者實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車間層可視化和數(shù)字化管理。

　　目前，國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者進(jìn)行制造執(zhí)行系統(tǒng)的相關(guān)研究。Jean Marcelo Simao等[1]針對(duì)基于規(guī)則導(dǎo)向和產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)的MES系統(tǒng)，提出了理論解決模型以滿足客戶定制化需求。吳剛等[2]通過(guò)應(yīng)用XML和BizTalkserver技術(shù)的中間件集成方法，實(shí)現(xiàn)MES與ERP系統(tǒng)的集成。臧傳真和范玉順[3]通過(guò)分析RFID等智能物件技術(shù)在制造企業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建了基于智能物件的制造企業(yè)信息系統(tǒng)。Fagui Liu和Zhaowei Miao[4]在分析陶瓷浴缸生產(chǎn)過(guò)程的基礎(chǔ)上，提出了基于RFID的生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)中間件實(shí)現(xiàn)與ERP數(shù)據(jù)庫(kù)的集成。汽車制造業(yè)作為離散制造業(yè)中的典型代表，同其他制造業(yè)相比有其獨(dú)特的工藝特點(diǎn)和特殊的生產(chǎn)環(huán)境，而針對(duì)將RFID技術(shù)應(yīng)用于汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

　　基于上述分析，本文通過(guò)分析汽車制造過(guò)程管理特點(diǎn)和RFID技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)(R-AMES，Automobile Manufacturing Execution System based on RFID)。

　　2.汽車生產(chǎn)管理現(xiàn)狀

　　汽車制造業(yè)的最終產(chǎn)品都是由成千上萬(wàn)個(gè)零部件所組成，因此針對(duì)整車生產(chǎn)和裝配過(guò)程的監(jiān)控是管理的重點(diǎn)?？傮w上來(lái)說(shuō)汽車生產(chǎn)具有如下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

　　第一，MTO(Made to Order)生產(chǎn)模式，需滿足客戶個(gè)性化定制要求，實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)。雖然這種生產(chǎn)模式降低了庫(kù)存，但要求汽車廠商加強(qiáng)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程以確保每輛車按時(shí)準(zhǔn)確的完成生產(chǎn)裝配;第二，汽車生產(chǎn)工藝規(guī)程復(fù)雜，工藝路線長(zhǎng)，主要包括焊裝、涂裝和總裝三大工藝，要求各車間和相關(guān)部門協(xié)同完成生產(chǎn)任務(wù); 第三，整車裝配零部件種類繁多，且必須按照一定的裝配次序，如焊裝車間沖壓件的焊裝和總裝車間部件的裝配;第四，生產(chǎn)過(guò)程干擾因素多，加工過(guò)程不穩(wěn)定，如焊裝車間的電磁干擾、涂裝車間高溫和酸堿環(huán)境等;最后，生產(chǎn)過(guò)程采集數(shù)據(jù)量大且分布于各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要求實(shí)時(shí)采集、處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，便于管理者及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的生產(chǎn)問(wèn)題并及時(shí)采取措施。

　　目前，部分汽車企業(yè)通過(guò)ERP系統(tǒng)管理企業(yè)資源，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)管理車間現(xiàn)場(chǎng)，這種管理方式主要存在兩方面的問(wèn)題：一是導(dǎo)致ERP和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)之間存在信息斷層。如：企業(yè)ERP系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行信息通訊，實(shí)時(shí)更新生產(chǎn)信息，導(dǎo)致高層管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)線狀況和特殊定單完成情況等;二是傳統(tǒng)的ERP系統(tǒng)管理模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。由于企業(yè)沒(méi)有引入有效的產(chǎn)品跟蹤標(biāo)識(shí)技術(shù)和構(gòu)建相應(yīng)的車間層制造執(zhí)行系統(tǒng)，導(dǎo)致企業(yè)管理者只能按批次對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行管理，不能有效滿足客戶的大量個(gè)性化需求。因此，需要在ERP系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)之間構(gòu)建一個(gè)橋梁以解決這兩方面的問(wèn)題。本文結(jié)合汽車制造過(guò)程管理的需求，構(gòu)建了一個(gè)基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)引入RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了汽車整車生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和精細(xì)化管理。

　　3.基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)

　　3.1 RFID 技術(shù)

　　RFID系統(tǒng)一般由標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)天線(Antenna)組成，同傳統(tǒng)的條形碼數(shù)據(jù)采集技術(shù)相比，RFID技術(shù)有著多方面的優(yōu)勢(shì)，具體內(nèi)容如表1所示[5][6]：

　　表 1 RFID 與條碼的特性比較

　　3.2 RFID 應(yīng)用方案

　　如今，RFID技術(shù)已在物流等領(lǐng)域有一定應(yīng)用，但是在制造業(yè)生產(chǎn)管理中的應(yīng)用卻鮮見(jiàn)報(bào)道，此外相關(guān)部門也尚未制定出統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文提出的應(yīng)用方案主要適用于汽車整車生產(chǎn)車間范圍內(nèi)應(yīng)用，通過(guò)安裝于車體或運(yùn)輸載體上的電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對(duì)車體的跟蹤和監(jiān)控。RFID系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集層，主要采集的數(shù)據(jù)包括三類：生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)和裝配數(shù)據(jù).

　　上下線工位：根據(jù)車間的不同需求，在車間起始工位安裝電子標(biāo)簽，將其固定在車體適當(dāng)位置或牽引小車車架上，通過(guò)閱讀器將車輛VIN碼，車型編碼，顏色編碼，批次號(hào)等信息寫(xiě)入電子標(biāo)簽。由于VIN碼是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一制定的，具有唯一性，因此可作為車體跟蹤的關(guān)鍵標(biāo)識(shí)信息。整車下線后可回收電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，同時(shí)掃描標(biāo)簽信息打印相應(yīng)的條形碼貼于車身，作為整車出廠后的身份標(biāo)識(shí)。

　　關(guān)鍵監(jiān)控工位：在汽車生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控的關(guān)鍵工位上，通過(guò)設(shè)置的閱讀器和天線自動(dòng)獲取電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的車體信息，一方面通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器傳入后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，作為生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的基礎(chǔ)信息;另一方面通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器與現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器、機(jī)器人等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制其執(zhí)行相應(yīng)的生產(chǎn)指令，或通過(guò)電子看板指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人完成正確的操作。此外，在關(guān)鍵質(zhì)量檢驗(yàn)工位，工人通過(guò)手持閱讀器掃描標(biāo)簽，并錄入質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)到后臺(tái)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)單個(gè)車體的質(zhì)量管理和監(jiān)控。

　　關(guān)重件工位：為滿足汽車質(zhì)量召回的要求，整車企業(yè)需要對(duì)關(guān)重件進(jìn)行跟蹤管理。因此，在總裝車間關(guān)鍵裝配工位，如發(fā)動(dòng)機(jī)等，當(dāng)車體到達(dá)裝配工位時(shí)通過(guò)工位閱讀器讀取車體編碼，然后工人通過(guò)手持條碼槍掃描發(fā)動(dòng)機(jī)條形碼，將發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)重件的數(shù)據(jù)與裝配車輛VIN碼傳送到后臺(tái)系統(tǒng)中進(jìn)行關(guān)聯(lián)儲(chǔ)存，為車輛召回時(shí)進(jìn)行質(zhì)量追溯提供基礎(chǔ)信息。

　　3.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　一、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖上可看出，該系統(tǒng)主要包括標(biāo)簽部署層、物理層、中間件層、功能應(yīng)用層和系統(tǒng)接口層。

　　標(biāo)簽部署層主要根據(jù)汽車生產(chǎn)車間的不同應(yīng)用需求將標(biāo)簽安裝于車體或設(shè)備的相應(yīng)區(qū)域，具體安裝位置需要通過(guò)大量的測(cè)試工作后方可進(jìn)行確認(rèn)。

　　物理層主要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要將RFID閱讀器及其他硬件設(shè)備進(jìn)行部署和管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、打印、監(jiān)控和設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制等。從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際出發(fā)，選擇采用C/S模式。RFID中間件層主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與控制器和R-AMES系統(tǒng)的集成。功能應(yīng)用層主要面向管理信息的維護(hù)、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等應(yīng)用，要求應(yīng)用靈活、管理和操作方便，選擇采用B/S模式。系統(tǒng)接口層主要實(shí)現(xiàn)R-AMES系統(tǒng)與企業(yè)信息管理系統(tǒng)如ERP之間的集成。　　基于RFID汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務(wù)主要包括兩大部分：核心業(yè)務(wù)和輔助業(yè)務(wù)。其中主要的功能包括：

　　①生產(chǎn)計(jì)劃維護(hù)與管理：從ERP系統(tǒng)下載生產(chǎn)計(jì)劃，按照工藝制定并直接下達(dá)工序生產(chǎn)計(jì)劃到車間，并提供對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃隊(duì)列的修改和查詢統(tǒng)計(jì)。

　?、谲囬g實(shí)時(shí)追蹤與管理：在車間的關(guān)鍵或重要工位設(shè)置采集點(diǎn)，采集相關(guān)信息，追蹤產(chǎn)品的生產(chǎn)流動(dòng)過(guò)程。

　?、凵a(chǎn)過(guò)程質(zhì)量管理：在生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工位和有質(zhì)量檢測(cè)要求的地點(diǎn)設(shè)置信息采集點(diǎn)，追蹤產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量狀況，同時(shí)進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析和處理。

　　④生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與查詢：針對(duì)采集的信息進(jìn)行可視化處理，通過(guò)生產(chǎn)線圖形化的監(jiān)控界面監(jiān)控各條生產(chǎn)線實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況和生產(chǎn)訂單的完成情況。

　　二、系統(tǒng)整體構(gòu)成

　　基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。通過(guò)在生產(chǎn)線相應(yīng)工位安裝的固定閱讀器或手持閱讀器實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)線車體信息，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)通訊?，F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)車間現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)杰囬g服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，最終通過(guò)中心服務(wù)器將各個(gè)車間的數(shù)據(jù)匯總到企業(yè)ERP系統(tǒng)。

　　4.實(shí)證研究

　　在國(guó)家863計(jì)劃支持下，RFID技術(shù)已成功的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某汽車企業(yè)涂裝生產(chǎn)線。圖4為該企業(yè)安裝了R-AMES系統(tǒng)的涂裝車間布局圖，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了7處讀寫(xiě)站。

　　如圖3所示，車體由白車身貯存線(WBS)進(jìn)入涂裝線，白車身被轉(zhuǎn)掛到空滑橇上，當(dāng)檢測(cè)開(kāi)關(guān)發(fā)出滑橇到位信號(hào)時(shí)，Reader 1開(kāi)始自動(dòng)讀取滑橇標(biāo)簽所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，即讀出滑橇號(hào)和噴涂次數(shù)等，同時(shí)顯示在屏幕上;再進(jìn)行寫(xiě)操作，清除上一循環(huán)的VIN碼、車型、顏色信息，通過(guò)R-AMES系統(tǒng)寫(xiě)入新的VIN碼、車型、顏色等信息，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)記錄當(dāng)前時(shí)間作為該車身的上線時(shí)間，其它Reader均能實(shí)現(xiàn)時(shí)間的記錄，這樣就可對(duì)每輛車所處工藝段進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤。

　　白車身經(jīng)過(guò)前處理、電泳和電泳烘干后進(jìn)入電泳打磨線，當(dāng)檢測(cè)開(kāi)關(guān)發(fā)出滑橇到位信號(hào)時(shí),設(shè)置的Reader2讀出標(biāo)簽內(nèi)的VIN碼并自動(dòng)記錄當(dāng)前到達(dá)時(shí)間;然后錄入車身電泳質(zhì)量信息到R-AMES系統(tǒng)。

　　車身密封完成后進(jìn)入面漆線進(jìn)行噴漆，Reader3設(shè)置在自動(dòng)擦凈機(jī)和自動(dòng)噴涂機(jī)器人前，讀出滑橇號(hào)、VIN碼、車身顏色、車型等信息，確認(rèn)噴涂顏色后給自動(dòng)擦凈機(jī)、自動(dòng)噴涂機(jī)器人發(fā)出正確的車型及噴涂顏色信息，滑橇噴涂次數(shù)自動(dòng)加1。

　　車身經(jīng)過(guò)面漆和烘干后進(jìn)入檢測(cè)線，Reader4設(shè)置在噴涂質(zhì)量檢查工位，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工人將檢查結(jié)果(合格、返修、返工)寫(xiě)入標(biāo)簽，同時(shí)錄入質(zhì)量信息到監(jiān)控系統(tǒng)中。車身從檢測(cè)線出站后到達(dá)分流點(diǎn)，此處設(shè)置的Reader5自動(dòng)讀取當(dāng)前標(biāo)簽內(nèi)的檢查結(jié)果信息，合格則進(jìn)入下一工位，否則進(jìn)入返修線;設(shè)置在返修線下線處的Reader6自動(dòng)識(shí)別返工車，控制其返回面漆線重新噴涂。

　　檢測(cè)合格的車身到達(dá)車間下線工位后，通過(guò)Reader7讀取標(biāo)簽內(nèi)的VIN碼，打印條形碼作為總裝車間車體識(shí)別系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù);同時(shí)讀出滑橇噴涂次數(shù)，以決定是否對(duì)滑橇進(jìn)行清洗;最后車體轉(zhuǎn)掛到PBS吊具上進(jìn)入噴涂完工車身貯存線(PBS)。RFID技術(shù)的引入使得企業(yè)的管理更加精細(xì)化、透明化，管理者更加清晰的了解生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)狀態(tài)，提高了管理和生產(chǎn)自動(dòng)化的水平。系統(tǒng)實(shí)施后，生產(chǎn)率提高了15%，每年節(jié)約生產(chǎn)成本約160萬(wàn)元。在實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部管理精細(xì)化后，逐步將RFID技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展到整個(gè)汽車供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)整個(gè)供應(yīng)鏈的可視化管理和質(zhì)量追溯是企業(yè)進(jìn)一步提高綜合實(shí)力的發(fā)展方向。

　　5.結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了基于RFID的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)，并通過(guò)中間件實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)與企業(yè)ERP系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集成，很好解決了汽車企業(yè)資源計(jì)劃層與生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)控制層的信息斷層問(wèn)題，并結(jié)合RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)物品的跟蹤管理。該制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究成果和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能明顯提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，在汽車制造業(yè)具有普遍推廣和應(yīng)用的價(jià)值。RFID技術(shù)在汽車制造業(yè)的成功應(yīng)用，為全面提升我國(guó)汽車制造業(yè)的生產(chǎn)信息化水平提供了充分的技術(shù)支持。