基于RFID技術(shù)的MES系統(tǒng)設(shè)計方案

1 引言

在輪胎生產(chǎn)制造企業(yè)中，輪胎生產(chǎn)信息的正確采集和存儲將對控制輪胎的生產(chǎn)過程、質(zhì)量檢驗和質(zhì)量跟蹤等方面起著重要作用。目前，企業(yè)MES系統(tǒng)依靠手工記錄和條碼掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于輪胎生產(chǎn)工序多且復(fù)雜，半成品物料就有十幾種工序，依靠手工記錄和傳統(tǒng)人工條碼掃描方式操作繁雜，容易出錯，不利于企業(yè)精細(xì)化管理。在輪胎質(zhì)量檢測不合格時，條形碼很難快速地追溯到故障原因，造成資源的浪費(fèi)。

由此現(xiàn)狀，在輪胎企業(yè)MES系統(tǒng)中，需要尋求一種新的識別技術(shù)來提高信息采集的自動化水平。隨著科技的發(fā)展，RFID作為一種非接觸式自動識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的快速流通。故障追溯識別功能，能夠滿足輪胎生產(chǎn)線的實(shí)際需求。因此RFID技術(shù)在輪胎企業(yè)MES系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。

2 RFID系統(tǒng)簡介

RFID系統(tǒng)主要由RFID標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader/Writer)和應(yīng)用系統(tǒng)(Application System)三部分組成。RFID系統(tǒng)利用射頻信號以無線方式傳輸數(shù)據(jù)，根據(jù)RFID標(biāo)簽擁有的唯一識別碼來高效地分辨、追蹤、管理產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)查詢、結(jié)賬、存貨控制、統(tǒng)計等功能。

2.1 RFID標(biāo)簽(Tag)

電子標(biāo)簽核心主要由帶存儲的芯片組成，存儲包含待識別物體的身份代碼和技術(shù)參數(shù)等信息。電子標(biāo)簽可以安裝在待識別物體的適當(dāng)部位。電子標(biāo)簽與條形碼相比主要優(yōu)勢：

①更大的信息存儲空間，并為以后的信息擴(kuò)展提供可能。②產(chǎn)品信息動態(tài)存儲。在整個輪胎生產(chǎn)過程中，這些信息可以自動提示工人物料的信息，提高了生產(chǎn)效率。③電子標(biāo)簽經(jīng)過二次封裝，可適應(yīng)震動，腐蝕，潮濕金屬等惡劣的工業(yè)環(huán)境。④信息讀寫時標(biāo)簽不一定要在天線的可視范圍內(nèi)，可以嵌入載體、工裝、托盤中，使用十分方便。

2.2 讀寫器(Reader/Writer)

主要包括讀寫主機(jī)、天線和連接線纜等，天線安裝在待識別物體通過的通道或必須的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)上。讀寫器采集到的信息包括待識別物體身份代碼信息，如產(chǎn)品型號、序號、生產(chǎn)時間以及其他需記錄的信息。在輪胎的生產(chǎn)過程中，主要應(yīng)用讀寫器非接觸識別和快速讀寫的特點(diǎn)避免人工介入、減少錯誤，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息采集的自動化。

2.3 應(yīng)用系統(tǒng)(Application System)

應(yīng)用系統(tǒng)是RFID系統(tǒng)框架中重要的一環(huán)。是用來管理讀寫器、PC/PLC、服務(wù)器等的通信接口。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的信息交互以及與IVIES系統(tǒng)的兼容等問題。

3.原有輪胎企業(yè)MES系統(tǒng)

目前，在輪胎企業(yè)應(yīng)用較為成熟的MES系統(tǒng)有“密煉車間管控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”、“半成品和成型數(shù)字管控系統(tǒng)”和“輪胎條碼物流管理系統(tǒng)”，這些iVIES系統(tǒng)都是基于條形碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的，已經(jīng)覆蓋了輪胎生產(chǎn)的原材料倉庫、煉膠車間、成型、硫化車間、各質(zhì)檢工序、成品倉庫管理以及輪胎銷售、三包售后等各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。由于條形碼技術(shù)本身的缺陷，MEs系統(tǒng)在實(shí)際輪胎生產(chǎn)過程中常常會出現(xiàn)以下問題：

①在生產(chǎn)過程中，各環(huán)節(jié)信息都有人工輸入，容易出現(xiàn)錯誤，使工作步驟不能正常銜接，影響生產(chǎn)效率。

②出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題時，由于記錄數(shù)據(jù)不完全，導(dǎo)致不能追溯到出現(xiàn)質(zhì)量問題的工序和工位上。

③生產(chǎn)部門對現(xiàn)場信息掌握不全，使輪胎半成品生產(chǎn)物料容易產(chǎn)生大量庫存，影響企業(yè)生產(chǎn)和管理。

④管理人員不能直接了解生產(chǎn)線生產(chǎn)狀況，不能根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況及時調(diào)整作業(yè)計劃，解決生產(chǎn)中的實(shí)際問題。

應(yīng)用RFID技術(shù)后，以上問題可以迎刃而解：它能動態(tài)存儲每個工序作業(yè)的內(nèi)容;對生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理，使需求計劃更加及時準(zhǔn)確;減少時間和資源的浪費(fèi);可追蹤定位輪胎每道工序的加工信息，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

圖1 目前輪胎企業(yè)MES系統(tǒng)的示意圖

3.2 RFID系統(tǒng)在輪胎工序生產(chǎn)線上的應(yīng)用設(shè)計

輪胎生產(chǎn)線是個封閉循環(huán)系統(tǒng)，讀寫器和工位機(jī)進(jìn)行通信，每個工位PC都由后臺集中控制管理。標(biāo)簽安裝到輪胎生產(chǎn)物料的各種工裝上，每個工位的讀寫器在工裝安裝到機(jī)位時進(jìn)行讀取，識別此工裝物料信息，并在工位機(jī)上明確顯示，操作人員可以清楚地識別。

以輪胎生產(chǎn)半成品—威型工序為例，詳細(xì)介紹一下基于RFID技術(shù)的MES系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)計。

圖2 基于RFID技術(shù)的MES系統(tǒng)框架

目前，輪胎半成品一成型工序應(yīng)用的工裝分為工字輪、百葉車和推車三大類，以常用的三鼓成型機(jī)為例，一條輪胎成型過程中需要13種物料，應(yīng)用現(xiàn)有的條形碼，需要把每種物料的條行碼進(jìn)行掃描，操作繁瑣還易出錯，而應(yīng)用了RFID技術(shù)后，操作人員把物料工裝安在相應(yīng)工位上后，無需進(jìn)行額外的操作，系統(tǒng)會自動識別每一種物料的信息。并把正確的物料信息記錄到MES系統(tǒng)中。如果物料安裝錯誤系統(tǒng)會提示錯誤信息，避免了生產(chǎn)浪費(fèi)。RFID標(biāo)簽采用防金屬技術(shù)，安裝在工字輪輻上，讀取天線安裝在工位上方附近，對于百葉車等工裝標(biāo)簽可安在車下方，天線安裝在地下，整個系統(tǒng)布置好后，操作工在進(jìn)行更換工裝物料時，安裝在附近的天線會自動讀取所換的工裝上的標(biāo)簽信息，自動記錄到MES系統(tǒng)中。

通過輪胎生產(chǎn)各工序安裝RFID系統(tǒng)后，對輪胎生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)可以進(jìn)行生產(chǎn)質(zhì)量追溯。

圖3 基于RFID技術(shù)各工序物料質(zhì)量追溯工序圖

3.3 基于RFID技術(shù)的MES系統(tǒng)應(yīng)用操作流程設(shè)計

3.3.1 RFID系統(tǒng)操作流程

①RFID標(biāo)簽初始化

——工人在交接班后，在工位機(jī)上輸入即將生產(chǎn)的物料類型和所需原料。

——工人領(lǐng)取原料后，通過帶有標(biāo)簽的工裝在使用位置自動進(jìn)行識別存儲。

——生產(chǎn)時，工人把帶有標(biāo)簽的工裝，安裝到機(jī)位時，系統(tǒng)自動識別工裝信息，并在

——工位機(jī)上顯示，以便查看核實(shí)，完成電子標(biāo)簽初始化。

——當(dāng)工裝物料生產(chǎn)完后，寫入生產(chǎn)信息，物料進(jìn)行下一流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。

②讀寫電子標(biāo)簽

——待加工的工裝物料安裝在成型機(jī)工位時，MES系統(tǒng)通過RFID自動讀取并顯示當(dāng)前物料的信息，以免上錯物料，并把當(dāng)前物料信息記錄到成型工位機(jī)上，進(jìn)行記錄，完成追溯連接。

——更換物料時，工人先在工位機(jī)上確認(rèn)當(dāng)前已用物料，再進(jìn)行下一物料的識別生產(chǎn)。

——如果物料弄錯時，系統(tǒng)會出現(xiàn)錯誤警報，工人可以清楚的知道哪種物料出現(xiàn)錯誤，進(jìn)行及時有效地更正。

③提取電子標(biāo)簽信息

——輪胎半成品物料統(tǒng)一放到存放區(qū)，質(zhì)檢人員發(fā)現(xiàn)不合格時，從讀寫器中提取己寫入信息，定位追溯到此物料生產(chǎn)工位，查找質(zhì)量原因，做到及時更正。

——通過對物料存放區(qū)中工裝標(biāo)簽的識別統(tǒng)計，可以實(shí)時地掌握當(dāng)前物料信息，為后續(xù)安排計劃和生產(chǎn)任務(wù)提供了科學(xué)依據(jù)。

4 基于RFID技術(shù)的企業(yè)MES系統(tǒng)功能設(shè)計

4.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

RFID輪胎企業(yè)IVIES系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

●生產(chǎn)計劃和工藝直接下達(dá)到工序、設(shè)備(而ERP、MRPII一般只能下達(dá)到品種、車間)，直接指導(dǎo)設(shè)備加工、防止跨工序加工，減少工藝錯誤。

●數(shù)據(jù)采集實(shí)時性，可及時進(jìn)行計劃考核，實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度。

●各車間職能科室可以共享生產(chǎn)數(shù)據(jù)，了解相關(guān)工序的生產(chǎn)進(jìn)度，便于生產(chǎn)協(xié)調(diào)。準(zhǔn)確確認(rèn)交貨時間，實(shí)現(xiàn)批次管理。

●工藝反饋校正：及時修正工藝錯誤、縮短工藝糾正周期。

●加工數(shù)據(jù)有效性：減少手工操作、紙張傳遞：便于質(zhì)量追溯。

●智能看板：完成質(zhì)量信息采集與質(zhì)量分析。

●擴(kuò)展物流管理：RFID批次號.條碼.產(chǎn)品。

4.2 系統(tǒng)包括如下功能設(shè)計

4.2.1 總體架構(gòu)和系統(tǒng)模型的建設(shè)

通過對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、工廠設(shè)備、通信路由、軟硬件組合及系統(tǒng)規(guī)模與性能進(jìn)行深入分析，確立監(jiān)控系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備之間的層次關(guān)系，確定各功能模塊的劃分，模塊之間的接口，完成總體架構(gòu)的建設(shè)。充分考慮系統(tǒng)的可集成性、可配置性、可適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和可靠性。

4.2.2 軟件平臺的架構(gòu)建設(shè)

基于面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)、分布式網(wǎng)絡(luò)、和各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫及組態(tài)技術(shù)，建設(shè)適合即時、現(xiàn)場、遠(yuǎn)程監(jiān)控的，便于擴(kuò)容和修改的系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)平臺，充分體現(xiàn)面向輪胎生產(chǎn)特點(diǎn)的系統(tǒng)應(yīng)用集成，支持實(shí)時活動，實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場管理規(guī)則和綜合管理知識的管控結(jié)合。

主要包括軟件系統(tǒng)功能定位、平臺選型和數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、客戶端查詢?yōu)g覽等架構(gòu)組成的建設(shè)。

4.2.3 功能模塊設(shè)計

功能模塊的具體軟件開發(fā)，包括：①生產(chǎn)計劃及生產(chǎn)管理;②現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集;③④物料信息管理和跟蹤查詢;⑤半成品信息管理和跟蹤查詢;⑥產(chǎn)品生命周期檔案;⑦設(shè)備管理：⑧產(chǎn)量監(jiān)控分析：◎質(zhì)量及績效分析查詢。

4.4 工作流設(shè)計

設(shè)計工作流模型及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流規(guī)劃，支持各種控制和溝通策略，支持生產(chǎn)過程的各種工作流程，實(shí)現(xiàn)制造生產(chǎn)和管理過程的自動驅(qū)動、記錄、跟蹤、分析、信息共享等，并容易實(shí)現(xiàn)與ERP、PDM等的無縫集成，形成一個信息流的順暢通道。

5 RFID硬件設(shè)備選型

RFID硬件設(shè)備主要是電子標(biāo)簽和讀寫器，兩者的選型從以下幾個方面考慮：工作的可靠性、較高的性價比、識別的距離、工作的頻率、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、產(chǎn)品提供及維護(hù)的便攜性、是否有成功的應(yīng)用案例。

基于以上考慮，選擇UHF頻段讀寫器，工作頻段為902"-928 MHz，符合標(biāo)準(zhǔn)EPCGen2，讀寫距離0～15 m，電子標(biāo)簽選擇EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)的防金屬UHF標(biāo)簽。

6 結(jié)束語

隨著輪胎企業(yè)信息化的發(fā)展，MES系統(tǒng)的功能不單單在于企業(yè)內(nèi)部，而是基于產(chǎn)品全生命周期管理的信息交互與共享。RFID技術(shù)與MES集成應(yīng)用改善了業(yè)務(wù)流程，使制造過程中的成本和錯誤大大減少，提高了生產(chǎn)率，經(jīng)濟(jì)效益更為突出。目前RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容編碼還未形成統(tǒng)一的全球化標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，這樣通過互聯(lián)網(wǎng)RFID不僅僅實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)的信息交流，而且可實(shí)現(xiàn)與企業(yè)其他應(yīng)用系統(tǒng)的集成，從而使產(chǎn)品信息識別和實(shí)時信息共享成為可能。
來源；中國工控網(wǎng)