在制品RFID跟踪系统

　　第一章、 背景分析

　　1.1. 项目背景

　　随着物联网技术的兴起，国内制造业普遍认识到通过物联网等技术结合企业信息化MES等管理系统，通过物联网无线传感网络、RFID标签等技术手段，实现制造装配线生产过程的工序实时跟踪和数据采集，从而提高车间制造过程的可视化和可控化水平，增加企业生产效率。生产过程可视化和可控化是生产计划制定和产品按时交货的重要参考因素。实现生产制造管理的数字化、生产过程可视化和可控化所发挥出的重要作用，为企业带来了可观的经济效益。

　　三一重工作为全球工程机械制造商50强、全球最大的混凝土机械制造商、中国企业500强、工程机械行业综合效益和竞争力最强企业、福布斯“中国顶尖企业”，中国最具成长力自主品牌、中国最具竞争力品牌、中国工程机械行业标志性品牌、亚洲品牌500强。引进了国外先进管理思想和方法，并开发了SAP、MES等信息管理系统，这些系统目前已在产品制造管理中内发挥出了重要的作用，为企业带来了巨大的经济效益。

　　目前三一重工已建成覆盖全国8大产业园，并且正积极采用先进的数字化技术提升三一重工在生产制造等各个环节的效能提升，本案即为利用物联网等技术，采集关键工序/工位信息，实现对车身公司三大工艺(焊装、涂装、总装)生产线的即时报工。

　　1.2. 现状分析

　　我国传统制造业由于普遍存在信息化基础薄弱、生产效益不高等问题，因此在制造业尤其是传统制造业实施信息化是当前迫切需要解决的任务。如何对车间级的生产信息进行采集与管理，以达到对生产进行“事前预测计划、事中分析控制、事后跟踪管理” 的效果成为制造业信息化的方向之一。

　　目前三一重工湖南汽车制造有限责任公司的生产过程的监控还是通过管理人员到车间现场了解情况，然后对数据人工输入进行记录、统计形成车间报表，工作量大并且效率低，无法实时跟踪在制品加工状态，数据不能共享。存在以下问题：

　　工艺转换时(上/下工)，三大工艺之间的在制品的工序信息耦合不紧密。

　　对在制品当前所在工位、工步等信息的跟踪无法做到全程、及时和自动化。

　　对各在制品的实作工时无法实时、精确掌握，制约计划排产的实效性，同时也无法开展价值工程。

　　由于非实时跟踪在制品的生产过程及装配进程，导致作业调度、线边物料配送的时效性差。同时也制约对装配物料的齐套性查验，进而影响仓库、配套厂家和供应链的生产配送效率，对JIT生产模式形成制约。

　　可追溯差，缺乏对整车的宗谱的跟踪与追溯，包括装配时间、操作工人、工时、装配零部件等信息，影响质量管控及售后服务效率和质量。

　　关重件等信息采集需要工人手工扫码，效率相对低下。且条码在使用过程中易受油污影响，易脱落而无法读取信息。对特殊几何特征的关重件，条码扫描不方便。

　　关重件和主机的装配容易出现误装的情况，无法在装配前进行匹配性验证，缺乏相应的预警机制和有效的解决方案。

　　通过MES终端报工，需要解屏保和身份验证，导致经常出现一次性为多个产品报工，导致报工任务积压，报工不及时。

　　生产过程的非实时性跟踪，使计划人员无法及时、准确的掌握生产计划的完成情况。

　　1.3. 系统功能目标

　　本项目拟采取无线射频识别(RFID)技术来实现在制品的全过程实时跟踪和自动报工。通过该项目的实施，可以达到以下目标：

　　1、 在制品全过程实时状态跟踪。准确了解在制品的位置和状态信息。

　　2、 与MES和PLC集成，实现在制品的三大工艺之间转换时的信息无缝耦合。

　　3、 为装配线全线三维作业指导和物流等业务提供数据支持。

　　4、 通过采用读写器实时触发报工方法，减少报工时间和提高报工准确率。

　　5、 通过对装配线在制品生产过程的跟踪和实时监控，了解在制品的加工和装配过程，减少异常处理时间，提高准时完工率和交货率。

　　6、 对在制品的宗谱(整车及其部件的历史加工/来源信息)进行跟踪管理，便于开展质量溯源。

　　7、 将采集到的生产过程信息与SAP、MES等业务系统集成，驱动物料管理、配送管理、生产调度、计划排程、质量管控、售后服务等业务模块高效高质运行。

　　8、 RFID采集设备能够适应现场复杂的工况环境。

　　1.4. 预期效果

　　系统实施所达到的预期效果包括：

　　通过条RFID等自动识别和数据采集手段代替手工处理信息提高管理效率和增强企业的应变能力;

　　信息系统将向底层自动化扩展。通过RFID向系统输入大量底层实时数据，使得信息系统势必不断向底层自动化扩展，提高装配过程的灵活性;

　　弥合企业生产系统中计划与执行时间的间隙。应用RFID等自动识别和数据采集手段的信息系统能及时获取生产的实时数据，实现在制品的全程自动跟踪，并通过网络信息传递通道将数据和应用无缝集成起来，为企业管理层提供决策支持，弥合了计划下达和生产执行之间的间隙，减少计划的盲目性;

　　安全库存和制造批量的观念发生变化。RFID在工厂和仓库中的应用将使得上游工序(或企业)的来料、下游工序(或企业)的需求完全透明，从而实现准时制(JIT)和批量定制(MC)生产方式。

　　第二章、 系统方案

　　2.1. 系统总体结构

　　系统方案的总体结构图如图1所示。整个系统大体分成管理执行层、数据通信层和数据采集层三部分。

　　1. 生产执行层

　　数据采集层由设备终端和数据采集系统两部分组成，包括的物理设备有RFID手持设备、耐高温/耐腐蚀RFID电子标签等。

　　主要涉及用于在制品生产的总装、电泳等工位现场。生产执行层完成底层数据采集、数据传输、数据提交和指导生产。

　　RFID读写器：读写器是RFID数据采集系统的核心部件，主要完成电子标签数据的采集与数据交互。

　　RFID电子标签：RFID电子标签的选择要根据在车身制品的实际特点决定。在本案中使用为特定的高温抗金属标签以保证在本案条件下可以正常工作。

　　整个系统结构由数据采集、网络传输、系统运算等部分组成。

　　现场信息显示：现场信息可通过MES终端机、电子看板等设备显示，实现零配件批号生成与管理以及生产计划、生产工艺、生产状态信息、生产设备信息、质量分析信息的在线实时查询、显示、录入，实现车间的无纸化作业。

　　RFID标签发卡设备：发卡器从控制电脑处接收和执行写入指令。根据一个生产过程的记录，然后将标签悬挂在或安装在制品设备上。

　　2. 数据通信层

　　数据通信层是联系管理控制层和生产执行层的中间部分，实现管理层与执行层之间的数据通信与信息交互。主要的物理设备包括企业内部网(Intranet)和通信服务器。

　　企业内部网：结合企业生产车间现有网络环境，数据通信层通过千兆以太网实现管理层与执行层的连接，并实现两者之间基于TCP/IP协议的数据传输和信息通信。

　　3. 管理监控层

　　管理监控层主要完成从中间件到生产管理及调度和数据存储的一系列过程，并响应由底层传输过来的数据终端的命令请求，或者中间件发到底层数据终端的指令。管理控制层包含数据库服务器、管理服务器和上层管理计算机三部分：

　　中间件技术：中间件是指介于前端数据采集系统和后端数据库与管理和监控系统中间，提供程序管理、资料过滤与汇集、事件管理、安全管理以及网络管理等机制的软件模块。

　　中间件提供了一个双向透明接口，对底层设备的精确控制和实时数据采集以及对上层应用软件及数据库等提供需要的底层数据，使上层应用软件屏蔽了底层硬件的复杂性和多样性，能在不同硬件环境下更为方便地实现相同功能的软件。

　　数据库服务器：主要存放生产执行层采集的实时数据，用于对整个生产状态的实时监控。

　　管理服务器：主要存放对企业生产管理所需的各类信息，用于对生产实施日常管理和企业整体的计划决策管理;

　　数据服务器和管理服务器通过网络接口联入局域网络。

　　上层管理计算机：是生产管理人员用于生产管理的综合平台，主要用于对生产状态的实时监视和生产指令的下达。

　　系统软件架构

　　2.2. 系统业务模型设计

　　本系统使用在总装的18个工位区域，通过扫描报工实现对车间生产进度的实时监控。

　　业务流程描述：

　　1、 系统在制品上线前，在发卡工作站签发RFID标签卡，标签内写入该在制品的订单号、规格型号、制造流程等基本信息。在制品标签随车走。

　　2、 在制品到达某一工位后，通过固定式阅读器读取在制品到位时间，并开始查验配件信息，包括配件数量与规格型号。同时，读写器往在制品标签内写入当前工位的操作信息，包括装配工人信息、开工时间、报工时间等，并将相关信息传递给MES、SAP等业务系统;

　　3、 在在制品或部装件上安装过程中，如果遇到如配件问题，设备故障等，通过工位按钮向指定人员反馈，红灯亮;直到问题解决为止。

　　4、系统自动报工。当前工位所有工作完成时，可选用以下方式报工：

　　(1)、通过工控按钮一键确认报工。

　　(2)、按钮报工。按一下工位确认按钮系统确认此工序完成。

　　(3)、MES终端报工。身份验证，解除屏保，报工确认。

　　2.3. 方案关键技术及优点

　　本方案中，涉及的关键技术/产品和难点包括以下几个方面：

　　物联网集成管理平台：

　　快速定制，通过接口脚本适配各类行业应用系统;

　　支持主流RFID读写器产品，对上层提供Http,Soap,JMS等协议支撑，提供Web Service接口;

　　提供对RFID读写器的监控，配置和管理。

　　提供灵活扩展的框架，支持ALE规范的升级和快速集成新的RFID读写器;

　　挂载标签精确定位模块，支持高精度标签定位;

　　提供标签数据自动生成模块;

　　提供企业级运行品质，稳定，高效，安全，可管理，可扩展。

　　分布式读写器技术：

　　支持低成本大规模递增式组网;

　　超大容量读写器单元，超传统50倍以上;

　　有线无线结合的灵活组网模型;

　　读写器控制单元可独立部署在核心机房便于集中维护;

　　控制单元支持硬件升级;

　　单读写器可控制超过2000个射频节点;

　　可通过互联网络分散覆盖。

　　连续、精确、实时射频定位技术：

　　追踪价值目标，可确定覆盖范围内的细微活动;

　　低功耗设计，优化的有源标签碰撞算法节电一半;

　　精确定位，世界领先的射频定位算法;

　　可自动记录箱体的堆场摆放位置;

　　仅需按特定算法部署少量定位读写器;

　　需强有力的算法研究力量支持;

　　RFID标签封装技术：

　　在倒装芯片封装过程中，伴随着键合界面的演变和I/O互连的实现，力、热、流体、振动、超声等多物理场的复合作用成为影响封装可靠性、效率和电气/机械联结性能的主要因素。封装过程中的多物理场作用具有多参数时-空耦合、强非线性及不确定性等特点，其作用机理十分复杂。高性能低成本的RFID封装工艺依赖于人们对热、力、流体等多物理场作用下封装界面形成机理的揭示，以及微小物体精密操作、基于视觉引导的精确定位、高速高精运动控制、多物理参数在线精密测量及耦合控制、光机电一体化设计等理论方法和关键技术的突破。

　　本案中的核心难点之一为耐高温、耐腐蚀、抗电脉冲的RFID标签设计，标签设计需要主要需要满足以下关键指标：

　　耐高温：工作温度(-200C～800C)，保存温度(-200C～2400C)，持续温度60’。

　　耐腐蚀：酸碱强度为3≤PH≤12

　　抗电场：主要是能够在在电场中移动或保存时，RFID标签的性能不被电场强度所破坏。

　　工业级别：能够在灰尘、潮湿、油污、冷却剂、粉屑、有害气体等环境下工作，满足IP66保护类型的要求，即防尘和防水。