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基于 RFID 技术的信息化工厂设计
作者：姚虹，李建国
来源：RFID世界网
日期：2010-01-18 10:34:41
摘要：本文提出采用RFID技术并结合工厂实际状况构建一个高效的信息化工厂。采用RFID技术，使工厂的每一 个物件对象信息存人信息载体中，便于数据采集终端对其信息进行处理。在此基础上，信息化工厂管理信息系统叮自动、准确、详细地获取工厂的运作情况，使工厂的各层管理者获取各自相关的信息并做出有效的决策，从而提高工厂的运行效率。
O 引 言
信息技术为制造业实施先进制造战略和提高竞争力提供了使能工具和平台，用信息技术改造和提升传统，妊业，增强企、 的竞争力，得到了众多企业的重视，用信息化带动工、 化已经成为我国广大企业追求的目标。而以无线RFID(射频识别)和无线传感器网络为代表的泛在计算技术，使计算世界和物理世界能够紧密地集成起来。这样，企业内的 层管理软件和底层食业运作的真实情况就能够紧密地集成起来，使得企业的参与者能够及时、准确地得到企业运作的真实情况，做出科学的决策。
本文提出采用RFID技术并结合工厂实际状况构建一个高效的信息化工厂。采用RFID技术，使工厂的每一 个物件对象信息存人信息载体中，便于数据采集终端对其信息进行处理。在此基础上，信息化工厂管理信息系统叮自动、准确、详细地获取工厂的运作情况，使工厂的各层管理者获取各自相关的信息并做出有效的决策，从而提高工厂的运行效率。
1 RFID技术简介
RFID俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
一个完整的RFID系统由读写器、标签及应用系统3个部分所组成。其 作原理是：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进人有效工作 域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理：主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写操作 。
2 基于RFID技术的信息化工厂总体设计
2．1 信息化工厂
信息化工厂就是借助于现代信息技术，将工厂员工、生产设备、产品生产、库存等埘象的相关信息存入相应的信息载体中，从而对这些信息进行整合处理，为各层管理者提供一个信息系统，使其随时掌握整个工厂的运行状况，并在做出各种决策时有数据依据。构建一个信息化 f：厂有助于提高生产设备的使用率，降低工厂的库存，节约生产原料，缩短．1 厂的生产时间，降低生产成本，从而提高制造企业的经济效益和竞争力。
2．2 信息化工厂管理信息系统
2．2．1 信息化工厂管理信息系统的总体框架
信息化工厂管理信息系统各层次的框架包括软件平台和应用模块体系，以及系统所依赖的硬件平台。软件平台系统的基础核心构件，包括一系列实现各种核心逻辑的构件，并封装成不同的构件包：调度策略构件包、界面开发构件包、生产过程模型构件包、WIP(物料及在制品的跟踪)构件包、SPC(统计过程控制)分析构件包、设备通信接口构件包、ERP(企业资源计划)接口构件包、RFID终端构件包等 j。应用模块体系建立在软件平台和硬件平台的架构之上，实现系统的各项具体管理功能，具体包括：生产过程信息管理、生产计划及生产管理、现场数据采集、物料跟踪查询、产品生产跟踪查询、产品生命周期档案、质量及绩效分析查询、生产设备信息管理、员工信息管理、库存信息管理等。
2．2．2 信息化工厂管理信息系统的硬件平台基础
1)RFID标签
RFID标签作为标签携带者的信息载体，按应用场合不同，采用非接触式Ic卡、有源标签、纸质标签等。具体标签的选择，可参考各种标签的说明，如标签成本、标签是否再利用还是丢弃、标签的读写距离、最小标签分开距离要求、是否有金属屏蔽、读取位置、标签表面的印刷要求等。
2)RFID数据采集终端设备及其通信方式
RFID数据采集设备按应用场合不同，采用固定式读写器、发卡器、工业读写器等。固定式读写器可单独使用，也可以采用模块与用户的系统集成使用，能同时连接多个天线，放在不同的区域或角度，分时扫描电子标签，通过串行接口(或者其他通信接口)与相关设备方便连接。适用于各种工业环境。发卡器或称读卡器，主要用来对射频卡进行具体内容的操作，包括建立档案、消费纠错、挂失、补卡、信息修正等，它通常与计算机放在一起。从本质上讲，发卡器实际上是小型的射频卡读写装置。发卡器经常与发卡管理软件联合使用。同一厂家的发卡器与其读写器相比，具有发射功率较小、读写距离短等特点。工业读写器具有现场总线接口，以便容易地集成到现有的设备中。
以上3种RFID数据采集设备可选择RS-485串口通信电路和TCP／IP网络通信接口电路中，并作为其中一种通信方式与PC机进行通信。
2．2．3 信息化工厂管理信息系统的各子系统设计及功能
基于RFID技术的数据采集终端作为信息化工厂管理信息系统的物理基础，同时也作为工厂信息中心的主要信息采集单元，将贯穿信息化工厂管理信息系统的整个过程。
信息化工厂管理信息系统由登记信息子系统、生产设备信息子系统、员工信息子系统、产品生产信息子系统、库存信息子系统共5个子系统构成。下面说明各个子系统的设计及功能。
(1)登记信息子系统
登记信息子系统如图1所示，用于登记工厂员工、生产设备、产品、生产原料等标签携带者的信息，并为之分配标签。如以上标签携带者的信息发生改变，还需及时更新其标签上相应的信息。另外，该系统还可根据用户需要，增加或者减少登记标签携带者信息。
标签携带在员工身上、生产设备上或者粘贴在产品、生产原料上，用于标志每个不同的管理对象。当标签进入读写器工作区后，接收到特定的电磁波，产生感应电流，然后标签被激活，并与读写器进行通信。
各种标签携带者的相关信息如下：
a)生产设备：标签内码、ID、名称、制造日期、类型、技术性能、运行状况等。
b)员工：标签内码、ID、姓名、年龄、性别、工作种类、出勤记录、工作完成情况等。
C)生产原料：标签内码、ID、名称、产地、生产日期、生产公司、用途等。
d)产品：标签内码、ID、名称、生产日期、生产原料信息、生产人员信息、订购信息等。
标签内码是指标签出厂时设定的唯一编码。ID是指工厂内部使用的身份编号，如员工ID号、生产设备ID号、生产原料ID号、产品ID号等。各种标签携带者的其他信息可根据实际情况确定。
登记信息子系统是信息化工厂管理信息系统的基础，在录入信息时要确保相关信息的正确性。另外，需确保登记信息子系统的安全性和稳定性，因为其影响到信息化工厂管理信息系统的安全性和稳定性。
(2)生产设备信息子系统
生产设备信息子系统如图2所示，用于管理工厂中不同区域的各种生产设备，提高生产设备的使用效率。同时，实时监控生产设备的运行情况，对于故障的生产设备进行及时维修。如生产设备的信息发生变化，还需及时更新相关信息。另外，该系统还可根据用户需要，增加或者减少标签携带者信息。
员工信息子系统如图3所示，可以方便地实现员工出入工厂管理，考勤数据采集、统计和信息查询以及厂区定位等功能。从管理层的角度考虑，简化了管理结构，提高。厂管理的集中度，使管理层能够集中、全面和随时了解员工的有关情况。另外，分散的静态手工资料向集中的动态化信息资料的转化，提高了管理层次，改善丫管理效率，也为工厂的事后稽查、个体员工考察和整体人力资源政策的制定提供了参考依据。
根据RFID在自动化生产线应用环境和其EPC(产品电子代码)协议，在Rician fading(莱斯衰减)和AWGN(加性高斯白噪声)复杂环境下，用脉冲宽度编码和移动通信中应用较多的正交调幅调制方式，综合设计了一种RFID系统框架 ，即产品生产信息子系统，如图4所示
产品生产信息子系统包括生产过程建模、生产计划的自动佳成和管理、产品生产管理。生产过程建模主要用于对各种产品的生产相关信息数据进行设定。生产计划的自动生成和管理，确保生产资源分配达到最优化目标，同时提供实时生产情况的查询，便于及时调整计划。通过对流经各个生产流程阶段的产品原料上携带的标签读写识别，以及通过语音设备与现场工作人员互动，及时了解现场状况，从而实时动态地监控整个工厂产品的生产管理过程，包括每批定单的执行与完成情况、产品生产进度跟踪与控制、生产质量控制、工人计件工资计算等。实行动态的自动产品生产管理及质量控制，能与工厂现有的其他系统完美结合，能够显著地提高效率，降低成本。
库存信息子系统如图5所示，其实现对出入库的自动化、透明化、有序化管理，杜绝了人为差错。
3 结束语
本文采用RF1D技术并结合工厂的实际状况，构建一个高效的信息化工厂，可提高工厂运行效率。在构建信息化工厂时采取有效抗干扰措施，提高系统的稳定性和安全性。另外，该系统的设计和制造成本低，调试方便，有利于系统的普及。
企业信息化整体解决方案目前还处于探索阶段，在其规划、设计、实施、组织、过程重组、集成框架与集成平台构建、系统集成、系统维护等方面还有大量的问题需要研究。本文仅是对构建一个信息化工厂进行的初步研究，通过在实际中的运用和信息反馈，其硬件框架和软件设计将得到不断完善。
信息技术为制造业实施先进制造战略和提高竞争力提供了使能工具和平台，用信息技术改造和提升传统，妊业，增强企、 的竞争力，得到了众多企业的重视，用信息化带动工、 化已经成为我国广大企业追求的目标。而以无线RFID(射频识别)和无线传感器网络为代表的泛在计算技术，使计算世界和物理世界能够紧密地集成起来。这样，企业内的 层管理软件和底层食业运作的真实情况就能够紧密地集成起来，使得企业的参与者能够及时、准确地得到企业运作的真实情况，做出科学的决策。
本文提出采用RFID技术并结合工厂实际状况构建一个高效的信息化工厂。采用RFID技术，使工厂的每一 个物件对象信息存人信息载体中，便于数据采集终端对其信息进行处理。在此基础上，信息化工厂管理信息系统叮自动、准确、详细地获取工厂的运作情况，使工厂的各层管理者获取各自相关的信息并做出有效的决策，从而提高工厂的运行效率。
1 RFID技术简介
RFID俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
一个完整的RFID系统由读写器、标签及应用系统3个部分所组成。其 作原理是：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进人有效工作 域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理：主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写操作 。
2 基于RFID技术的信息化工厂总体设计
2．1 信息化工厂
信息化工厂就是借助于现代信息技术，将工厂员工、生产设备、产品生产、库存等埘象的相关信息存入相应的信息载体中，从而对这些信息进行整合处理，为各层管理者提供一个信息系统，使其随时掌握整个工厂的运行状况，并在做出各种决策时有数据依据。构建一个信息化 f：厂有助于提高生产设备的使用率，降低工厂的库存，节约生产原料，缩短．1 厂的生产时间，降低生产成本，从而提高制造企业的经济效益和竞争力。
2．2 信息化工厂管理信息系统
2．2．1 信息化工厂管理信息系统的总体框架
信息化工厂管理信息系统各层次的框架包括软件平台和应用模块体系，以及系统所依赖的硬件平台。软件平台系统的基础核心构件，包括一系列实现各种核心逻辑的构件，并封装成不同的构件包：调度策略构件包、界面开发构件包、生产过程模型构件包、WIP(物料及在制品的跟踪)构件包、SPC(统计过程控制)分析构件包、设备通信接口构件包、ERP(企业资源计划)接口构件包、RFID终端构件包等 j。应用模块体系建立在软件平台和硬件平台的架构之上，实现系统的各项具体管理功能，具体包括：生产过程信息管理、生产计划及生产管理、现场数据采集、物料跟踪查询、产品生产跟踪查询、产品生命周期档案、质量及绩效分析查询、生产设备信息管理、员工信息管理、库存信息管理等。
2．2．2 信息化工厂管理信息系统的硬件平台基础
1)RFID标签
RFID标签作为标签携带者的信息载体，按应用场合不同，采用非接触式Ic卡、有源标签、纸质标签等。具体标签的选择，可参考各种标签的说明，如标签成本、标签是否再利用还是丢弃、标签的读写距离、最小标签分开距离要求、是否有金属屏蔽、读取位置、标签表面的印刷要求等。
2)RFID数据采集终端设备及其通信方式
RFID数据采集设备按应用场合不同，采用固定式读写器、发卡器、工业读写器等。固定式读写器可单独使用，也可以采用模块与用户的系统集成使用，能同时连接多个天线，放在不同的区域或角度，分时扫描电子标签，通过串行接口(或者其他通信接口)与相关设备方便连接。适用于各种工业环境。发卡器或称读卡器，主要用来对射频卡进行具体内容的操作，包括建立档案、消费纠错、挂失、补卡、信息修正等，它通常与计算机放在一起。从本质上讲，发卡器实际上是小型的射频卡读写装置。发卡器经常与发卡管理软件联合使用。同一厂家的发卡器与其读写器相比，具有发射功率较小、读写距离短等特点。工业读写器具有现场总线接口，以便容易地集成到现有的设备中。
以上3种RFID数据采集设备可选择RS-485串口通信电路和TCP／IP网络通信接口电路中，并作为其中一种通信方式与PC机进行通信。
2．2．3 信息化工厂管理信息系统的各子系统设计及功能
基于RFID技术的数据采集终端作为信息化工厂管理信息系统的物理基础，同时也作为工厂信息中心的主要信息采集单元，将贯穿信息化工厂管理信息系统的整个过程。
信息化工厂管理信息系统由登记信息子系统、生产设备信息子系统、员工信息子系统、产品生产信息子系统、库存信息子系统共5个子系统构成。下面说明各个子系统的设计及功能。
(1)登记信息子系统
登记信息子系统如图1所示，用于登记工厂员工、生产设备、产品、生产原料等标签携带者的信息，并为之分配标签。如以上标签携带者的信息发生改变，还需及时更新其标签上相应的信息。另外，该系统还可根据用户需要，增加或者减少登记标签携带者信息。
标签携带在员工身上、生产设备上或者粘贴在产品、生产原料上，用于标志每个不同的管理对象。当标签进入读写器工作区后，接收到特定的电磁波，产生感应电流，然后标签被激活，并与读写器进行通信。
各种标签携带者的相关信息如下：
a)生产设备：标签内码、ID、名称、制造日期、类型、技术性能、运行状况等。
b)员工：标签内码、ID、姓名、年龄、性别、工作种类、出勤记录、工作完成情况等。
C)生产原料：标签内码、ID、名称、产地、生产日期、生产公司、用途等。
d)产品：标签内码、ID、名称、生产日期、生产原料信息、生产人员信息、订购信息等。
标签内码是指标签出厂时设定的唯一编码。ID是指工厂内部使用的身份编号，如员工ID号、生产设备ID号、生产原料ID号、产品ID号等。各种标签携带者的其他信息可根据实际情况确定。
登记信息子系统是信息化工厂管理信息系统的基础，在录入信息时要确保相关信息的正确性。另外，需确保登记信息子系统的安全性和稳定性，因为其影响到信息化工厂管理信息系统的安全性和稳定性。
(2)生产设备信息子系统
生产设备信息子系统如图2所示，用于管理工厂中不同区域的各种生产设备，提高生产设备的使用效率。同时，实时监控生产设备的运行情况，对于故障的生产设备进行及时维修。如生产设备的信息发生变化，还需及时更新相关信息。另外，该系统还可根据用户需要，增加或者减少标签携带者信息。
员工信息子系统如图3所示，可以方便地实现员工出入工厂管理，考勤数据采集、统计和信息查询以及厂区定位等功能。从管理层的角度考虑，简化了管理结构，提高。厂管理的集中度，使管理层能够集中、全面和随时了解员工的有关情况。另外，分散的静态手工资料向集中的动态化信息资料的转化，提高了管理层次，改善丫管理效率，也为工厂的事后稽查、个体员工考察和整体人力资源政策的制定提供了参考依据。
根据RFID在自动化生产线应用环境和其EPC(产品电子代码)协议，在Rician fading(莱斯衰减)和AWGN(加性高斯白噪声)复杂环境下，用脉冲宽度编码和移动通信中应用较多的正交调幅调制方式，综合设计了一种RFID系统框架 ，即产品生产信息子系统，如图4所示
产品生产信息子系统包括生产过程建模、生产计划的自动佳成和管理、产品生产管理。生产过程建模主要用于对各种产品的生产相关信息数据进行设定。生产计划的自动生成和管理，确保生产资源分配达到最优化目标，同时提供实时生产情况的查询，便于及时调整计划。通过对流经各个生产流程阶段的产品原料上携带的标签读写识别，以及通过语音设备与现场工作人员互动，及时了解现场状况，从而实时动态地监控整个工厂产品的生产管理过程，包括每批定单的执行与完成情况、产品生产进度跟踪与控制、生产质量控制、工人计件工资计算等。实行动态的自动产品生产管理及质量控制，能与工厂现有的其他系统完美结合，能够显著地提高效率，降低成本。
库存信息子系统如图5所示，其实现对出入库的自动化、透明化、有序化管理，杜绝了人为差错。
3 结束语
本文采用RF1D技术并结合工厂的实际状况，构建一个高效的信息化工厂，可提高工厂运行效率。在构建信息化工厂时采取有效抗干扰措施，提高系统的稳定性和安全性。另外，该系统的设计和制造成本低，调试方便，有利于系统的普及。
企业信息化整体解决方案目前还处于探索阶段，在其规划、设计、实施、组织、过程重组、集成框架与集成平台构建、系统集成、系统维护等方面还有大量的问题需要研究。本文仅是对构建一个信息化工厂进行的初步研究，通过在实际中的运用和信息反馈，其硬件框架和软件设计将得到不断完善。
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