MES系統(tǒng)與RFID技術(shù)在智慧車間系統(tǒng)的應用

　　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、計劃實時性、靈活性等方面的不足。將射頻識別 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。對生產(chǎn)執(zhí)行系Manufacturing Execution System（MES）的架構(gòu)、RFID智慧生產(chǎn)車間應用流程、應用可靠性等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并對車間生產(chǎn)組織、制造事件和動態(tài)多變市場的響應能力進行了優(yōu)化。所述內(nèi)容對提升塑料制造企業(yè)核心競爭力具有重要的理論與實際意義。

　　引言

　　中小型制造業(yè)面臨著多品種、小批量，制造過程離散化等問題，這要求企業(yè)能夠更精確地安排生產(chǎn)，管理生產(chǎn)運行中的更多的細節(jié)。但是，我國大部分中小型制造企業(yè)仍在采用需人工干預的被動信息交互手段，缺乏主動性和實時性，導致生產(chǎn)組織響應慢而難以滿足制造過程信息化的需求，制約了企業(yè)的發(fā)展。MES系統(tǒng)能很好地解決這些問題。國內(nèi)外各大專院校、科研院所和信息技術(shù)公司紛紛對MES應用表現(xiàn)出濃厚的興趣，進行了深入研究，取得了大量的科研成果。如文獻探討了精細化生產(chǎn)管理實踐在大型煤機企業(yè)的實施過程；文獻針對汽車制造企業(yè)在總裝環(huán)節(jié)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集手段落后等問題，提出了基于射頻識別技術(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)，在實際應用中取得成效。然而，以塑料制造業(yè)為背景的MES應用研究暫時還沒有。塑料制造業(yè)在裝配和加工過程中具有零部件品種多、工藝繁雜、生產(chǎn)變化快，生產(chǎn)管理復雜等特點，給塑料制造企業(yè)的管理帶來很大的困難。本文提出一種基于RFID的智慧車間的精細化生產(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)自動化控制系統(tǒng)的有機集成，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)

　　精細化生產(chǎn)管理是指對生產(chǎn)進行計劃、控制和持續(xù)改進。是以生產(chǎn)計劃為主線，使各種資源按計劃所規(guī)定的流程、時間和地點進行合理配置與管理，使企業(yè)高效、低耗、高質(zhì)、靈活、準時地生產(chǎn)市場需求的產(chǎn)品，在生產(chǎn)執(zhí)行的基礎(chǔ)上進行統(tǒng)計分析，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)過程層及管理層之間加強數(shù)據(jù)集成與分析的力度，拓展優(yōu)化技術(shù)應用的范圍，建立完備的物流批次監(jiān)控管理體系，真正實現(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)計劃（邏輯）模型基礎(chǔ)上建立計劃調(diào)度排產(chǎn)優(yōu)化算法，切實符合企業(yè)的生產(chǎn)實際情況，變復雜問題為多步求勰的簡單問題，具備合理性和實用性。求解過程分三步：①以訂單為輸入，通過排產(chǎn)模型及約束計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計劃層面按訂單和其他約束條件選擇需要進行加工的生產(chǎn)加工方案和時間限制，并通過總體產(chǎn)能、庫存情況，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)行物理模型中計算加工方案對應的生產(chǎn)單元路徑，并對該路徑進行約束限制和優(yōu)化評價，計算得出的最優(yōu)解通過工作任務(wù)指令方式寫入產(chǎn)品標簽，指導產(chǎn)品在智慧車間的整個生產(chǎn)流程。本文將在后面重點對所構(gòu)建的面向塑料制造業(yè)的 RFID智慧生產(chǎn)車間進行介紹。

　　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標簽，建立物料跟蹤的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，并定義這些生產(chǎn)對象節(jié)點的工藝（質(zhì)量）參數(shù)，按批次、模塊對參數(shù)進行采集，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。它利用先進的接口技術(shù)和RFID自動設(shè)備，獲取現(xiàn)場各個節(jié)點的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)，質(zhì)檢數(shù)據(jù)和移動數(shù)據(jù)，通過全廠參數(shù)計量信息的收集、整理和分析，完善對物料生產(chǎn)過程所涉及的生產(chǎn)單元、設(shè)備、倉庫儀表數(shù)據(jù)采集和錄入，為各種生產(chǎn)活動提供物料移動、加工、庫存和設(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)的自動收集、生產(chǎn)情況的實時監(jiān)控、操作參數(shù)的在線調(diào)整優(yōu)化等生產(chǎn)運行管理和監(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)過程信息始終是“離線”的，質(zhì)量工藝、物料消耗、實際產(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、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，交計劃員電腦排產(chǎn)，填“生產(chǎn)派工單”將生產(chǎn)任務(wù)下達給各個小組長。組長依據(jù)“生產(chǎn)派工單”填寫“領(lǐng)料清單”，并到發(fā)料倉庫領(lǐng)料。

　　組長對各員工進行人工派工和發(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”，由組長監(jiān)督并在此卡上記錄數(shù)量。

　　組長將每班次機臺員工生產(chǎn)的經(jīng)過質(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，同時核算各工序員工的零件損耗數(shù)量和零件利用率。

　　一個訂單完成后，組長將各員工的領(lǐng)料、合格品和殘次品數(shù)量匯總到“裝配車間小組生產(chǎn)日報表”上；填寫“成品入庫單”傳至質(zhì)檢主任確認后，將質(zhì)檢合格的產(chǎn)品送入成品總庫；次品由專管員填寫“報廢單”，送至質(zhì)檢主任簽字確認后，將殘次品送入非合格品庫。非合格品庫倉管員將這些非合格品處理數(shù)據(jù)按照裝配車間的人（機臺）或小組記錄在每個訂單里面。

　　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)車問通過設(shè)置于車間應用管控點的多功能交互式控制終端采集現(xiàn)場實時信息，通過應用集成接口，數(shù)據(jù)實時上傳到MES系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與記錄，達到與上層資源管理系統(tǒng)、客戶、動態(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)的縱向無縫集成和車間生產(chǎn)管理與動態(tài)聯(lián)盟合作企業(yè)制造車間的橫向無縫集成。為了增強生產(chǎn)過程管理的透明化程度，提高離散生產(chǎn)車間的快速響應能力，控制終端主要具備兩方面功能：一是實時自動接收、顯示作業(yè)計劃及指導書等信息，指導工人生產(chǎn)操作；二是通過終端外連的RFID設(shè)備、質(zhì)量采集終端、生產(chǎn)設(shè)備和人工錄入接口，實時準確采集在制品物流、產(chǎn)品裝配質(zhì)量、生產(chǎn)異常事件等信息。