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RFID技术在汽车发动机装配线的应用研究
作者：刘光富 张岳君
来源：《RFID技术与应用》
日期：2009-03-06 16:14:34
摘要：以某汽车制造企业发动机装配线为研究对象，介绍了无线射频技术（Radio Frequency Identification，RFID）及其具体应用，提出并构建了基于RFID技术的制造执行系统（manufacturing executive system，MES），设计了相关功能模块，并且论证了RFID的应用与企业效益之间的内在关系。
1 引言
汽车发动机装配主要采用流水线作业方式。没有采用RFID技术以前，要想全面而准确地获取发动机在装配过程中的信息十分困难，条形码技术虽然解决了部分问题，但在实际操作过程中，信息流通前后脱节严重，不能满足装配线的实际需求。而且在产品检测不合格时，条形码很难快速地找出故障原因，造成资源的巨大浪费。
因此，在发动机装配过程中，急需一种识别技术以解决条形码的不足。随着科技的发展，RFID作为一种非接触式自动识别技术，实现信息的快速流通，满足装配线的实际需求，而且它还具备故障识别功能，能快速地找出产品不合格的原因，因此，能很好的解决发动机装配过程中出现的问题。该项技术在发动机装配线上有很好的应用前景，许多汽车制造企业也都相继开始实施RFID技术。
2 RFID系统的基本组成部分
RFID技术通过射频信号自动识别目标对象并获得相关数据，主要由电子标签、读写器和控制器（中间件）三部分组成。
2.1 电子标签
电子标签核心主要由存储容量较小的芯片组成。包含待识别物体的身份代码信息或技术参数等信息的内部存储器，则安装在待识别物体的恰当部位。电子标签与条形码相比主要的优势：1）更大的信息存储空间，并为以后的信息扩展提供可能。2）产品信息动态存储。在整个产品装配的周期里，这些信息可以自动提示工人或加工设备已经完成和未完成的作业内容，从而提高生产效率。3）经过二次封装，适应震动、化学腐蚀、潮湿和灰尘等恶劣环境。4）信息读写时标签不一定要在天线的可视范围内，因此可以嵌入载体、容器、乃至产品中，使用十分方便。
2.2 读写器
主要包括读写装置主机、天线和自动识别软件等。通常安装在待识别物体通过的通道或必须的数据采集点上。读写装置采集到的信息包括待识别物体身份代码信息，如产品型号、产品序号、制造时间，以及其它需加载信息。在发动机的装配过程中，主要应用读写器非接触式识别和快速读写的特点。非接触式识别可避免人工介入，减少错误，实现装配线信息输入的自动化；快速读写可减小装配线的节拍时间，提高生产效率。
2.3 控制器（中间件）
控制器是RFID应用框架中相当重要的一环，是用来管理读写器与PC/PLC、服务器或网络接口模块的通讯接口。控制器负责实现与RFID硬件以及配套设备的信息交互和管理，同时作为一个软硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。控制器与MES系统连接并通过并行端口、串行端口或通讯总线访问电子标签，也可以通过编辑程序直接利用电子标签储存的数据来实现过程控制。
3 RFID系统在发动机装配线上的应用
3.1 RFID系统的需求分析
RFID技术应用之前，装配线上主要使用条形码技术，产品信息存储在PLC或PMC数据库里，对网络通信速率，可靠性要求很高，需要高性能的PLC、大容量的数据库和高效的PMC主机。在实际操作过程中会导致以下问题：
1) 在装配过程中，各环节信息都由手工输入，容易会出现错误，使工作步骤不能正产衔接，影响生产流程和节拍时间；
2) 若发现产品缺陷，由于纪录数据不完全，导致不能查询到需对产品缺陷负责相关工位；
3) 生产部门与物流部门信息交流不畅，零部件配送效率低下；同时制成品会产生大量库存放在现场，影响生产和现场物流；
4) 管理人员不能直接了解生产线生产状况，不能根据生产的实际情况及时调整作业计划，解决生产中的实际问题缺乏可靠依据。应用了RFID技术以后以上问题就能迎刃而解：它能动态的存储每个工位作业内容的信息；对生产线上实现并行管理，使需求计划更加及时准确；实现JIT，减少时间和资源的浪费；通过与制造执行系统（MES）无缝融合，追踪每个产品的加工信息，跟其他部门进行有效交流，带来了可观的间接效益；更为重要的是，它提高ERP/MRPII的鲁棒性，把生产过程中的数据存储在标签中，可以减少网络架设的成本，部分地点和部门甚至不需要终端的延伸，信息系统发生灾难时，生产过程数据也能够得以保全。
3.2 RFID系统在装配线上的应用原理
装配线是个循环系统，读写器和工位PC机由MES控制。如图1所示，每个工位的读写器在托盘到达之前读出标签内容。工位PC机连接MES，来决定哪些零件组装到发动机上，工作站的PC机屏幕显示操作人员需要完成的作业。作业完成后，操作员按下完成按钮，由MES来判断所有作业是否完成并进入下一工位。
3.3 RFID技术与自动化技术
关于RFID技术如何在无人工作站与机器设备进行对话，实现工工作站的完全自动化可以参考文献[2]，FBC(Functionality Based Control)和S³(Scheduler, Selector and Synchronizer)的结合（图2）为这种技术的实现提供了很好的构架，不仅使机器设备高度柔性化，而且简化了中央数据库及信息系统的逻辑关系，便于维护。
3.4 RFID技术应用的主要操作流程
1) 电子标签初始化。
① 工人在0工位PC机中输入即将生产的发动机型号和产量信息；
② 工位PC机获得待装配缸体的唯一编号，并控制钻刻机在发动机缸体上刻下钢体编号，打印机根据编号打印出相应条形码；
③ 读写器读取电子标签的ID号信息，将条形码上的信息输入电子标签中，完成电子标签的初始化；
④ 写入了产品信息的电子标签与托盘一起上线。为防止RFID系统不能正常工作而影响生产，条形码作为预防措施随托盘一起前进。
2) 读写电子标签信息。
① 待加工产品输送至装配工位附近，限位开关自动卡住托盘，读写器获得数据信息并传输至MES。
② 根据每个电子标签内容，工位PC机屏幕显示该工位应安装部件的名称、型号，并提示工人进行正确操作；
③ 完成作业后，工人在PC机上进行确认，将已完成的作业信息反馈给MES；
④ 读写器在电子标签内写入该工位完成的作业信息后，下放限位开关，托盘递送至下一工位。根据标签内所存储的不同加工信息，产品将递送至相关的后续工位。
3) 提取电子标签信息。
① 发动机检测不合格，自动进入返修区。读写器提取已写入信息，与MES存储的相关产品规格进行比较，在返修工位PC机上显示故障原因、相关工位、解决方案等；
② 进入返修程序。返修完成后，标签内写入相关维修信息。
4) 清空电子标签信息
① 读写器读取标签内信息并存储至产品数据库；
② 电子标签信息清零，以便于循环使用。
4 MES功能模块设计
MES连接了ERP/MRPII等上层应用软件和工厂车间的现场生产（图3），是两者进行有效沟通的桥梁。没有实施RFID技术以前，ERP/MRPII把生产计划数据传到车间后，并不能有效控制每个产品的实际生产过程，有时会由于信息不准确出现脱离实际的错误决策。导入了RFID技术以后，使ERP/MRPII准确控制车间的生产成为可能。相应的，必须对相关的MES功能模块进行升级，实现与新技术有效融合。相关模块包括：
4.1 生产计划和生产作业管理
生产计划模块可以利用EPR/MRPII接口构件，滚动获得生产计划，结合生产作业所需资源，自动生成车间作业计划，实现计划的及时调整。
生产作业管理模块通过RFID对标签的信息读取，提供实时生产情况查询，为计划调整提供依据，还可以在工位PC机显示屏上动态显示装配产品的信息和加工要求。
将生产计划和生产作业管理结合在一起，以体现计划与管理的整体效应，实现及时对比。
4.2 现场数据采集
依靠RFID DCS和其他设备通信接口构件与现场设备进行交流，并运行由接口开发构件组成的各个接口或键盘，给现场操作人员提供信息输入接口，帮助系统拥有第一手信息，将所需的与生产相关的信息全部收集在内。
4.3 物料跟踪查询管理
通过RFID技术实现对物料的个体/批次在生产线上推移、传递、消耗和转化等信息的采集、跟踪、整理、分析和共享。
4.4 在制品（WIP）跟踪查询
使管理人员迅速及时了解生产线生产情况，实时监控产品质量和生产效率，后台连接到相应数据库，防止故障堆积，帮助降低在制品数量。
4.5 质量监控和绩效管理
对发动机质量信息进行全面管理，实现质量信息采集自动化，对于统计过程中发现的问题及时处理，并尽快找到质量问题解决方案。
4.6 产品生命周期档案
除了满足品质保证、统计分析、库存管理等要求之外，还可以让消费者追溯产品质任何一个生产步骤，任何一个零部件信息，即使是特别处理的加工手续也不例外。
5 RFID硬件设备选型
RFID硬件设备主要是电子标签和读写器，两者选型主要从以下几个方面来考虑：工作的可靠性；良好的性价比；识别的距离；识别的频率；系统的可扩展性；产品提供及维护的便捷性；是否有成功的应用案例。
最终，选择了远望谷公司的电子标签XCTF-5013：可读写，存储容量64位，工作频率UHF 902-928 MHz，符合标准ISO 18000-6B，读写距离0～10m。读写器为XCRF-500系列。
6 实施RFID技术的前景
RFID技术给企业带来的效益并非电子标签与读写器的总和，单单靠这两种设备获得的只是比条形码更有效的读写手段，不能给企业带来长久的竞争力，不能引发企业本身的根本性转变和创新。
RFID技术的引进是企业在连续改进过程中的一个阶段，要实现这种根本性的转变和创新除了有效的数据采集之外，更要靠对企业本身软件系统的升级，整合企业现有的各种资源，优化流程，挖掘信息的有用价值，只有这样方能把RFID技术的价值发挥至极，给企业带来更高的效益。
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汽车发动机装配主要采用流水线作业方式。没有采用RFID技术以前，要想全面而准确地获取发动机在装配过程中的信息十分困难，条形码技术虽然解决了部分问题，但在实际操作过程中，信息流通前后脱节严重，不能满足装配线的实际需求。而且在产品检测不合格时，条形码很难快速地找出故障原因，造成资源的巨大浪费。
因此，在发动机装配过程中，急需一种识别技术以解决条形码的不足。随着科技的发展，RFID作为一种非接触式自动识别技术，实现信息的快速流通，满足装配线的实际需求，而且它还具备故障识别功能，能快速地找出产品不合格的原因，因此，能很好的解决发动机装配过程中出现的问题。该项技术在发动机装配线上有很好的应用前景，许多汽车制造企业也都相继开始实施RFID技术。
2 RFID系统的基本组成部分
RFID技术通过射频信号自动识别目标对象并获得相关数据，主要由电子标签、读写器和控制器（中间件）三部分组成。
2.1 电子标签
电子标签核心主要由存储容量较小的芯片组成。包含待识别物体的身份代码信息或技术参数等信息的内部存储器，则安装在待识别物体的恰当部位。电子标签与条形码相比主要的优势：1）更大的信息存储空间，并为以后的信息扩展提供可能。2）产品信息动态存储。在整个产品装配的周期里，这些信息可以自动提示工人或加工设备已经完成和未完成的作业内容，从而提高生产效率。3）经过二次封装，适应震动、化学腐蚀、潮湿和灰尘等恶劣环境。4）信息读写时标签不一定要在天线的可视范围内，因此可以嵌入载体、容器、乃至产品中，使用十分方便。
2.2 读写器
主要包括读写装置主机、天线和自动识别软件等。通常安装在待识别物体通过的通道或必须的数据采集点上。读写装置采集到的信息包括待识别物体身份代码信息，如产品型号、产品序号、制造时间，以及其它需加载信息。在发动机的装配过程中，主要应用读写器非接触式识别和快速读写的特点。非接触式识别可避免人工介入，减少错误，实现装配线信息输入的自动化；快速读写可减小装配线的节拍时间，提高生产效率。
2.3 控制器（中间件）
控制器是RFID应用框架中相当重要的一环，是用来管理读写器与PC/PLC、服务器或网络接口模块的通讯接口。控制器负责实现与RFID硬件以及配套设备的信息交互和管理，同时作为一个软硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。控制器与MES系统连接并通过并行端口、串行端口或通讯总线访问电子标签，也可以通过编辑程序直接利用电子标签储存的数据来实现过程控制。
3 RFID系统在发动机装配线上的应用
3.1 RFID系统的需求分析
RFID技术应用之前，装配线上主要使用条形码技术，产品信息存储在PLC或PMC数据库里，对网络通信速率，可靠性要求很高，需要高性能的PLC、大容量的数据库和高效的PMC主机。在实际操作过程中会导致以下问题：
1) 在装配过程中，各环节信息都由手工输入，容易会出现错误，使工作步骤不能正产衔接，影响生产流程和节拍时间；
2) 若发现产品缺陷，由于纪录数据不完全，导致不能查询到需对产品缺陷负责相关工位；
3) 生产部门与物流部门信息交流不畅，零部件配送效率低下；同时制成品会产生大量库存放在现场，影响生产和现场物流；
4) 管理人员不能直接了解生产线生产状况，不能根据生产的实际情况及时调整作业计划，解决生产中的实际问题缺乏可靠依据。应用了RFID技术以后以上问题就能迎刃而解：它能动态的存储每个工位作业内容的信息；对生产线上实现并行管理，使需求计划更加及时准确；实现JIT，减少时间和资源的浪费；通过与制造执行系统（MES）无缝融合，追踪每个产品的加工信息，跟其他部门进行有效交流，带来了可观的间接效益；更为重要的是，它提高ERP/MRPII的鲁棒性，把生产过程中的数据存储在标签中，可以减少网络架设的成本，部分地点和部门甚至不需要终端的延伸，信息系统发生灾难时，生产过程数据也能够得以保全。
3.2 RFID系统在装配线上的应用原理
装配线是个循环系统，读写器和工位PC机由MES控制。如图1所示，每个工位的读写器在托盘到达之前读出标签内容。工位PC机连接MES，来决定哪些零件组装到发动机上，工作站的PC机屏幕显示操作人员需要完成的作业。作业完成后，操作员按下完成按钮，由MES来判断所有作业是否完成并进入下一工位。
3.3 RFID技术与自动化技术
关于RFID技术如何在无人工作站与机器设备进行对话，实现工工作站的完全自动化可以参考文献[2]，FBC(Functionality Based Control)和S³(Scheduler, Selector and Synchronizer)的结合（图2）为这种技术的实现提供了很好的构架，不仅使机器设备高度柔性化，而且简化了中央数据库及信息系统的逻辑关系，便于维护。
3.4 RFID技术应用的主要操作流程
1) 电子标签初始化。
① 工人在0工位PC机中输入即将生产的发动机型号和产量信息；
② 工位PC机获得待装配缸体的唯一编号，并控制钻刻机在发动机缸体上刻下钢体编号，打印机根据编号打印出相应条形码；
③ 读写器读取电子标签的ID号信息，将条形码上的信息输入电子标签中，完成电子标签的初始化；
④ 写入了产品信息的电子标签与托盘一起上线。为防止RFID系统不能正常工作而影响生产，条形码作为预防措施随托盘一起前进。
2) 读写电子标签信息。
① 待加工产品输送至装配工位附近，限位开关自动卡住托盘，读写器获得数据信息并传输至MES。
② 根据每个电子标签内容，工位PC机屏幕显示该工位应安装部件的名称、型号，并提示工人进行正确操作；
③ 完成作业后，工人在PC机上进行确认，将已完成的作业信息反馈给MES；
④ 读写器在电子标签内写入该工位完成的作业信息后，下放限位开关，托盘递送至下一工位。根据标签内所存储的不同加工信息，产品将递送至相关的后续工位。
3) 提取电子标签信息。
① 发动机检测不合格，自动进入返修区。读写器提取已写入信息，与MES存储的相关产品规格进行比较，在返修工位PC机上显示故障原因、相关工位、解决方案等；
② 进入返修程序。返修完成后，标签内写入相关维修信息。
4) 清空电子标签信息
① 读写器读取标签内信息并存储至产品数据库；
② 电子标签信息清零，以便于循环使用。
4 MES功能模块设计
MES连接了ERP/MRPII等上层应用软件和工厂车间的现场生产（图3），是两者进行有效沟通的桥梁。没有实施RFID技术以前，ERP/MRPII把生产计划数据传到车间后，并不能有效控制每个产品的实际生产过程，有时会由于信息不准确出现脱离实际的错误决策。导入了RFID技术以后，使ERP/MRPII准确控制车间的生产成为可能。相应的，必须对相关的MES功能模块进行升级，实现与新技术有效融合。相关模块包括：
4.1 生产计划和生产作业管理
生产计划模块可以利用EPR/MRPII接口构件，滚动获得生产计划，结合生产作业所需资源，自动生成车间作业计划，实现计划的及时调整。
生产作业管理模块通过RFID对标签的信息读取，提供实时生产情况查询，为计划调整提供依据，还可以在工位PC机显示屏上动态显示装配产品的信息和加工要求。
将生产计划和生产作业管理结合在一起，以体现计划与管理的整体效应，实现及时对比。
4.2 现场数据采集
依靠RFID DCS和其他设备通信接口构件与现场设备进行交流，并运行由接口开发构件组成的各个接口或键盘，给现场操作人员提供信息输入接口，帮助系统拥有第一手信息，将所需的与生产相关的信息全部收集在内。
4.3 物料跟踪查询管理
通过RFID技术实现对物料的个体/批次在生产线上推移、传递、消耗和转化等信息的采集、跟踪、整理、分析和共享。
4.4 在制品（WIP）跟踪查询
使管理人员迅速及时了解生产线生产情况，实时监控产品质量和生产效率，后台连接到相应数据库，防止故障堆积，帮助降低在制品数量。
4.5 质量监控和绩效管理
对发动机质量信息进行全面管理，实现质量信息采集自动化，对于统计过程中发现的问题及时处理，并尽快找到质量问题解决方案。
4.6 产品生命周期档案
除了满足品质保证、统计分析、库存管理等要求之外，还可以让消费者追溯产品质任何一个生产步骤，任何一个零部件信息，即使是特别处理的加工手续也不例外。
5 RFID硬件设备选型
RFID硬件设备主要是电子标签和读写器，两者选型主要从以下几个方面来考虑：工作的可靠性；良好的性价比；识别的距离；识别的频率；系统的可扩展性；产品提供及维护的便捷性；是否有成功的应用案例。
最终，选择了远望谷公司的电子标签XCTF-5013：可读写，存储容量64位，工作频率UHF 902-928 MHz，符合标准ISO 18000-6B，读写距离0～10m。读写器为XCRF-500系列。
6 实施RFID技术的前景
RFID技术给企业带来的效益并非电子标签与读写器的总和，单单靠这两种设备获得的只是比条形码更有效的读写手段，不能给企业带来长久的竞争力，不能引发企业本身的根本性转变和创新。
RFID技术的引进是企业在连续改进过程中的一个阶段，要实现这种根本性的转变和创新除了有效的数据采集之外，更要靠对企业本身软件系统的升级，整合企业现有的各种资源，优化流程，挖掘信息的有用价值，只有这样方能把RFID技术的价值发挥至极，给企业带来更高的效益。
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