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基于RFID的汽车制造企业生产物流的研究
作者：王春峰, 邵明习, 张沂泉, 商庆清
来源：RFID世界网
日期：2010-11-09 11:11:14
摘要：RFID 是一种非接触式的自动识别技术, 它具有读取距离远、存储量大、存储信息易改等优点。本文以某汽车制造企业总装车间为研究对象, 在简单介绍了RFID 技术的基础上, 提出并构建了基于RFID 的生产物流管理信息系统, 设计了系统的总体结构以及软件的主要功能模块。
汽车工业正在以前所未有的进程飞速发展, 为了让汽车生产商能够制造出更好更合格的汽车, 生产过程中的物流信息采集和跟踪管理变得越来越重要。现在的生产物流中的信息采集模式基本采用的是“人工+条形码”的方式, 此方式有如下不可避免的缺陷: 手工输入方式错误率较高; 条码数据包含信息量小, 不能及时反映产品需求变化的信息; 信息不能交互传递。因此要改善生产管理的效果, 降低产品的成本, 必须从根本的信息采集技术入手, 从而改变生产过程中的信息传递方式。本文针对现有生产物流中的信息采集方式和跟踪管理方面存在的不足, 提出基于RFID ( Radio Frequency Identification, 射频识别) 的生产物流管理信息系统, 利用RFID 的自动识别技术和数据采集技术来实现与生产管理信息系统的无缝链接, 以便能够实时监控生产及产品流向, 提高产品下线合格率。
基于RFID 的生产物流管理信息系统能够在线实时地反映生产过程中的生产和物流信息, 使生产调度、质检及管理人员能够随时了解客车生产的全貌, 根据生产实际情况及时调整作业计划, 便利地解决生产中的问题, 作到均衡生产。同时能够实现车间管理的各个业务部门之间的信息共享, 改善企业内部的信息交换方式, 为企业决策者提供动态的监控生产。
1 RFID 技术与EPC 代码
1.1 RFID 技术
RFID ( Radio Frequency Identification)是一种非接触的自动识别技术, 其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合) 传输特性, 实现对被识别物体的自动识别。RFID 系统通常由读写器、标签、天线以及控制器( PC 机) 组成, 它们之间的连接关系如图1 所示。读写器是用来识别标签的电子装置, 它是通过发送电磁波为标签提供电源, 使其能够将存储在微型晶片上的数据传回。标签是作为产品电子代码( Electronic Product Code, EPC) 的信息载体, 当受无线电射频信号照射时, 能反射回携带有电子代码信息的无线电射频信号, 供读写器处理识别。
1.2 EPC 代码
EPC 的全称是Electronic Product Code 电子产品代码, 由分别代表版本号、制造商、物品种类以及序列号的编码组成。EPC 码是对实体及实体的相关信息进行代码化, 通过统一并规范化的编码建立全球通用的信息交换语言, 它具有惟一性、简单性、可扩展性以及保密性与安全性这些特点。EPC 提供对实体对象的全球惟一标识, 一个EPC 代码只标识一个实体对象。EPC 代码是条码技术的拓展, 是进一步提高物流供应链管理水平, 实现对所有实体对象( 包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装等) 的唯一有效标识。这项具有革命性意义的新技术, 已受到了世界发达国家和地区高新技术与应用企业的高度重视。在计算机互联网的基础上, 利用RFID、无线数据通信等技术, 构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网( Internet of things) 。其实质是以RFID 技术为载体, 通过计算机互联网实现物品( 商品) 的自动识别和信息的互联与共享。
2 基于RFID 的某汽车制造企业生产物流管理信息系统
2.1 系统的需求分析
某汽车制造企业总装车间的生产物流按工艺流程进行, 总装车间主要完成车身与底盘的组装以及内饰件的安装, 通过调查研究与分析, 该总装车间的生产物流管理系统大致存在如下问题:
( 1) 在装备过程中, 各环节的信息录入均由手工完成, 经常出现抄录错误, 导致工作步骤不能正常衔接, 影响了整个生产流通。
( 2) 车间工人实行的是每日一班工作制, 每班的工人人数是固定的, 有时由于原材料短缺或设备故障等原因而使部分工人的工作量不能达到饱和, 从而增加了生产成本。
( 3) 当发现产品有缺陷时, 由于记录的不完全和数据的不统一, 不能及时查询到具体的负责人员。
( 4) 生产线与仓库沟通衔接不够好, 导致配料效率低。
( 5) 管理人员不能直观及时地了解生产线状况, 从而不能根据生产实际情况及时调整作业计划, 便利地解决生产中的问题。
根据上述需求分析, 信息传递的延迟以及信息的不准确是整个问题的关键, 因此要改善生产管理的效果, 降低产品的成本, 必须从根本的信息采集技术入手, 从而改变生产过程中的信息传递方式。基于这种情况, 提出了基于RFID 的物流管理信息系统。
2.2 系统总体结构设计
通过上述的需求分析, 建设符合现代企业全面信息管理的需求, 在制品组装生产动态实时追踪信息管理系统, 使管理人员在后台即可看到在制品的装备情况。系统除了需要对生产过程的监控以外, 还要实现数据信息的共享与实时统计, 以便于管理部门的生产监测与调度。综合以上要求以及该单位的实际情况, 系统主体设计采用分布式控制的星形拓扑结构, 如图2 所示。整个系统由生产业务管理层、生产过程监控层以及数据采集管理层所组成, 并利用通信接口与以太网结构将信息服务器、现场总线监控服务器、RFID 阅读器以及其它模块和终端连接起来。
( 2) 生产过程监控层。生产过程监控层负责管理生产过程中在制品的加工信息和生产线的状态信息, 并将这些实时信息及时呈递给生产管理部门, 使企业领导和生产管理人员能够掌握第一手的生产作业情况。同时, 管理部门可以根据这些信息对生产进行控制, 及时调整生产作业计划和修改生产控制参数, 以求在最短的时间内, 使生产流程重新步入正常工作状态, 确保生产计划能够顺利完成。生产过程监控层包括现场总线监控服务器、RFID 车辆识别终端、车型信息显示终端, 通过工业以太网组成一个星型网络结构。
( 3) 业务管理层。业务管理层是系统的顶层, 也是整个系统对外部的接口, 通过管理层, 厂级信息网络可以访问系统内部。信息服务器作为车间级生产管理、调度的中心, 负责整合、分发监控层上报的生产信息, 实现在车间范围内的信息共享,为管理者及时下达调度指令提供可靠的分析依据。
2.3 系统硬件选型
RFID 设备的选型主要依据是频率, 因为频率的选择是RFID 技术中的一个关键性问题, RFID 系统的工作频率主要有: 低频( 30- 300KHZ) , 高频( 3- 30MHZ) 和超高频( 300MHZ- 3GHZ) 。低频系统常见的工作频率有125KHz, 134KHz, 该频段主要是通过电感耦合的方式进行工作。其特点是识别距离短, 传输速度比较慢, 主要应用领域: 畜牧业、门禁、身份识别等。高频系统常见的工作频率为13.56MHz, 它是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化, 实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用。超高频系统( 工作频率为860MHz 到960MHz 之间) 通过电场来传输能量。该频段读取距离比较远, 无源可达10m 左右, 信号传输速度快。主要应用领域: 供应链上的管理和应用, 生产线自动化的管理和应用等。
综上所述和比较, 考虑到RFID 的电磁特性, 为降低成本, 保证功效, 简化系统, 便于使用与维护, 我们采用了超高频系RFS- 2022 ( 2011) 型读写器, 它能够读写ISO- 18000- 6 协议标签, 系统的工作频率为902MHz～928MHz, 其性能指标: 读取距离大于5m, 写入距离大于3m, 读卡速度为平均每单字( 32bits) 需耗时6ms, 写卡速度为平均每单字( 32bits) 耗时50ms, 一次读卡数可达到30 张电子标签。这个频段是目前人们期待应用潜力最大的, 所使用的频率和标准完全符合现行的各种法律法规。
2.4 系统软件功能模块设计
根据对系统总体设计的要求, 整个系统主要包括系统管理, 总装线生产作业管理、总装线生产查询管理、总装线资源管理、总装线质量监控管理。主要模块说明如下:
2.4.1 系统管理
系统管理模块可以定义某车型总装生产线生产及物流管理信息系统用户, 执行功能的权限以及用户使用功能授权。并对各子系统共用的基础数据进行维护, 完成数据的备份作业。
2.4.2 总装线现场生产作业管理
滚动接受生产计划, 自动生成车间作业计划, 系统设置的控制器会按生产节拍触发读写器读取装配线上的车型信息, 通过RFID 对标签的识读, 实现对现场作业信息( 包括在线车辆的装备信息和质量检验信息) 的录入, 并把相关信息输入服务器上的数据库。同时在每个工位的屏幕上实时动态显示装配线上的车型信息、选装、零部件等信息, 现场操作人员不仅可以直观地了解当前该工位应该做什么事, 还可以实时地向物料部门发布需求信息, 以便所需配件及时送到所需工位。
2.4.3 总装线生产查询管理
生产查询管理的功能为管理人员提供及时的生产线工作状况, 以便为解决生产中的问题作好准备。它可以查询到每个工位的装配信息, 装配的具体时间、物料需求信息、员工操作结果等信息。
2.4.4 总装线资源管理
总装线资源管理就是对生产线所需的一些设备进行管理, 及时了解现有设备的实际使用情况, 以便为安排生产或者进行采购提供参考依据, 可以根据生产设备的情况来制定生产线日、周、月的最大负荷, 保证生产的正常进行。
2.4.5 总装线质量监控管理
对汽车总装过程的质量信息进行全面的管理, 实现质量信息采集的自动化, 并通过现场总线监控服务器进行分析, 以便及时做出调整, 以减少废品的产生。该模块能实现统计查询, 并打印相关报表。
3 结论
本文通过对某汽车制造企业总装车间的生产物流的分析, 指出采用传统的人员手动识别方法会影响到信息流的及时性和准确性, 由于信息流的不畅通从而进一步影响到整个生产的流通。在采用了识别速度快、存储容量大、可实时更新数据的RFID技术后, 上述情况将会得到解决。此外, 基于RFID 的生产物流管理信息系统, 能够实现生产环节的实时管理, 提高企业的物流效率, 减少库存, 对市场需求做出更快的响应, 加速企业资金的周转。
基于RFID 的生产物流管理信息系统能够在线实时地反映生产过程中的生产和物流信息, 使生产调度、质检及管理人员能够随时了解客车生产的全貌, 根据生产实际情况及时调整作业计划, 便利地解决生产中的问题, 作到均衡生产。同时能够实现车间管理的各个业务部门之间的信息共享, 改善企业内部的信息交换方式, 为企业决策者提供动态的监控生产。
1 RFID 技术与EPC 代码
1.1 RFID 技术
RFID ( Radio Frequency Identification)是一种非接触的自动识别技术, 其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合) 传输特性, 实现对被识别物体的自动识别。RFID 系统通常由读写器、标签、天线以及控制器( PC 机) 组成, 它们之间的连接关系如图1 所示。读写器是用来识别标签的电子装置, 它是通过发送电磁波为标签提供电源, 使其能够将存储在微型晶片上的数据传回。标签是作为产品电子代码( Electronic Product Code, EPC) 的信息载体, 当受无线电射频信号照射时, 能反射回携带有电子代码信息的无线电射频信号, 供读写器处理识别。
图一 RFID应用系统
1.2 EPC 代码
EPC 的全称是Electronic Product Code 电子产品代码, 由分别代表版本号、制造商、物品种类以及序列号的编码组成。EPC 码是对实体及实体的相关信息进行代码化, 通过统一并规范化的编码建立全球通用的信息交换语言, 它具有惟一性、简单性、可扩展性以及保密性与安全性这些特点。EPC 提供对实体对象的全球惟一标识, 一个EPC 代码只标识一个实体对象。EPC 代码是条码技术的拓展, 是进一步提高物流供应链管理水平, 实现对所有实体对象( 包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装等) 的唯一有效标识。这项具有革命性意义的新技术, 已受到了世界发达国家和地区高新技术与应用企业的高度重视。在计算机互联网的基础上, 利用RFID、无线数据通信等技术, 构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网( Internet of things) 。其实质是以RFID 技术为载体, 通过计算机互联网实现物品( 商品) 的自动识别和信息的互联与共享。
2 基于RFID 的某汽车制造企业生产物流管理信息系统
2.1 系统的需求分析
某汽车制造企业总装车间的生产物流按工艺流程进行, 总装车间主要完成车身与底盘的组装以及内饰件的安装, 通过调查研究与分析, 该总装车间的生产物流管理系统大致存在如下问题:
( 1) 在装备过程中, 各环节的信息录入均由手工完成, 经常出现抄录错误, 导致工作步骤不能正常衔接, 影响了整个生产流通。
( 2) 车间工人实行的是每日一班工作制, 每班的工人人数是固定的, 有时由于原材料短缺或设备故障等原因而使部分工人的工作量不能达到饱和, 从而增加了生产成本。
( 3) 当发现产品有缺陷时, 由于记录的不完全和数据的不统一, 不能及时查询到具体的负责人员。
( 4) 生产线与仓库沟通衔接不够好, 导致配料效率低。
( 5) 管理人员不能直观及时地了解生产线状况, 从而不能根据生产实际情况及时调整作业计划, 便利地解决生产中的问题。
根据上述需求分析, 信息传递的延迟以及信息的不准确是整个问题的关键, 因此要改善生产管理的效果, 降低产品的成本, 必须从根本的信息采集技术入手, 从而改变生产过程中的信息传递方式。基于这种情况, 提出了基于RFID 的物流管理信息系统。
2.2 系统总体结构设计
通过上述的需求分析, 建设符合现代企业全面信息管理的需求, 在制品组装生产动态实时追踪信息管理系统, 使管理人员在后台即可看到在制品的装备情况。系统除了需要对生产过程的监控以外, 还要实现数据信息的共享与实时统计, 以便于管理部门的生产监测与调度。综合以上要求以及该单位的实际情况, 系统主体设计采用分布式控制的星形拓扑结构, 如图2 所示。整个系统由生产业务管理层、生产过程监控层以及数据采集管理层所组成, 并利用通信接口与以太网结构将信息服务器、现场总线监控服务器、RFID 阅读器以及其它模块和终端连接起来。
图二 系统的总体结构图
( 2) 生产过程监控层。生产过程监控层负责管理生产过程中在制品的加工信息和生产线的状态信息, 并将这些实时信息及时呈递给生产管理部门, 使企业领导和生产管理人员能够掌握第一手的生产作业情况。同时, 管理部门可以根据这些信息对生产进行控制, 及时调整生产作业计划和修改生产控制参数, 以求在最短的时间内, 使生产流程重新步入正常工作状态, 确保生产计划能够顺利完成。生产过程监控层包括现场总线监控服务器、RFID 车辆识别终端、车型信息显示终端, 通过工业以太网组成一个星型网络结构。
( 3) 业务管理层。业务管理层是系统的顶层, 也是整个系统对外部的接口, 通过管理层, 厂级信息网络可以访问系统内部。信息服务器作为车间级生产管理、调度的中心, 负责整合、分发监控层上报的生产信息, 实现在车间范围内的信息共享,为管理者及时下达调度指令提供可靠的分析依据。
2.3 系统硬件选型
RFID 设备的选型主要依据是频率, 因为频率的选择是RFID 技术中的一个关键性问题, RFID 系统的工作频率主要有: 低频( 30- 300KHZ) , 高频( 3- 30MHZ) 和超高频( 300MHZ- 3GHZ) 。低频系统常见的工作频率有125KHz, 134KHz, 该频段主要是通过电感耦合的方式进行工作。其特点是识别距离短, 传输速度比较慢, 主要应用领域: 畜牧业、门禁、身份识别等。高频系统常见的工作频率为13.56MHz, 它是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化, 实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用。超高频系统( 工作频率为860MHz 到960MHz 之间) 通过电场来传输能量。该频段读取距离比较远, 无源可达10m 左右, 信号传输速度快。主要应用领域: 供应链上的管理和应用, 生产线自动化的管理和应用等。
综上所述和比较, 考虑到RFID 的电磁特性, 为降低成本, 保证功效, 简化系统, 便于使用与维护, 我们采用了超高频系RFS- 2022 ( 2011) 型读写器, 它能够读写ISO- 18000- 6 协议标签, 系统的工作频率为902MHz～928MHz, 其性能指标: 读取距离大于5m, 写入距离大于3m, 读卡速度为平均每单字( 32bits) 需耗时6ms, 写卡速度为平均每单字( 32bits) 耗时50ms, 一次读卡数可达到30 张电子标签。这个频段是目前人们期待应用潜力最大的, 所使用的频率和标准完全符合现行的各种法律法规。
2.4 系统软件功能模块设计
根据对系统总体设计的要求, 整个系统主要包括系统管理, 总装线生产作业管理、总装线生产查询管理、总装线资源管理、总装线质量监控管理。主要模块说明如下:
2.4.1 系统管理
系统管理模块可以定义某车型总装生产线生产及物流管理信息系统用户, 执行功能的权限以及用户使用功能授权。并对各子系统共用的基础数据进行维护, 完成数据的备份作业。
2.4.2 总装线现场生产作业管理
滚动接受生产计划, 自动生成车间作业计划, 系统设置的控制器会按生产节拍触发读写器读取装配线上的车型信息, 通过RFID 对标签的识读, 实现对现场作业信息( 包括在线车辆的装备信息和质量检验信息) 的录入, 并把相关信息输入服务器上的数据库。同时在每个工位的屏幕上实时动态显示装配线上的车型信息、选装、零部件等信息, 现场操作人员不仅可以直观地了解当前该工位应该做什么事, 还可以实时地向物料部门发布需求信息, 以便所需配件及时送到所需工位。
2.4.3 总装线生产查询管理
生产查询管理的功能为管理人员提供及时的生产线工作状况, 以便为解决生产中的问题作好准备。它可以查询到每个工位的装配信息, 装配的具体时间、物料需求信息、员工操作结果等信息。
2.4.4 总装线资源管理
总装线资源管理就是对生产线所需的一些设备进行管理, 及时了解现有设备的实际使用情况, 以便为安排生产或者进行采购提供参考依据, 可以根据生产设备的情况来制定生产线日、周、月的最大负荷, 保证生产的正常进行。
2.4.5 总装线质量监控管理
对汽车总装过程的质量信息进行全面的管理, 实现质量信息采集的自动化, 并通过现场总线监控服务器进行分析, 以便及时做出调整, 以减少废品的产生。该模块能实现统计查询, 并打印相关报表。
3 结论
本文通过对某汽车制造企业总装车间的生产物流的分析, 指出采用传统的人员手动识别方法会影响到信息流的及时性和准确性, 由于信息流的不畅通从而进一步影响到整个生产的流通。在采用了识别速度快、存储容量大、可实时更新数据的RFID技术后, 上述情况将会得到解决。此外, 基于RFID 的生产物流管理信息系统, 能够实现生产环节的实时管理, 提高企业的物流效率, 减少库存, 对市场需求做出更快的响应, 加速企业资金的周转。
