基于智慧车间的生产执行系统的研究及应用

　　为了解决中小型塑料制造企业管理系统在信息采集方式、计划实时性、灵活性等方面的不足。将射频识别Radio Frequency Identification(RFID)技术引入塑料生产车间，构建塑料制造装配车间的物料智能配送体系，形成面向离散制造业的智慧装配车间。对生产执行系Manufacturing Execution System(MES)的架构、RFID智慧生产车间应用流程、应用可靠性等关键技术进行了研究，并对车间生产组织、制造事件和动态多变市场的响应能力进行了优化。所述内容对提升塑料制造企业核心竞争力具有重要的理论与实际意义。 

引言 

　　中小型制造业面临着多品种、小批量，制造过程离散化等问题，这要求企业能够更精确地安排生产，管理生产运行中的更多的细节。但是，我国大部分中小型制造企业仍在采用需人工干预的被动信息交互手段，缺乏主动性和实时性，导致生产组织响应慢而难以满足制造过程信息化的需求，制约了企业的发展。MES系统能很好地解决这些问题。国内外各大专院校、科研院所和信息技术公司纷纷对MES应用表现出浓厚的兴趣，进行了深入研究，取得了大量的科研成果。如文献探讨了精细化生产管理实践在大型煤机企业的实施过程；文献针对汽车制造企业在总装环节出现的数据采集手段落后等问题，提出了基于射频识别技术的汽车总装生产模式，构建了该模式下的汽车总装制造执行系统，在实际应用中取得成效。然而，以塑料制造业为背景的MES应用研究暂时还没有。塑料制造业在装配和加工过程中具有零部件品种多、工艺繁杂、生产变化快，生产管理复杂等特点，给塑料制造企业的管理带来很大的困难。本文提出一种基于RFID的智慧车间的精细化生产管理的生产执行系统，能够实现塑料制造业从企业管理、生产指挥到生产自动化控制系统的有机集成，能提高企业的生产管理水平。 

1 基于智慧车间的MES架构 

　　精细化生产管理是指对生产进行计划、控制和持续改进。是以生产计划为主线，使各种资源按计划所规定的流程、时间和地点进行合理配置与管理，使企业高效、低耗、高质、灵活、准时地生产市场需求的产品，在生产执行的基础上进行统计分析，提高生产水平。MES生产执行系统的建立就是要在生产过程层及管理层之间加强数据集成与分析的力度，拓展优化技术应用的范围，建立完备的物流批次监控管理体系，真正实现企业信息集成和业务集成优化。如图1所示，塑料制造企业的MES结构主要由车间调度排产优化和基于RFID数据采集以及质量跟踪组成。车间调度是车间制造执行系统的核心功能之一，本系统在生产执行(物理)模型和生产计划(逻辑)模型基础上建立计划调度排产优化算法，切实符合企业的生产实际情况，变复杂问题为多步求勰的简单问题，具备合理性和实用性。求解过程分三步：①以订单为输入，通过排产模型及约束计算出可能的工艺路线；②以工艺路钱为输入，依据生产执行模型，通过优化算法，得到排产逻辑模型与生产执行模型的最优匹配，合理分配任务；③计划层面按订单和其他约束条件选择需要进行加工的生产加工方案和时间限制，并通过总体产能、库存情况，产生可能的加工方案组合。确定加工方案后，按优化规则在生产执行物理模型中计算加工方案对应的生产单元路径，并对该路径进行约束限制和优化评价，计算得出的最优解通过工作任务指令方式写入产品标签，指导产品在智慧车间的整个生产流程。本文将在后面重点对所构建的面向塑料制造业的RFID智慧生产车间进行介绍。  

图1 MES架构图

2 基于RFID的智慧生产车间 

　　智慧车间是指在车间内部署RFID阅读器、RFID标签，建立物料跟踪的节点网络，并定义这些生产对象节点的工艺(质量)参数，按批次、模块对参数进行采集，分析工艺(质量)参数的相关性，支撑全厂的物料跟踪流程。它利用先进的接口技术和RFID自动设备，获取现场各个节点的生产数据、库存数据，质检数据和移动数据，通过全厂参数计量信息的收集、整理和分析，完善对物料生产过程所涉及的生产单元、设备、仓库仪表数据采集和录入，为各种生产活动提供物料移动、加工、库存和设备、管理层辅助决策和车间成本核算提供可靠保证删。RFID智慧车间能够实现全部或者部分生产数据的自动收集、生产情况的实时监控、操作参数的在线调整优化等生产运行管理和监控功能，是高效率生产和管理的前提，是MES生产数据的来源胁。 

　　2.1 现有装配车闻的生产流程 

　　现有企业管理系统中生产过程信息始终是“离线”的，质量工艺、物料消耗、实际产量、残次品数等生产信息还是靠原始的人工录入方式，不能连续、自动、完整地反映在企业管理系统中。其流程如图2所示。装配车间主任根据交期先后和物料的齐备情况，交计划员电脑排产，填“生产派工单”将生产任务下达给各个小组长。组长依据“生产派工单”填写“领料清单”，并到发料仓库领料。 

　　组长对各员工进行人工派工和发料，并将各订单的派工信息和发料数量填写“装配车间员工生产记录卡”，由组长监督并在此卡上记录数量。 

　　组长将每班次机台员工生产的经过质检合格的良品和每班次回收的残次品数量按订单记录到“装配车间员工生产记录卡”上，同时核算各工序员工的零件损耗数量和零件利用率。 

　　一个订单完成后，组长将各员工的领料、合格品和残次品数量汇总到“装配车间小组生产日报表”上；填写“成品入库单”传至质检主任确认后，将质检合格的产品送入成品总库；次品由专管员填写“报废单”，送至质检主任签字确认后，将残次品送入非合格品库。非合格品库仓管员将这些非合格品处理数据按照装配车间的人(机台)或小组记录在每个订单里面。  

图2 装配车间生产流程

2.2 构建面向塑料制造业的智慧装配车间 

　　塑料制造业的智慧生产车问通过设置于车间应用管控点的多功能交互式控制终端采集现场实时信息，通过应用集成接口，数据实时上传到MES系统，实现数据的保存与记录，达到与上层资源管理系统、客户、动态联盟合作企业的数据共享，从而构建起资源管理系统、车间生产管理模型、底层制造控制系统的纵向无缝集成和车间生产管理与动态联盟合作企业制造车间的横向无缝集成。为了增强生产过程管理的透明化程度，提高离散生产车间的快速响应能力，控制终端主要具备两方面功能：一是实时自动接收、显示作业计划及指导书等信息，指导工人生产操作；二是通过终端外连的RFID设备、质量采集终端、生产设备和人工录入接口，实时准确采集在制品物流、产品装配质量、生产异常事件等信息。 

　　2.3 智慧装配车间应用流程 

　　该公司共有七个生产车间，每个车间分上下两层，楼下为注塑车间，楼上为装配车间。注塑车间机台上架的模具不同，生产出来的注塑件不同。每个装配车间的装配工序基本相同，装配工人从半成品库领取的注塑件不同，装配出来的产品就不同。各个装配车间产品对应表如表1所示。下面以装配三车间生产的矮泵产品为例详细说明该公司的装配工序。矮泵产品由泵体、压盖、连盖等30种零件组成，这些零件在预设的产品工艺路线的约束下装配，如图4所示：装配工人从车间的半成品库和外购件库领取所需注塑件和外购件，依次经过冲头子、试头子、套滴子、连套、揿泵、压气检测、胃口、组装、插管九道自动机工序得到半成品矮泵(已插管)，最后通过—道手工作业生产出完整的矮泵成品。  

表1 装配车间产品对应表 

图4 传统矮泵生产流程

　　在矮泵产品的装配过程中，前制程的输出是后制程的输入，之一，某道工序的零部件不够时，可以暂时跳过，先组装后面的儿道工序，待到该工序零部件齐全时，再将该零件与后面几道工序组装出的半成品组装在一起。MES需要采集这一过程中的生产日期、班次、每道工序的操作工、投入的零件编号和领料重量、产出的半成品编号、余料数量、废料数量、不合格数量等信息。本文的RFID智慧车间研究的主要是前九道自动机工序的信息采集。 

　　为了实时监控装配生产状况，本方案配备读写距离分别为10cm、8cm、5cm的高频RFID标签记录员工ID、零部件ID、产品ID等基本信息，构建基于RFID的矮泵生产流程。如图5所示，订单第—道工序开始之前，工作人员将初始化的产品标签安装在头子外表面。操作工需在工位上的高频读卡器上刷卡，完成上岗认证，系统记录当前工位员工姓名、日期、班次等上岗状态信息。  

图5 基于RFID的矮泵生产流程

　　每班次上岗前，工作人员扫描装有零件的器皿上的零件RFID标签，高频读写器将零件RFID标签的VIN码信息写入其天线场强范围内的产品RFID标签，后续工位通过读写产品RFID标签来完成生产线零部件监控和数据采集等工作。在装配工位上，高频读写器读取产品标签后，提示相应工位的零部件安装信息。工作^员安装相应零部件，并在高频读写器上刷相应零部件器皿上的高频RFID标签。MES系统获取并保存相应产品的零件安装信息、工作人员信息和物料消耗信息以备后期质量跟踪。 

　　在生产线工位供货环节中，生产物流部门将零部件送达工位之后，MES系统更新零部件数量信息及工序信息。完工后，高频读写器读取产品标签，系统检查产品经过的各道工序、料耗等装配信息，并以生产料耗表的形式呈现给装配车间主任、成本分析员、工资核算员。最后，工作人员取下产品RFI标签，循环使用。图5中。各标签采集的数据如表2所示。  

表2 RFID标签信息 

　　2.4 塑料制造环境下RFID应用可靠性 

　　根据塑料制造业车间工作环境建立的改善RFID系统应用可靠性的技术体系嘲，如图6所示。  

图6 改善RFID应用可靠性的技术体系

　　通过改进标签和物理阅读器硬件识别的可靠性，减少应用环境的影响，可提高标签识别率(TIP)；采用多个标签标识一个物理对象，在逻辑管控点设置多个物理阅读器的应用方案可提高对象识别率(OIP)；SIP是在OIP改进的基础上，基于各种应用完整性约束规则(如：路径约束、伴随约束等)，通过对异常阅读产生的不可靠数据进行清洗与纠正的方法来提高。改进RFID硬件可靠性、减少应用环境干扰、以及增加硬件设备的实施方案都是提高RHD应用可靠性的关键。 

3 结束语 

　　本文以江苏一家有代表性的中小型塑料制造企业为例，将物联网技术、现代管理技术与制造技术相结合，全面讨论了MES系统与RFID技术在离散型装配制造业中的应用。本系统的应用实践表明：系统实现了生产过程控制智能化、制造装备数字化、咨询服务网络化和物流进出可追溯化。在实现规模化推广之后，系统将可以成为提升该企业乃至整个塑料制造行业发展速度的重要产品。系统可扩展新的功能以适用于部分相似行业。