基于RFID的汽车制造执行系统研究

　　1.引言

　　随着我国汽车行业的快速发展，汽车市场需求日益多样化。企业资源管理系统虽然满足了对汽车制造过程相关资源的有效管理，但是只能达到物品批次管理而无法实现单品精细化管理。因此，如何实时掌握在制品的车型、数量、进度、转移、质量状态等信息，实现车间物品层的精细管理和协调控制是关键之一。通过将无线射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术引入车间层管理系统中的制造执行系统(MES，Manufacturing Execution System)，跟踪和监控单个车体的流动，可有效帮助管理者实时监控产品状态，实现车间层可视化和数字化管理。

　　目前，国内外已有部分学者进行制造执行系统的相关研究。Jean Marcelo Simao等[1]针对基于规则导向和产品驱动的MES系统，提出了理论解决模型以满足客户定制化需求。吴刚等[2]通过应用XML和BizTalkserver技术的中间件集成方法，实现MES与ERP系统的集成。臧传真和范玉顺[3]通过分析RFID等智能物件技术在制造企业的应用场景，构建了基于智能物件的制造企业信息系统。Fagui Liu和Zhaowei Miao[4]在分析陶瓷浴缸生产过程的基础上，提出了基于RFID的生产过程动态监控系统，并通过中间件实现与ERP数据库的集成。汽车制造业作为离散制造业中的典型代表，同其他制造业相比有其独特的工艺特点和特殊的生产环境，而针对将RFID技术应用于汽车制造执行系统的研究鲜见报道。

　　基于上述分析，本文通过分析汽车制造过程管理特点和RFID技术优势，提出基于RFID的汽车制造执行系统(R-AMES，Automobile Manufacturing Execution System based on RFID)。

　　2.汽车生产管理现状

　　汽车制造业的最终产品都是由成千上万个零部件所组成，因此针对整车生产和装配过程的监控是管理的重点。总体上来说汽车生产具有如下几个主要特点：

　　第一，MTO(Made to Order)生产模式，需满足客户个性化定制要求，实现混线生产。虽然这种生产模式降低了库存，但要求汽车厂商加强生产控制系统，监控整个生产过程以确保每辆车按时准确的完成生产装配;第二，汽车生产工艺规程复杂，工艺路线长，主要包括焊装、涂装和总装三大工艺，要求各车间和相关部门协同完成生产任务; 第三，整车装配零部件种类繁多，且必须按照一定的装配次序，如焊装车间冲压件的焊装和总装车间部件的装配;第四，生产过程干扰因素多，加工过程不稳定，如焊装车间的电磁干扰、涂装车间高温和酸碱环境等;最后，生产过程采集数据量大且分布于各个生产环节，要求实时采集、处理现场数据，便于管理者及时发现潜在的生产问题并及时采取措施。

　　目前，部分汽车企业通过ERP系统管理企业资源，现场自动化系统来管理车间现场，这种管理方式主要存在两方面的问题：一是导致ERP和现场自动化系统之间存在信息断层。如：企业ERP系统无法实时与现场自动化系统进行信息通讯，实时更新生产信息，导致高层管理人员无法实时了解生产线状况和特殊定单完成情况等;二是传统的ERP系统管理模式无法实现精细化管理。由于企业没有引入有效的产品跟踪标识技术和构建相应的车间层制造执行系统，导致企业管理者只能按批次对产品进行管理，不能有效满足客户的大量个性化需求。因此，需要在ERP系统和现场自动化系统之间构建一个桥梁以解决这两方面的问题。本文结合汽车制造过程管理的需求，构建了一个基于RFID的汽车制造执行系统。该系统通过引入RFID技术，实现了汽车整车生产实时监控和精细化管理。

　　3.基于RFID的汽车制造执行系统

　　3.1 RFID 技术

　　RFID系统一般由标签(Tag)、阅读器(Reader)天线(Antenna)组成，同传统的条形码数据采集技术相比，RFID技术有着多方面的优势，具体内容如表1所示[5][6]：

　　表 1 RFID 与条码的特性比较

　　3.2 RFID 应用方案

　　如今，RFID技术已在物流等领域有一定应用，但是在制造业生产管理中的应用却鲜见报道，此外相关部门也尚未制定出统一的应用标准。因此，本文提出的应用方案主要适用于汽车整车生产车间范围内应用，通过安装于车体或运输载体上的电子标签实现对车体的跟踪和监控。RFID系统作为数据采集层，主要采集的数据包括三类：生产数据、质量数据和装配数据.

　　上下线工位：根据车间的不同需求，在车间起始工位安装电子标签，将其固定在车体适当位置或牵引小车车架上，通过阅读器将车辆VIN码，车型编码，颜色编码，批次号等信息写入电子标签。由于VIN码是按照国家标准统一制定的，具有唯一性，因此可作为车体跟踪的关键标识信息。整车下线后可回收电子标签实现循环使用，同时扫描标签信息打印相应的条形码贴于车身，作为整车出厂后的身份标识。

　　关键监控工位：在汽车生产过程监控的关键工位上，通过设置的阅读器和天线自动获取电子标签内存储的车体信息，一方面通过现场控制器传入后台监控系统，作为生产实时监控的基础信息;另一方面通过现场控制器与现场PLC控制器、机器人等设备进行数据传输，控制其执行相应的生产指令，或通过电子看板指导现场工人完成正确的操作。此外，在关键质量检验工位，工人通过手持阅读器扫描标签，并录入质量检测数据到后台系统中，实现单个车体的质量管理和监控。

　　关重件工位：为满足汽车质量召回的要求，整车企业需要对关重件进行跟踪管理。因此，在总装车间关键装配工位，如发动机等，当车体到达装配工位时通过工位阅读器读取车体编码，然后工人通过手持条码枪扫描发动机条形码，将发动机等关重件的数据与装配车辆VIN码传送到后台系统中进行关联储存，为车辆召回时进行质量追溯提供基础信息。

　　3.3 系统总体结构

　　一、系统体系结构

　　系统采用分层结构，系统整个体系结构如图1所示。从图上可看出，该系统主要包括标签部署层、物理层、中间件层、功能应用层和系统接口层。

　　标签部署层主要根据汽车生产车间的不同应用需求将标签安装于车体或设备的相应区域，具体安装位置需要通过大量的测试工作后方可进行确认。

　　物理层主要根据系统的应用需要将RFID阅读器及其他硬件设备进行部署和管理，实现现场数据采集、打印、监控和设备驱动控制等。从工业现场的实际出发，选择采用C/S模式。RFID中间件层主要实现现场数据采集设备与控制器和R-AMES系统的集成。功能应用层主要面向管理信息的维护、查询、统计、报表等应用，要求应用灵活、管理和操作方便，选择采用B/S模式。系统接口层主要实现R-AMES系统与企业信息管理系统如ERP之间的集成。　　基于RFID汽车制造执行系统业务主要包括两大部分：核心业务和辅助业务。其中主要的功能包括：

　　①生产计划维护与管理：从ERP系统下载生产计划，按照工艺制定并直接下达工序生产计划到车间，并提供对生产计划队列的修改和查询统计。

　　②车间实时追踪与管理：在车间的关键或重要工位设置采集点，采集相关信息，追踪产品的生产流动过程。

　　③生产过程质量管理：在生产过程中的关键工位和有质量检测要求的地点设置信息采集点，追踪产品生产过程的质量状况，同时进行科学的统计分析和处理。

　　④生产实时监控与查询：针对采集的信息进行可视化处理，通过生产线图形化的监控界面监控各条生产线实时运行状况和生产订单的完成情况。

　　二、系统整体构成

　　基于RFID的汽车制造执行系统构成如图2所示。通过在生产线相应工位安装的固定阅读器或手持阅读器实时采集生产线车体信息，并通过现场控制器实现与机器人等现场设备的实时通讯。现场采集的数据通过车间现场总线传输到车间服务器进行数据处理和分析，最终通过中心服务器将各个车间的数据汇总到企业ERP系统。

　　4.实证研究

　　在国家863计划支持下，RFID技术已成功的应用于国内某汽车企业涂装生产线。图4为该企业安装了R-AMES系统的涂装车间布局图，现场设置了7处读写站。

　　如图3所示，车体由白车身贮存线(WBS)进入涂装线，白车身被转挂到空滑橇上，当检测开关发出滑橇到位信号时，Reader 1开始自动读取滑橇标签所存储的数据，即读出滑橇号和喷涂次数等，同时显示在屏幕上;再进行写操作，清除上一循环的VIN码、车型、颜色信息，通过R-AMES系统写入新的VIN码、车型、颜色等信息，同时系统自动记录当前时间作为该车身的上线时间，其它Reader均能实现时间的记录，这样就可对每辆车所处工艺段进行准确跟踪。

　　白车身经过前处理、电泳和电泳烘干后进入电泳打磨线，当检测开关发出滑橇到位信号时,设置的Reader2读出标签内的VIN码并自动记录当前到达时间;然后录入车身电泳质量信息到R-AMES系统。

　　车身密封完成后进入面漆线进行喷漆，Reader3设置在自动擦净机和自动喷涂机器人前，读出滑橇号、VIN码、车身颜色、车型等信息，确认喷涂颜色后给自动擦净机、自动喷涂机器人发出正确的车型及喷涂颜色信息，滑橇喷涂次数自动加1。

　　车身经过面漆和烘干后进入检测线，Reader4设置在喷涂质量检查工位，现场检测工人将检查结果(合格、返修、返工)写入标签，同时录入质量信息到监控系统中。车身从检测线出站后到达分流点，此处设置的Reader5自动读取当前标签内的检查结果信息，合格则进入下一工位，否则进入返修线;设置在返修线下线处的Reader6自动识别返工车，控制其返回面漆线重新喷涂。

　　检测合格的车身到达车间下线工位后，通过Reader7读取标签内的VIN码，打印条形码作为总装车间车体识别系统的标识数据;同时读出滑橇喷涂次数，以决定是否对滑橇进行清洗;最后车体转挂到PBS吊具上进入喷涂完工车身贮存线(PBS)。RFID技术的引入使得企业的管理更加精细化、透明化，管理者更加清晰的了解生产线的实时状态，提高了管理和生产自动化的水平。系统实施后，生产率提高了15%，每年节约生产成本约160万元。在实现了企业内部管理精细化后，逐步将RFID技术应用扩展到整个汽车供应链，实现整个供应链的可视化管理和质量追溯是企业进一步提高综合实力的发展方向。

　　5.结束语

　　本文提出了基于RFID的汽车制造执行系统，并通过中间件实现了该系统与企业ERP系统、现场设备的集成，很好解决了汽车企业资源计划层与生产线现场控制层的信息断层问题，并结合RFID技术，实现单个物品的跟踪管理。该制造执行系统的研究成果和实施经验表明该系统能明显提高生产效率和质量，在汽车制造业具有普遍推广和应用的价值。RFID技术在汽车制造业的成功应用，为全面提升我国汽车制造业的生产信息化水平提供了充分的技术支持。