基于RFID技术的汽车总装MES系统研究

　　引言

　　随着市场竞争的逐步加剧，现代制造业需要面对越来越多的挑战，具体表现在以下几个方面：少量多种类的生产模式、不断缩短的生产周期、对客户多变需求的及时响应。这些都要求现代制造业具备更高的自动化和信息化程度。

　　RFID(Radio Frequency Identification)利用电磁感应原理在标签和读写器之间传递信号，作为一种非接触式的自动识别技术，具有数据存储量大、可读写、非接触、识别距离远、识别速度快、保密性好、穿透性强、寿命长、环境适应性好以及能同时识别多标签等优点，并且可工作于各种恶劣环境研究应用RFID技术，探索重组企业信息流，更大限度地发挥我国制造业现有资源优势，推动企业技术进步及传统制造业的升级换代的可行方案与模式，已成为当务之急。

　　生产车间作为产品制造的中心场所、成品物流和供应物流的起讫节点，车间的制造能力及其内部物流能力对企业的生产能力起到了决定性的作用。而制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)作为承接ERP(Enterprise Resource System，企业资源计划)系统、协调SCM(Supply Chain Management，供应链管理)系统、调度底层生产控制系统的枢纽，在车间生产过程中起到了重要的作用，是进行车间管理的一种先进技术。

　　而将RFID技术融入MES系统之中，必定有助于提高生产线监控能力，消除系统间信息断层，提高生产管理水平，是促进传统制造业发展升级的众多途径之一。

　　文中结合安徽省某汽车生产企业具体情况，对RFID技术在汽车总装线上的应用模式进行研究。

　　1、汽车装配流程分析

　　汽车的装配生产活动作为离散工业生产中的典型情况，具有以下特征：生产过程并行且异步，设备功能冗余度大，控制量相互独立，生产资源管理复杂，在生产过程中的零部件处于离散状态，车辆的生产制造主要通过物理加工和组装来实现。

　　1.1 现有汽车装配流程

　　车身首先在上线点上线，工作人员手动扫描车身VIN条码进行车体数据采集，完成车辆上线报工流程。车辆到达装配工位，装配工人首先查看粘贴在车辆上的装配指导书，然后安装相应零部件，最后在装配指导书上粘贴已安装零部件的条形码。在与分装线合流工位，装配工人需首先扫描条码来校验分装线总成和总装车体是否匹配，通过校验之后才能进行安装。在当车辆到达下线点时，工作人员需要手动扫描车身条码以及装配指导书上粘贴的所有条码来确定车辆装配信息，之后才能进行下线的报工操作。

　　1.2 现有流程中的问题

　　汽车总装生产线上主要使用的是条码技术，工位员工采取手动方式扫描车身VIN码和零部件条码进行车辆跟踪和装配信息采集，整个采集过程耗时相对较大。当遭遇条码损坏、沾染污渍无法识别时，员工需手工输入车辆VIN码或零部件码，出错率高、耗时长，难以加快生产节拍。生产现场可视化程度有待提高，需要为工人提供实时准确的装配指导，杜绝漏装错装现象的发生，对生产线车辆的装配情况也需要实时监控。物料消耗信息反馈不及时，难以实现生产物料的实时拉动，导致生产物料库存过多，影响资金流动。缺少对员工和其装配零部件的关联管理，导致在追溯因人工操作导致的质量问题时难以将责任落实到人。

　　2、RFID技术和适用性分析

　　RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。

　　RFID系统通常由射频标签、阅读器和天线组成。射频标签由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。阅读器是读取(写入)标签信息的设备。天线用来在标签和读取器间传递射频信号。RFID按应用频率的不同分为低频(135kHz以下)、高频(13.56MHz)、超高频(915MHz)、微波(2.4GHz)几种类型，分别适用于不同的应用场景和需求。

　　RFID技术不只是条码技术的简单替换，它在离散制造业中的应用将改变离散制造企业的生产经营方式。由于RFID技术具有数据存储量大、可读写、非接触、识别距离远、识别速度快、保密性好、穿透性强、寿命长、环境适应性好以及能同时识别多标签等优点，用其取代条形码在汽车生产线上对车辆进行标识和跟踪，整个过程无人工干预，可以在极大程度上降低工人的劳动强度和出错率。现今已经可以利用RFID技术来实现自动、高速、有效的记录，降低操作员的劳动强度，从而提高了产品下线合格率。

　　将RFID技术应用于汽车制造业，融入到MES系统中，有利于将管理决策有效转化并实时传送至产品层，可提升生产过程的管理与控制水平，有效地跟踪、管理和控制生产所需的包括物料、设备、人力等资源;与上层管理系统结合，可合理地调度、管理这些资源，提高制造竞争力，改善生产组织、缩短生产周期、减少在制品数量，提高产品的质量和降低人力资源消耗。对于发展离散制造业生产制造系统模式和应用解决方案、提高制造过程可视化监控与产品质量追踪水平、促进制造行业RFID技术应用标准规范形成、带动我国RFID技术产业化发展等方面具有重要的理论意义和应用价值。

　　3、RFID技术在汽车总装线上的应用方案

　　3.1 应用目标

　　基于上文对现有业务流程的分析，充分利用RFID的技术优势，结合总装车间MES系统，解决企业现行ERP系统的计划层与车间现场自动化系统过程控制层之间、LES(Logistic Execution System，物流执行系统)车间内部物流层面和MES系统生产控制层之间、车辆质量追溯系统和原有MES系统之间信息和管理的断层问题，实现制造和质量的可视化和数字化管理。具体分解为以下几个子目标：

　　★ 将RFID技术融入生产车间的装配工位之中，利用RFID标签标识零部件进行数据采集，时刻掌握生产线物料消耗信息，无延迟拉动供应物流。进一步满足JIT供货模式的需求，消除MES系统和LES系统之间的信息和管理断层;对重要部件进行安装记录，为质量追溯系统提供翔实可靠的数据支持。

　　★ 将RFID技术现场可视化系统相结合，对生产中的车辆进行监控，实时了解生产线情况和车辆装配进度，并可以向装配工人提供实时准确的装配指导。

　　★ 将RFID技术与车间人员管理系统和质量追溯系统相结合，除了实现人员管理的功能，还可以对装配操作进行记录，实现装配责任落实到人，消除MES系统(车间人员管理)和质量追溯系统之间的信息和管理断层。

　　3.2 应用流程

　　本方案采用高频和超高频两种RFID标签相互配合，高频标签用以标识人员和零部件，超高频标签用于标识在制车辆。

　　在车辆上线之前，工作人员将初始化的标签安装在车体前部引擎盖上表面。生产线员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上岗状态信息。

　　在车辆上线前，工作人员扫描车身VIN条码，超高频读写器将VIN码信息写入其天线场强范围内的车辆RFID标签，后续工位通过读写车身RFID标签来完成生产线车辆监控和数据采集等工作。

　　在装配工位，超高频读写器读取车辆标签后，提示相应工位的零部件安装信息。工作人员安装相应零部件，并在高频读写器上刷相应零部件料箱中的高频RFID标签。系统获取相应车辆的部件安装信息和工作人员信息以备后期质量跟踪，系统向LES系统返回物料消耗信息，并刷新工位零部件安装信息提示，直至该工位所有应装部件全部安装完毕。在向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，系统更新零部件数量信息。

　　在下线工位，超高频读写器读取车辆标签，系统检查装配信息，工作人员取下车辆RFID标签，循环使用。

　　3.3 标签选型

　　应用方案中共涉及到高频(13.56MHz)和超高频(915MHz)两种不同类型的RFID标签。所选择的RFID标签规格如表1、表2所示。

　　表1 高频标签参数列表

　　表2 超高频标签参数列表

　　由于车间内人员的流动性强，故配备读写距离仅有10cm的高频RFID标签，有利于避免标签误读和串读，标签内存放员工ID和基本信息。零部件的安装需要一个确认的动作。故配备读写距离仅有10cm的高频RFID标签，每个零部件料箱中放置一枚高频RFID标签，装配工人在安装部件时刷标签作为安装确认和数据采集操作，标签内存放零部件号。

　　车辆在生产线上的运动速度缓慢并且有规则，且车体的长度使得标签间距在5m左右，故在每台车辆上放置一枚超高频RFID标签，控制读写器读写距离在5m以内，可以避免串读和误读，标签内存放车辆唯一标识码(VIN码)。车辆标签采用防金属胶磁封装，方便吸附于车体表面。

　　4、基于RFID技术的汽车总装制造执行系统应用架构

　　4.1系统应用结构

　　系统通过RFID处理模块向原有MES系统提供实时可靠的数据支持，并根据新的业务流程对MES系统进行再造，形成“基于RFID技术的汽车总装制造执行系统”。同时RFID处理模块向其他相关系统提供数据支持，消除MES同质量追溯系统、ERP、LES等系统之间的信息断层。基于RFID技术的汽车总装制造执行系统应用结构如图l所示。

　　图1 基于RFID技术的汽车总装制造执行系统应用结构图

　　4.2 系统网络架构

　　本系统利用部署在车间服务器中的RFID软件中间件对车间读写器网络进行统一管理，有利于屏蔽RFID设备差异性、提高RFID读写器网络的稳定性和效率，且RFID设备不依赖工位终端，无需对工位终端进行特殊配置，方便部署。基于RFID技术的汽车总装制造执行系统架构如图2所示。

　　图2 基于RFID技术的汽车总装制造执行系统网络架构图

　　4.3 系统软件架构

　　本系统在B/S模式采用三层结构进行开发，系统分为数据持久层、业务服务层和表示层三个层面。数据持久层负责实现关系型数据和对象数据之间的相互转换、数据库的存取操作和数据序列化。业务服务层根据相关业务流程对业务操作进行封装，接收和反馈来自表示层的请求，调用RFID处理模块进行实时数据采集，调用数据持久层实现数据存取和序列化。表示层负责将业务操作包装表示成可视化界面，供用户访问，向业务服务层发送请求并接收反馈。在J2EE开发环境下，结合Struts2、Hibernate、Spring、DWR等主流开源框架，具有良好的跨平台兼容性。基于RFID技术的汽车总装管理系统的软件架构如图3所示。

　　图3 基于RFID技术的汽车总装制造执行系统软件架构图

　　Struts框架是基于MVC(Model-View-Controller)模式的框架，主要采用JSP与Servlet技术实现。系统使用Struts框架整合Servlet、JSP、自定义标签和信息资源，完成系统对前台页面操作的响应。

　　系统采用Hibernate作为Java持久层解决方案，建立对象/关系映射。实现从关系型数据到对象型数据的转换。

　　DWR作为一种实现了Ajax交互能力的Web框架，可以把服务器端的任何Java对象公开为可以通过浏览器中的JavaScript访问的远程对象。本系统利用DWR框架实现正向和反向Ajax功能，将RFID处理模块所获取的数据实时推送至响应业务模块中，减少浏览器冗余请求，降低服务器压力，提高系统运行效率。

　　Spring框架是在J2EE的基础上实现的一个轻量级J2EE框架。本系统用它来为程序提供Bean的配置、AOP的支持、抽象事务支持，组织系统中的业务服务层、数据访问层对象，实现组件对象创建与使用之间的松耦合。

　　4.4 系统接口

　　系统提供4种接口与现有的遗留系统进行数据交换，4种接口分别是WebService、JMS、文本文件、数据库。前两种是函数层面的接口调用，后两种是文件层面的接口调用。

　　5、结束语

　　文中在对汽车生产流程进行分析的基础上，将RFID技术融入汽车生产制造执行系统之中，提出了一种基于RFID技术的汽车总装制造执行应用方案以及相应的体系架构。据该系统在安徽某汽车生产企业总装生产线上的实际运行情况表明，基于RFID技术的汽车总装制造执行系统使得企业能够及时、准确地掌握生产线状态，提高生产效率，确实有利于MES系统和LES系统之间协同工作，为产品的质量跟踪提供了精确的数据保障。