基于射频识别的离散制造业制造执行系统设计与实现

    射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，且无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术已在生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书管理、身份标识、运动计时、门禁控制/电子门票、道路自动收费等领域表现出广泛的应用前景，被誉为当前最具发展潜力的技术之一。

    随着市场竞争进一步加剧，对制造业表现在:产品生命周期缩短;少量多样生产型态;市场变化快，难以预测。任何一个环节的脱节，都可能导致整条生产线乃至整个生产流程的瘫痪。这就要求企业在完成制造资源计划(Manufacture Resource planning，MRPⅡ)/企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)等对企业资源管理信息化的同时，加强生产制造过程的管理。

    将RFID技术应用于制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)设计中，可提升生产过程管理与控制水平，有效地跟踪、管理和控制生产所需的包括物料、设备、人员在内的所有工厂资源;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。

1 系统需求

    我国制造业多年来采用的传统生产过程的特点是“由上而下”按计划生产。即从计划层到生产控制层:企业根据订单或市场等情况，制定生产计划→生产计划到达生产现场→组织生产→产品配送。这种传统信息结构在ERP系统和现场自动化(Shop Floor Control system，SFC)系统存在管理信息断层的问题，无法满足用户生产现场层面的生产调度和管理要求。

    MES能填补这一空白，因为MES是处于计划层和现场自动化系统之间的执行层，主要负责生产现场的生产管理和调度。这就要求，一方面MES能够将管理层(计划层)的生产计划、生产指令等管理信息和加工图、工艺流程图等生产指导信息下达至生产现场各工位;另一方面MES又能实时采集和处理现场生产数据并提交至管理层，以便有效地增强生产过程的可视化和数字化管理。

    离散制造业生产具有不连续性，传统MES实施中的难点在于:生产过程各环节数据与在制品的实时绑定、实物流和信息流严重脱节、管理人员无法对生产过程进行实时监控和管理。要从整体上提高生产管理水平，就必须对生产过程中的在制品和关键/重要零部件进行实时跟踪，以掌控生产节拍及相应生产物流支持，保障生产的有序高效运行，同时记载在制品生产的过程数据和零部件数据，以便为产品质量追溯提供支持。

    企业信息化的推进是逐步完成的，企业的管理需求也不断变化，要求系统具有良好的开放性和集成性，以便将MES系统与先期实施的ERP系统及生产现场的检测和控制系统等有机融合，系统要具有良好的可扩展性，以适应企业发展的需要。

2 系统设计目标及设计原则

    2.1 设计目标

    基于RFID的MES系统充分利用RFID的技术优势，解决企业现行ERP系统的ERP计划层与车间现场自动化系统过程控制层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。

    2.2 设计原则

    (1)可扩展性 鉴于生产和管理需求的多变性，系统在系统体系结构、硬件和软件设计上应具有良好的可扩展性。

    (2)集成性 系统应具有良好的集成性，以便与企业上层的ERP系统和底层的现场自动化系统有机融合。

    (3) 可靠性和客错能力 系统涉及企业生产一线，要求软硬件系统具有较强的可靠性和容错能力。

    (4) 经济性 鉴于MEs涉及生产现场的数据采集控制点较多，为此，系统设计应尽量降低系统的硬件平台投人，在保证系统功能的同时，尽量降低系统的实施成本。

3 射频识别应用方案

    虽然RFID电子标签价格持续下降，但由于推广程度较低，其价格仍比条码等传统信息载体昂贵许多，而且RFID技术在制造业和物流等领域仍未被广泛使用，在各个行业也并未形成统一的易于操作的标准。

    为此，本文提出的离散制造业MES应用RFID技术设计方案的核心思想是，在企业内部闭环范围内，用RFID标签跟踪产品生产制造过程，同时在部分应用中兼容条码技术，确保实现上述设计目标。

   在装配工序的起点设置在制品对应的RFID电子标签，并固定于在制品机体或生产线台架上，作为在制品在整个生产过程监控的标识。产品上线时绑定电子标签，产品下线包装时摘下电子标签，RFID电子标签将在生产线上循环使用。工位标准配置如图1所示。

图1 基于RFID的MES应用方案

    在上线工位，工位控制器通过RFID读写器和天线，将产品型号规格、批次、状态等关键信息写人标签，作为产品生产跟踪的关键标识信息;在产品生产过程监控的关键工位上，工位控制器通过RFID读写器和天线，自动获取到达该工位在制品的关键标识信息，并通过设置光电传感器识别空台架，检测出因金属物体遮挡等原因造成的RFID电子标签漏读，确保可靠读取在制品信息。

    RFID读写器读取经过所在工位的在制品电子标签上的信息，一方面传送至车间控制器，作为生产监控的基础信息，另一方面送至工位控制器，工位控制器根据在制品信息和相应生产指令进行处理，并通过电子看板给予工人相应的生产操作指导。

    对关键/ 重要零部件，则通过零部件或物料周转箱上条码/电子标签来跟踪，在关键装配工位，通过手持条码枪/天线读取关键/重要零部件的数据，送工位控制器，工位控制器将其与生产计划和当前状态数据比对，符合要求的才能进人生产工位，否则给予声光告警，以确保生产工位物料送达的准确性，避免了以往常见的因忽视零部件细小差异而造成的装配错误。同时，工位控制器将此关键/重要零部件数据送车间控制器保存，以备后期质量分析和跟踪。