RFID在生產(chǎn)線監(jiān)控中應(yīng)用

　　RFID(Radio Frequency Identity technology，無線射頻識(shí)別技術(shù))通過無線的方式，對(duì)存儲(chǔ)于RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集，以獲取被標(biāo)識(shí)對(duì)象相關(guān)信息，一個(gè)簡(jiǎn)單的RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由RFID讀寫器、天線(內(nèi)置或外置)、RFID標(biāo)簽3部份組成，如圖1所示。

圖1 RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
隨著技術(shù)的發(fā)展，RFID逐漸開始被應(yīng)用到離散制造行業(yè)中，相對(duì)目前被廣泛使用的條碼技術(shù)而言，RFID標(biāo)簽具有本質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)，RFID標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)包括：可無線遠(yuǎn)距離讀寫，可穿透性讀寫，可在高速移動(dòng)的狀態(tài)下讀寫、存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，可在惡劣的環(huán)境下使用等，因此，RFID技術(shù)不只是條碼技術(shù)的簡(jiǎn)單替換，它在離散制造業(yè)中的應(yīng)用將改變離散制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營方式，目前，RFID技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于離散制造行業(yè)的供應(yīng)鏈管理、倉庫管理、物料管理等領(lǐng)域。目前RFID技術(shù)在離散制造業(yè)生產(chǎn)線上的應(yīng)用還沒有通用的方案，F(xiàn)agui Liu和Zhaowei Miao研究了RFID技術(shù)在生產(chǎn)控制中的應(yīng)用，但重點(diǎn)在系統(tǒng)的構(gòu)建上，并主要討論的是在陶瓷行業(yè)的應(yīng)用，本研究基于RFID先進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)研究該技術(shù)在裝配行業(yè)的生產(chǎn)線可視化和生產(chǎn)過程控制中的應(yīng)用，并依托國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目，在重慶某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

　　1 基于RFID的生產(chǎn)線監(jiān)控技術(shù)

　　1.1 生產(chǎn)線可視化

　　1.1.1 技術(shù)原理

　　生產(chǎn)線可視化的目標(biāo)是使企業(yè)管理層能夠?qū)崟r(shí)地發(fā)現(xiàn)在制品生產(chǎn)和生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，本研究的技術(shù)實(shí)施方案如圖2所示。方案主要由流水線、RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在制品和工位幾個(gè)部分組成，在制品在流水線上移動(dòng)，到達(dá)工位后由工人取下進(jìn)行零配件組裝，完成后再放回流水線，直到完成所有工序，RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括一個(gè)帶有雙天線的RFID讀寫器，每個(gè)在制品都和一個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)行綁定。

圖2 生產(chǎn)線可視化技術(shù)實(shí)施方案
該技術(shù)的基本原理是：當(dāng)綁定有RFID標(biāo)簽的在制品以先后順序經(jīng)過天線1和天線2時(shí)，將觸發(fā)2次RFID標(biāo)簽讀寫事件，通過對(duì)事件產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄與處理，來判斷在制品的完成情況及各個(gè)工位的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

　　以讀寫器代號(hào)和工位代號(hào)為關(guān)鍵字的RFID標(biāo)簽讀寫事件數(shù)據(jù)表如表1所示。

　　另外，生產(chǎn)線和工位之間構(gòu)成一個(gè)以生產(chǎn)線代號(hào)為關(guān)鍵字關(guān)系表，令生產(chǎn)線代碼為Line_code，那么它們的關(guān)系為：

　　(Line_codei，WPoint_codei1，WPoint_codei2，…WPoint_codein)。

　　1.1.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　1)生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)。生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)是通過對(duì)工位的監(jiān)測(cè)，判斷整條流水線是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常。當(dāng)在制品在工位逗留時(shí)間過長，或工位出現(xiàn)在制品堆積時(shí)，可判斷為工位異常。令在制品在工位允許的最大逗留時(shí)間為Tmaxi，工位允許堆積的在制品最大數(shù)量為Nmaxi，則判斷工位異常的公式如下：

　　如果Timej-Timei>Tmaxi，則在制品逗留超時(shí)，式中Timej，Timei為讀寫器天線2和天線1的2次讀寫事件發(fā)生的時(shí)刻。

　　當(dāng)在制品經(jīng)過天線1，而沒有經(jīng)過天線2時(shí)，公式變?yōu)椋篢imecorrent-Timei>Tmaxi。

　　對(duì)某個(gè)工位堆積在制品數(shù)量的判斷，依賴于查找表1所構(gòu)成的工位操作歷史表，其查找過程如下：

　　步驟1 通過流水號(hào)Line_code找到工位號(hào)Wpoint_code。
步驟2 通過工位號(hào)Wpoint_code，查找經(jīng)過天線1而未經(jīng)過天線2的在制品代號(hào)Product code。
步驟3 累積在制品數(shù)量并與Nmaxi比較，即可判斷在制品是否超量。

　　2)在制品監(jiān)測(cè)。在制品監(jiān)測(cè)是通過實(shí)時(shí)地獲取在制品上RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)，以判斷在制品所處的工位及已經(jīng)完成的工序，假設(shè)在制品Product_codei有Ni道工序，則在制品生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)算法如下：

　　步驟1 在制品上線時(shí)，椴據(jù)在制品的制造要求，確定工序數(shù)量Ni，并確定工位順序，生成一個(gè)二進(jìn)制代瑪，使其從最低位開始順彥代表其經(jīng)過的工位的完成狀態(tài)，完成為1，未完成為0。在在制品上線時(shí)，其初始值為0。
步驟2 把該代碼寫入RFID標(biāo)簽并和在制品綁定。
步驟3 在制品每完成一次工序并離開工位時(shí)，修改相應(yīng)位。
步驟4 讀取RFID標(biāo)簽相應(yīng)位，就可以確定已經(jīng)完成的工序和正在完成的工序。

　　1.2 生產(chǎn)過程控制

　　1.2.1 技術(shù)原理

　　生產(chǎn)過程控制目標(biāo)是根據(jù)在制品信息，靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地確定在剃品組裝路線和組裝方式，其基本原理是：實(shí)對(duì)檢測(cè)到在制品信息后，根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定的組裝路線和組裝方式，生成路徑選擇指令和組裝提示，技術(shù)實(shí)施方案如圖3所示。系統(tǒng)主要由RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工位控制器、看板和路徑選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

圖３　生產(chǎn)控制技術(shù)實(shí)施方案
在制品的組裝路線既酉以是上線之前制定的靜態(tài)路線，也可以是上線后臨時(shí)改變的動(dòng)態(tài)路線，本研究采用虛擬生產(chǎn)線(VPL)的概念，給每一個(gè)在制品 Product_codei分配一個(gè)虛擬生產(chǎn)線代碼VPL_codei，VPL_codei和Wpoint_codei關(guān)系為：

　　(VPL_codei，Wpoint_code1，Wpoint_code2，Wpoint_coden)

　　1.2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　1)組裝路線控制算法如下：

　　步驟1 根據(jù)在制品的組裝要求，生成虛擬生產(chǎn)線。
步驟2 將RFID標(biāo)簽中的在制品代碼和虛擬生產(chǎn)綁定，然后將標(biāo)簽和在制品綁定。
步驟3 當(dāng)在制品進(jìn)行多徑選擇時(shí)，讀寫器讀取標(biāo)簽中的在制品代碼，并根據(jù)虛擬生產(chǎn)線中的信息，確定下一個(gè)工位。

　　該算法的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)需要對(duì)在制品的制造工序進(jìn)行改變時(shí)，只需更改控制器中存儲(chǔ)的虛擬生產(chǎn)線和工位關(guān)系，便于組裝路徑動(dòng)態(tài)控制。

　　2)組裝方式控制算法如下：

　　步驟1 跟據(jù)在制品組裝要求，生成組裝指令表。
步驟2 讀取RFID標(biāo)簽中的在制品代碼和工序代碼，查找組裝指令表。
步驟3 在看板中發(fā)布組裝指令，指導(dǎo)生產(chǎn)。

　　2 應(yīng)用

　　2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　為了驗(yàn)證RFID技術(shù)在生產(chǎn)線監(jiān)控中的實(shí)用性，在重慶某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行了應(yīng)用示范，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)是典型的離散零配件組裝式生產(chǎn)，企業(yè)管理層有監(jiān)控在制品生產(chǎn)和生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)的需求；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在包裝之前要進(jìn)行質(zhì)量檢查，不合格的產(chǎn)品將會(huì)進(jìn)入返修程序，因此在制品的組裝路徑需要控制。該生產(chǎn)線主要包括上線、曲軸、箱蓋、返修、貼花及包裝等工位。系統(tǒng)實(shí)施體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)在各工位配置13.56 MHz的RFID讀寫器及存儲(chǔ)容量力2KB的標(biāo)簽，以構(gòu)成RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)配置 19英寸的MD顯示屏，用于裝配要點(diǎn)的提示。工位控制器采用嵌入式單板機(jī)WAFER-5822，運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)。車間控制器和ERP應(yīng)用系統(tǒng)采用PC 機(jī)平臺(tái)，使用C／S架構(gòu)。車間控制器用于工位協(xié)調(diào)，ERP應(yīng)用系統(tǒng)系統(tǒng)用于計(jì)劃排產(chǎn)和生產(chǎn)線狀態(tài)顯示。由于該摩托車企業(yè)的發(fā)動(dòng)枧生產(chǎn)線沒有實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的路徑改變裝置，每當(dāng)在制品經(jīng)過質(zhì)量檢測(cè)后，工人需要根據(jù)LCD上顯示的指令決定在制品的前進(jìn)路徑。如果在制品需要返修，則由工人需把在制品從生產(chǎn)線上取下，再由專門的運(yùn)載工具轉(zhuǎn)運(yùn)到返修工位。

　　工位LCD顯示界面如圖5所示。

圖5 工位LCD界面

　　2.2 示范效果

　　管理層實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，顯著地提供了該摩托車企業(yè)的生產(chǎn)效率(生產(chǎn)線的整體生產(chǎn)效率提高10％)，而因配件物料管理發(fā)生混亂和操作狀態(tài)混亂帶采的生產(chǎn)過程停頓或中斷次數(shù)降低弱60％。