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基于 RFID 的车间制造信息管理系统 研究与开发

发布时间:2023-01-03 13:26
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2论文研究背景 2
1.2.1我国制造业发展现状及趋势分析 2
1.2.2离散制造业特点 3
1.2.3我国离散制造业的信息化研究现状 4
1.2.4国内外RFID技术研究现状 5
1.2. 5离散制造过程管理问题分析 8
1.3论文研究目的及意义 9
1.4论文研究内容及论文结构 9
1.5本章小结 10
第二章射频识别RFID
2.1自动识别技术 11
2.1.1概述 11
2.1. 2自动识别技术分类与比较 11
2.2RFID系统的组成与应用 13
2.2.1RFID系统组成 13
2.2.2RFID系统应用介绍 15
2.3RFID系统的工作原理 16
2.4RFID在制造业应用模式 16
2.5RFID应用于制造生产的技术优势 17
2.6本章小结 18
第三章 系统需求分析 19
3.1生产管理特征及其信息管理系统特点 19
3.1. 1生产管理特征及发展趋势 19
3.1.2制造业信息管理系统特点研究 19
3. 2离散制造车间生产过程控制系统分析 21
3.3信息管理系统的可行性与必要性 23
3.3.1系统建设的必要性和可行性 23
3.3.2RFID在系统中的应用分析 24
3.4本章小结 25
第四章 系统设计 26
4.1系统整体框架和功能模型设计 26
4.1.1系统整体框架 26
4.1.2系统功能模型设计 27
4.2制造过程数据采集和处理方法 29
4.2.1RFID数据采集系统的设计 30
4.2.2制造过程数据处理方法 31
4.3系统开发软件介绍及数据库设计 32
4.3.1编程软件工具介绍 32
4.3.2数据库设计 32
4.4系统详细设计 37
4.4.1基础数据管理模块 37
4.4.2信息采集模块 37
4.4.3在制品管理模块 40
4.4.4订单跟踪模块 43
4.4.5仓库管理模块 44
4.4.6综合查询模块 44
4.4.7统计分析模块 45
4.5本章小结 45
第五章 系统实现 46
5.1引言 46
5.2系统运行实例 46
5.2.1用户登录 46
5.2.2基础数据管理 47
5.2.3信息采集 49
5.2.4订单跟踪 51
5.2.5库房管理 52
5.2. 6综合查询 53
5.2.7统计分析 53
5.3系统运行平台 54
5.3.1实验平台简介 54
5.3.2系统运行环境 56
5.3.3信息采集流程 60
5.4本章小结 61
第六章 总结与展望 错误!未定义书签。
6.1全文总结 62
6.2研究展望 62
参考文献 64
致 谢 67
在学期间的研究成果及发表的学术论文 68
图清单
图1.1 论文研究流程图 10
图2.1 RFID系统结构图 14
图2.2 RFID阅读器 14
图 2.3 RFID 标签 15
图2.4应用RFID技术的生产线 17
图3.1生产管理中的MES 21
图3.2 生产过程控制系统组成结构图 22
图3.3 系统功能模块图 23
图4.1 系统总体架构图 26
图4.2 MESA提出的MES功能模型 27
图4.3 ISA SP95功能模型 28
图4.4基于RFID车间制造过程 29
图4.5 数据采集和处理流程 30
图4.6 RFID系统应用架构图 31
图4.7部分实体E-R图 33
图4.8总体E-R图 33
图4.9 数据表间关系图 36
图4.10 标签闭环利用 38
图4.11 标签编码规则 39
图4.12 生产数据采集流程 40
图4.13 在制品转移图 41
图4.14 在制品状态监控流程图 42
图5.1 用户登录界面 46
图5.2 信息管理系统主界面 47
图5.3 基础数据管理界面 48
图5.4 工艺模块管理界面 49
图5.5 数据采集界面 50
图5.6 质量检验数据采集界面 51
图5.7 定单跟踪界面 52
图5.8 仓库管理界面 52
图5.9 生产进度查询界面 53
图5.10 统计分析界面 54
图5.11 仿真实验平台 55
图5.12 ZLG系列读卡器 55
图5.13贴有RFID标签的物料 55
图5. 14制造单元控制板实物图 56
图5.15 PIC18F458主控制单元 57
图5.16 系统通信结构图 58
图5.17 串口通信模块 59
图 5.18 RFID接口端口 59
图5.19 串行接口 59
图5.20 CAN总线控制单元 60
图5.21 读卡应答流程 60
表清单
表 2.1 自动识别技术 12
表 2.2 几种识别技术对比 13
表4.1 订单信息表 34
表4.2 零件信息表 34
表4.3 工艺路线表 35
表4.4 生产加工记录表 35
表4.5 仓库管理模块功能列表 44
表4.6 综合查询模块功能列表 44
表4.7 统计分析模块功能列表 45
表5.1 S50系列射频卡主要参数 57
 
缩略词
缩略词 英文全称 中文全称
MRP Material Requirements Planning 物料需求计划
MRP II Manufacture Resource Planning 制造资源计划
ERP Enterprise Resource Planning 企业资源计划
JIT Just In Time 准时制造生产
OPT Optimized Production Technique 最优生产技术
CIMS Computer Integrated Manufacture System 计算机集成制造系统
AM Agile Manufacturing 敏捷制造
MES Manufacturing Execution Systems 制造执行系统
BOM Bill of Material 物料清单表
RFID Radio Frequency Identi行cation 无线射频识别
API Application Programming Interface 应用程序接口
CRM Customer Relationship Management 客户关系管理
OPM Order Point Method 订货点法
MIS Management Information System 信息管理系统
CAN Controller Area Network 控制器局域网
AGV Automated Guided Vehicle 自动引导运输车
ARM Advanced RISC Machine 高级精简指令集处理
SPI Serial Peripheral Interface 串行外设接口
MCU Micro Controller Unit 微控制单元
 
第一章 绪论
制造业是国民经济和社会发展的物质基础,是国家综合实力的重要体现。随着科学技术的 进一步发展,特别是以数字技术和计算机技术为代表的信息科技的普及和飞速发展,当今世界 已迈入信息化的时代。那么,将制造业与信息化相结合,利用信息化技术带动传统制造业,已 是我国制造业发展的必然方向[1]。胡锦涛总书记在党的十七次全国代表大会上的报告中明确提 出:发展现代产业体系,大力推进信息化与工业化融合,促进工业由大变强,振兴装备制造业。 现如今,人们对产品的外观、质量、功能等的要求不断提高,需求的产品构造越来越复杂。反 映在生产制造上,就是需要记录的生产数据越来越多,因此生产企业要求处理的信息数量也越 来越大,速度也越来越快[2]。为了让生产管理者能够及时掌握准确可靠的信息,和在执行之后 能够给予真实的反馈,必须建立一个功能齐全和高效的生产管理信息系统。采用以高性能传感 器为基础,以计算机为主的技术设备,通过各种总线通信网络,与各种信息终端相连接,利用 完善的通信网,沟通各方面的联系,保证迅速、准确且及时地收集生产情况和下达指令。如何 在生产过程中实现信息高效的识别和获取;如何有效地利用这些信息;如何将上层的指令信息 迅速且准确地下达给底层设备;如何为公司的管理者和客户提供实时的车间制造生产信息。本 章将就这些问题展开论述,提出本论文的选题意义及主要研究方向。
1.1引言
随着世界经济一体化的进程,新一轮世界产业结构调整的推进和信息技术的飞速发展,企 业面临的市场竞争环境发生了本质性的变化,如顾客需求功能的多样化,技术革新不断加速, 产品生命周期不断缩短,市场竞争日益激烈等。中国的制造企业想要在现代市场竞争中立于不 败之地,必须要通过改进生产管理模式,提升自身的竞争力,快速响应客户需求,必须要实现 产品的“保质、保量、及时、有竞争力的价格、供货到位”[3]。而企业要增强产品质量提升和 快速响应市场的能力,势必要加强其信息化程度。企业要充分利用信息化技术,将产品需求信 息、客户信息、生产信息有机地结合起来,才能够实现对市场的实时反馈,生产出有竞争力的 产品。
企业是国民经济的基础,是实施信息化带动工业化的主体。企业信息化即应用先进的企业 管理理念,利用通行的计算机网络技术去管理企业现有的设计、制造、生产、管理和经营,时 刻为企业的“三层决策”系统(战术层、战略层、决策层)提供准确而有效的数据信息,以便 企业对市场需求做出迅速的反应,其本质其实是加强企业的“核心竞争力”[4]。在企业生产中, 产品制造过程是将原材料或半成品转变为成品的全部过程。它包括产品决策、分析、设计、毛 坯制造(在锻压车间或铸造车间进行)、零件的机械加工、零件的热处理、机械装配、产品调试、 检验和试车、油漆包装等一系列相关联的劳动过程的总和[5]。企业的产品制造过程是整个企业 参与市场竞争的基础,是决定企业竞争力的关键。因此,车间制造过程管理的信息化在企业信 息化过程中具有举足轻重的作用和地位,是实现企业信息化的重要一步。
1.2论文研究背景
制造业信息化就是用计算机信息化技术装备制造企业。制造业信息化的内涵是将信息技术、 自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合,带动产品设计方法和理论的革新、企业管理模 式的革新和企业间合作关系的革新,实现产品制造信息化、生产制造过程智能化、制造装备数 控化,全面提升企业的核心竞争力[6]。
随着制造业信息化程度地加深,生产管理发生了重大变革,生产管理理论也不断革新,具 有代表性的如物料需求计划(Material Requirements Planning, MRP)、制造资源计划(Manufacture Resource Planning, MRPII)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)、准时制造生产 方式(Just In Time, JIT)、最优生产技术(Optimized Production Technique, OPT)、计算机集成制 造系统(Computer Integrated Manufacture System, CIMS)、敏捷制造(Agile Manufacturing, AM) 等相继出现。MRP、ERP等更多地从企业的计划性上管理,缺乏对车间生产的管理和控制。为 了改善生产计划的生产车间适应性和底层信息流动性,提升生产作业计划的实时性,学者们提 出了制造执行系统(Manufacturing Execution Systems, MES)的概念。目前,制造业信息化发生 了很大变化,发展态势是:集成和协同是制造业信息化发展的主旋律;绿色制造成为制造业信 息化发展的重要特征;智能制造加速了制造业信息化的发展;网络化制造加快改变了企业的运 作方式[7-9]。
在实现制造业信息化过程中,首要解决的是如何采集生产现场大量数据的问题,只有将生 产过程中的大量现场数据完整、及时的传送到数据中心,才能实现对车间设备,制造过程,生 产计划等的实时监控和管理。由此可见,准确、实时的数据采集及其管理系统在MES中起着 极其重要的作用,是企业信息化的重要基础。
1.2.1我国制造业发展现状及趋势分析
目前中国制造业正迅速崛起,类似于二次工业革命时的美国和20世纪60年代的日本,中 国正逐步成为世界制造中心。当前,随着以互联网为代表的计算机和网络技术的深入运用,制 造技术也从以机器为特征的传统制造,向与信息化技术结合的新制造模式迈进。制造业信息化 已是大势所趋,被广泛认同为是提高制造企业竞争力的必要方式。
随着我国信息化的进程,特别是在市场经济影响下,企业管理机制、组织结构及市场行为 的巨大转变引发了对先进管理模式、管理思想以及管理手段的需求。制造业需要通过信息化技 术提升自身的管理水平和市场竞争力。从国际经济发展形势看,实施信息化可使制造业应对经 济全球化的巨大挑战,提高我国制造业的国际竞争力;从国内经济发展形势看,实施信息化是 以信息化带动工业化,促进传统产业结构调整和优化升级的必然选择[10]。我国制造业信息化建 设还处于初级阶段,有很多中小企业尚不具备利用现代信息技术处理信息的能力,虽然不少企 业己经使用了 ERP系统,但是实际应用情况并不乐观,在已拥有信息系统的企业中,其信息系 统的业务功能、系统功能还不够完善,信息资源的整合能力还相对薄弱。信息系统软件开发不 够成熟、功能僵化、运行不稳定也极大地影响了企业信息化的建设。
1.2.2离散制造业特点
随着科技水平的飞速发展,当今社会的产品需求已经进入一个多样化的时代。客户需求日 益多样化和个性化,已促使企业越来越多地选择多品种小批量的生产方式。
多品种小批量生产最大的优点就是能够灵活地适应市场变化、较好地满足用户多样化个性 化的需求,增强企业的市场竞争力。但另一方面由于品种规格较多、工艺离散程度较高,这种 模式下的生产管理与组织难度极大。伴随着市场竞争的日益激烈和客户需求周期的日趋缩短, 有必要对多品种小批量的离散制造方式下的生产管理进行专门的研究[11-12]。
相比于流程制造工业,离散制造业的生产过程管理要更加复杂。离散制造业主要具有如下 特点:
(l)产品结构复杂 离散型制造企业的产品结构复杂,零部件较多,其产品一般是由固定个数的零件或部件构 成,这些零部件之间关系明确并且固定。
(2)工艺流程复杂
20 世纪 80 年代中期,随着客户对产品需求多样化的转变,制造企业的生产模式也开始由 少品种大批量的刚性生产向多品种小批量的柔性生产转变。因此,制造生产设备的布置也由按 产品布置转变为按工艺布置。例如,按车、铣、刨、磨、钻等工艺过程,或者按照典型工艺流 程来安排机床的位置。每个产品的工艺流程可能都不一样,而且可以进行同一种加工工艺的机 床有多台,因此,车间生产对工艺水平要求较高,需要进行物料的合理调度以及半成品的搬运。
(3)自动化程度低 正是由于离散制造生产的工艺流程复杂,产品的质量和生产率基本上依赖于工人的技术水 平,自动化也主要集中在单元机上,例如数控机床、柔性制造系统等。因此,离散制造业的自 动化水平还相对较低。
(4)生产调度复杂 由于典型的离散制造业企业主要从事单件小批量生产,产品的工艺流程经常变更,并且, 对于某件具体的产品,常常存在几种实现路径可以选择,因此额外地增加了生产调度和协调的 复杂性[13]。
由以上分析可知:离散制造业中,多品种小批量生产由于品种规格较多、工艺流程复杂, 生产管理和组织的难度极大,这就迫切需要一个能满足实际生产需求的信息管理系统。
1.2.3我国离散制造业的信息化研究现状
最近十多年来,国家相关部门积极部署了一系列国家重点科技项目,极大地促进了我国制 造业信息化技术的发展与应用。然而由于我国工业化起步较晚,制造业总体水平与发达国家相 比仍存在很大差距。随着制造业竞争环境和发展空间的扩大,用信息化技术提升制造业的竞争 力水准已经成为我国制造业发展和参与国际竞争的必然选择。
由于市场竞争更加激烈,客户需求多样化和个性化发展,离散制造生产方式越来越趋向于 面向客户订单的准时化生产方式,这些变化都使得离散制造具有小批量、多品种、生产流程复 杂且不易确定、实时性要求高等特点。如何在依据客户个性化的需求,实时准确地掌握库存状 况、生产设备的使用状态等情况的基础上,来实现生产制造的准时化、准确化和管理的精细化, 己成为离散制造业的研究和发展方向[14-16]。目前,离散制造业信息化的理论研究和应用成果主 要集中在车间自动化和企业管理信息系统两个方面。
在车间自动化方面,主要实现了离散制造企业中基于控制器的生产制造设备控制系统和基 于网络的车间整体控制系统。
在企业管理信息系统方面,研究热点是企业资源计划ERP系统,它是由MRP/MRPH发展 而来,主要功能是在统计分析库存、生产设备、原材料和人员等生产资源信息的基础上,按照 订单制定生产计划。决定ERP系统性能的重要指标之一是资源信息统计的准确性[17]。
目前车间控制系统主要集中在生产设备的控制上,而无法对库存、原材料、在制品、工作 人员等现场生产相关资源进行精确跟踪和控制。另外由于离散企业生产过程的复杂性,很多ERP 系统也无法对生产过程进行实时的信息采集和信息管理,因此,上层ERP系统与底层车间控制 系统之间存在一定的信息断层。
MES 作为车间控制系统与生产计划系统之间的桥梁,能够实现车间和企业等各类信息在
MES 层中的融合与处理,并通过信息集成手段来形成优化控制、优化调度和优化决策等的判断 或指令。MES—方面能够将企业计划层的生产计划信息和工艺流程等生产指导信息下达到制造 现场各工位;另一方面又能实时地采集和处理生产数据并提交至计划层。然而,我国离散制造 业 MES 方面的研究和应用还相对较少,其主要原因是离散制造企业车间管理繁杂,管理水平 比较低,制造现场的数据采集和处理手段较为落后,还无法实现对生产过程和生产资源进行实 时准确地识别和跟踪,不能满足MES在质量监控、车间作业调度和生产过程控制等方面的要 求[17-19]。
我国离散制造企业信息化建设水平目前只处于一般事务处理和简单生产信息管理阶段,主 要存在以下问题:
(1)缺乏有效的信息系统集成。当前,我国离散制造业没有将多个信息管理系统进行有效 集成,各个信息系统都独立工作,没有实现信息共享。离散制造车间内出现了工艺管理、数据 采集、生产调度、过程监控等一些相互独立的系统,这些系统之间缺乏数据共享,从而出现功 能重叠、数据矛盾等一系列问题。由此造成了车间制造信息在水平方向阻断,所带来的后果是 严重地制约着车间内各系统间的协调,阻碍了各系统的发展,降低了离散制造业信息化的整体 作用。
(2)制造过程信息断层。制造过程管理主要包括生产统计、生产作业计划调度,人员调配、 在制品管理,质量控制,在制品加工进度的跟踪与控制等内容。由于企业的业务管理系统无法 得到实时准确的生产现场信息,无法把握生产车间的真实情况,制定计划的准确性和可行性难 以得到保证。所以,实时跟踪和订单生产监控,实现信息的实时传递已经成为每个企业关注的 重点。
(3)缺乏实时有效的数据采集手段。正是由于我国离散制造业自动化程度较低,数据采集 手段落后,导致了信息采集缺乏实时性和准确性,从而无法给企业计划层提供实时准确的数据, 影响了企业生产计划的制定。因此,利用先进的数据采集手段对生产过程中的现场数据进行采 集和处理,是实现实时跟踪和订单监控的关键。
124国内外RFID技术研究现状
离散制造业中,企业管理水平大多较为落后,很多生产现场数据仍然是手工采集,这种数 据采集方式效率比较低下,准确性也不高,并且存在一定的滞后性,而无法实现实时跟踪。目 前,在生产过程数据采集方面的研究主要是集中在条形码技术和无线射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术。
RFID技术是一种近些年才兴起的数据采集技术,同时也是目前最受重视的自动识别和数 据采集技术。射频是上世纪90年代兴起的一种自动识别技术,它的基本原理是利用射频传感信 号和空间藕合传输特性,实现对标识物体的自动识和跟踪。射频技术具有精度高、适应环境能 力强、抗干扰性强及可重复利用等诸多优点,目前己被广泛应用于商业自动化、工业自动化和 运输控制管理等众多领域[20-23]。
(1)国外RFID技术研究现状
国外在 RFID 技术方面的研究较早也比较成熟。美国、德国、英国、瑞典、日本、瑞士、 南非等发达国家目前均有比较成熟且先进的RFID系统。在这些应用系统中,低频近距离RFID 系统主要是 125kHz 和 13.56MHz 系统;高频远距离 RFID 系统主要是 UHF 频段(即 902MHz- 928MHz)915MHz、2.45GHz和5.8GHz。其中UHF频段的RFID应用系统在北美已经得到了很 好的发展;而欧洲的射频应用则以有源的2.45GHz系统为主。5.8GHz射频系统在日本和欧洲 都有较成熟的有源RFID系统。预计在未来的五到十年中,RFID的应用领域会从工商业、零售 业、移动跟踪、安全管理延伸到供应链管理、医药医疗、国防等领域。
从国际范围来看,美国是全球最大的射频技术应用国。美国已经在 RFID 标准的设定、相 关技术的开发及RFID应用领域走在了世界的前列。目前,美国的交通、身份识别、车辆管理、 仓储管理及生产线自动化控制等领域已经开始使用RFID技术。物流方面,包括沃尔玛、宝洁、 强生等在内的100多家企业承诺应用RFID。美国政府积极推动RFID技术的应用。美国食品及 药物管理局(FDA)建议全国的制药商从2006年起利用RFID来跟踪易造假的药品;美国社会福 利局(SSA)在2005年年初开始使用RFID技术追踪SSA的各类文件手册[24]。在RFID产业方面, 目前Intel、TI等美国的集成电路厂商都在积极投入RFID领域相关芯片的开发。
欧洲的RFID应用标准紧随美国主导的EPCglobal标准。在系统应用方面,欧洲和美国基 本处于同一阶段。在 RFID 产业方面,欧洲的例如 Philips、STMicroelectronics 等厂商在积极开 发廉价的 RFID 芯片。在实际应用方面,欧洲在交通、身份识别、仓储管理及生产线自动化控 制等领域与美国基本处在同一阶段。而且目前,欧洲众多大型企业纷纷在进行RFID的应用实 验。
在瑞士,国家铁路局全国所有旅客列车上安装了 RFID自动识别系统,这样调度员可以实 时掌握整个火车的运行情况,既利于管理,又极大地减小了事故发生的可能性;德国的BMW 公司将RFID自动识别系统应用于汽车整车生产线的生产过程控制中。英国在应用RFID项目 数量上位居世界第二。英国航空公司正在进行RFID的实验计划,使用某些智能型的RFID在 扫瞄射频卡的同时改变该卡的记录内容,而无需重新换贴另一个新标签,旅客报到也不再需要 用扫瞄条码器,这样可达到简化流程的好处。
日本虽然已经提出RFID方面的UID标准,但主要是本国厂商的支持,想成为国际标准还 要走很长的路。日本是一个制造强国,研究电子标签时间也较早,政府也大力发展RFID技术。 日本的新东京国际机场从2001年10月起,开始进行行李箱加附RFID的试验;2004年7月, 日本的经济产业省METI将RFID应用于七大产业:消费电子、音乐、书籍、服装、制药、建 筑机械和物流。从日本最近研究RFID相关产业的动态来看,同行业相结合的基于RFID的产 品及其解决方案正集中出现,这RFID在日本各行业应用的推广奠定了坚实的基础。
韩国政府也高度重视RFID产业的发展,但到目前为止,韩国在RFID标准的建立上仍模 糊不清。韩国主要是通过国家的长期发展计划,再同企业合作来推动RFID的发展,主要是由 产业部和通信部来推动RFID的发展。韩国在2004年3月提出IT839计划以来,RFID重要性 又进一步加强。虽然目前RFID在韩国没有得到太多的应用,但值得关注的是在韩国政府高度 重视下,众多关于RFID的应用实验已经展开。与日本类似,韩国也出现了将RFID进行开放 系统测试。在2005年3月,韩国政府耗资7.84亿美元建立RFID研发中心,主要进行电子标 签技术包括射频卡研发以及生产,用于帮助韩国企业确立在世界RFID市场上的地位。
澳大利亚将RFID产品应用于机场旅客行李箱的管理,发挥了出色作用,并在各领域中使 用,如在图书馆标识图书,在医院标识患者及储药等。澳大利亚还有别于其他国家的一点是: 法律要求必须对家养牲畜、赛马等进行标识。他们在食品相关行业也进行了应用,例如标识鱼 类产品、番茄等[25-30]。
(2)国内RFID技术研究现状
中国是最近几年才引入的RFID技术。政府在1993年制定了一个金卡工程实施计划,是旨 在推动我国国民经济信息化进程的国家级工程,此后各种自动识别技术试验与应用发展十分迅 猛。进入21世纪,RFID产业受到了政府部门和相关研究机构的高度重视,各类支持政策逐步 出台,支持力度也逐步加大;同时政府也大力推动RFID在各行业的应用。2004年RFID在中 国已经有了实际的应用。
关于射频卡技术研究和产品开发方面,我国已经能够自主研发低频、高频及微波RFID电 子标签和读写器的技术能力以及系统集成能力。我国与国外先进RFID产品研发方面的差距是 芯片开发。尽管在标签芯片设计及开发方面不够成熟,但国内还是有多个成功的低频RFID标 签芯片面市。目前国内在RFID方面的应用主要集中在低频阶段,特别是13.56MHz的RFID标 签及其应用系统,在国内已得到了广泛应用[31-33]。
在身份识别方面,RFID电子标签可以嵌入到身份证、工作证、护照等各类证件中,用于 人员的身份识别,也是目前RFID技术应用最成熟的领域之一。在国内这方面的主要应用有: 第二代居民身份证,这可以说是国内最大的应用RFID的项目之一;共青团中央青年卡;在校 学生购票优惠卡等。
在公共交通管理方面,是国内应用RFID技术最早,也最成功的领域之一。目前为止,国 内应用主要涉及有电子车票和不停车收费等。在不停车收费系统中,特别是在高速公路自动收 费的应用上,RFID技术可以解决原来管理混乱、收费繁琐以及停车排队引起的交通拥堵等诸 多问题。这方面的应用要求电子标签能够远距离、快速识别,所以多使用工作在UHF或微波频 段的标签。典型应用有:国内许多大城市(如北京、上海),使用RFID电子标签作为地铁、公 交的电子车票;深圳在车流量极大的皇岗海关和文锦渡海关,使用了 UHF频段的射频系统来提 高其工作效率。另外,许多城市都正在建设应用RFID技术进行高速公路上的不停车收费管理 系统。
在物流管理方面,这是RFID技术应用的另一个重要领域。RFID系统可以对物流整个过程 进行监控和管理,确保物品在运输过程中不被误送,减少物流成本,提高运输效率。另外,由 于 RFID 技术具有防伪特性,可以对特殊物品(如危险品)物流管理进行严格控制。典型应用有: 邮局邮包分拣;烟花爆竹管理;液化气钢瓶管理等。
在国内,不同频段的射频系统发展很不均衡:13.56MHz电子标签发展较为成熟,应用广 泛,也正在向更多的领域发展;UHF频段电子标签的应用还处于刚起步阶段,这与国内目前的 市场需求有关[34]。在身份识别、防伪和电子票据等领域,需求特点是工作距离近、有一定安全 加密要求、成本要求不太高,这些都是13.56MHz电子标签应用的领域,也是其发展较快的原 因。在商业供应链管理、不停车收费、仓储管理等领域,需求特点是工作距离远、快速识别、 成本要求较高,这些领域都将是UHF、微波频段电子标签的应用领域,但由于技术、成本等各 方面原因,这方面射频技术的发展还较慢。
1.2.5离散制造过程管理问题分析
对于离散制造业的制造执行系统及其数据采集问题,国内外很多学者和研究机构进行了相 应的研究,但是我国离散型制造业MES系统的应用尚处在初级阶段。离散制造业自身的行业 特性以及离散制造企业内部管理和信息技术落后决定了底层数据的采集具有一定的难度。由于 车间制造设备的种类繁多,先进设备和老式机床并存,机床之间的通讯接口并不一样,造成了 大多数设备与信息化系统集成较为困难,一般的生产现场数据采集手段很难满足MES的应用 需求。另外,由于大部分离散制造企业是面向订单生产,生产过程中时有出现临时插单、材料 短缺等问题,因此生产作业计划的变更非常频繁,而且重点设备制造周期将决定了产品的生产 周期[35-37]。
我国离散制造业生产制造过程管理面临的主要问题有:
(1)针对离散制造业特点,尚无完整、系统的制造过程管理系统解决方案以及成熟的软硬 件产品。
(2)生产过程数据采集实时性差。作为面向车间生产过程的实时信息系统,实时性是系统 功能的基本体现。然而目前在国内,大多数离散车间的生产过程现场数据主要依靠人工收集和 管理,通常是通过纸张来记录生产信息,等到将所有信息收集完成后,再把数据送至车间管理 层,录入计算机,导致生产数据具有明显的滞后性,而且难以保证准确性,效率低下,反应不 了当前的生产状况。
(3)集成性还有待解决。由于工厂数据模型的不统一,MES与企业其它生产相关的信息系 统之间缺乏必要的集成,由此导致作为企业计划层和底层控制层桥接作用的MES将无法充分 发挥其功能。
因此,离散型制造业车间制造过程信息管理系统的开发和应用重点有以下三个方面:
(1)制造过程管理功能:包括数据采集和处理、作业计划与动态调度、制造过程跟踪、物料 管理、质量管理等方面。
(2)与条码、RFID等信息采集设备集成。
(3)与其他信息管理系统集成。
1.3论文研究目的及意义
通过以上分析,我国离散制造企业面临激烈的国内外市场竞争,将制造技术、信息技术及 现代管理技术有机融合是提升竞争力的最佳选择。当前,以ERP为代表的计划层信息管理系统 和以过程控制系统PCS为代表的自动化控制系统,已为制造业大规模应用,但忽略了两者之间 的有效配合,这使得两种系统无法进行信息交互,因此,面向车间的制造过程管理系统是解决 这一问题的有效选择。
针对国内离散制造业生产现场信息采集实时性、可靠性差,以及与计划层沟通困难的问题, 本论文研究了一种基于RFID的车间制造过程信息管理系统。论文在研究了面向离散制造业生 产执行系统的基础上,分析生产车间过程控制系统整体框架和功能模块,建立了一整套适合离 散型制造业车间生产过程控制的信息管理系统。
多品种小批量生产最大的优点是能够灵活地适应市场变化、较好满足用户多样化需求,增 强企业的市场竞争力。但由于品种规格较多、工艺离散程度高,该模式下的生产组织与管理难 度极大。伴随着客户需求周期的日益缩短,十分有必要对多品种小批量生产方式制造管理进行 专门研究。迫切需要一个能够满足实际要求的生产信息管理系统。
当前,条码技术是离散制造业中应用最为广泛的自动识别技术之一,在改善库存管理、改 进售后服务、满足客户要求和节约劳动力方面起着重要作用。但在制造过程中的自动对象识别、 数据自动采集和环境要求等方面,条码技术就存在明显不足。RFID技术凭借其具备非接触式 读写、自动对象识别等功能,能够弥补条码应用的不足。并且,目前有大量的RFID产品能够 适应离散制造业生产环境,为RFID技术应用于离散制造业奠定了基础。因此,研究基于RFID 的离散制造业制造过程应用模式具有重要的实用和学术意义。
1.4论文研究内容及论文结构
针对离散制造行业特点,研究信息采集的研究与应用现状,发挥RFID技术在数据采集、 和数据存储方面的优势,研究RFID在离散制造业生产过程应用模式,提出一种基于RFID制 造过程管理系统应用方案,开发出一套基于RFID车间制造过程信息管理系统。
本文各章节的内容如下: 第一章:绪论。介绍论文研究的背景,研究的目的及意义和研究内容。 第二章:射频识别RFID技术介绍,研究分析了现有数据采集现状,介绍了 RFID在信息 采集方面的优势,提出了 RFID在制造业应用模式及其关键技术。
第三章:对信息管理系统进行需求分析,对制造业信息管理系统特点进行研究,在离散制 造业实施制造过程信息管理系统的必要性与可行性进行详细分析。
第四章:对信息管理系统进行整体框架设计和功能模块详细设计。
第五章:系统实现,对设计出的系统进行实例验证。
第六章:总结与展望
本文以信息化在多品种小批量的离散制造业的实施为切入点,研究了此类型企业如何基于 生产制造实施信息化,如何设计信息系统的功能模块。论文首先对国内外离散制造企业信息化 的研究成果进行总结,分析了我国离散制造业信息化存在的问题,阐明了实施信息化的方法模 式深入研究的必要性和可行性。第二章对实现制造过程信息化的关键技术,即RFID技术进行 了详细介绍,充分利用RFID技术在数据采集方面的优势,提出在离散制造业生产过程控制方 面RFID的应用模式。第三章对基于RFID车间制造过程信息管理系统实施的必要性与可靠性 进行详细论述。第四章和第五章给出了信息管理系统的设计原理和方法,设计了信息管理系统 的整体框架和和功能模块,并在实验平台实现。最后,对全文进行总结,并对实施信息管理系 统的优势与不足提出观点。论文具体的研究流程如图1.1 所示:
 
图1.1 论文研究流程图
 
1.5本章小结
本章分析了离散型制造业的特点及其信息化现状,然后对比了国内外生产过程管理方面研 究现状,在此基础上分析了现有研究中存在的问题,介绍了本文的研究目的和意义,最后介绍 了本文的主要研究内容和论文结构。
第二章 射频识别 RFID
射频识别(RFID)技术是近年来随着无线电技术和大规模集成电路的普及应用而出现的一 项先进的自动识别和数据采集技术,使用RFID技术,可以利用无线电波对人、动物和货物等 被识别对象进行高效率的自动识别。RFID的基本原理是利用阅读器与电子标签之间的电磁耦 合来实现数据通信,从而达到对电子标签及其所代表的对象进行识别。RFID技术具有存取速 度快、空间大,使用寿命长和安全性高等众多优点。RFID技术的应用系统开发涉及多学科、 多领域的知识。现今,RFID技术已广泛应用于众多领域。
2.1自动识别技术
2.1.1概述
自动识别技术是将数据自动采集和识读,并自动输入计算机的重要方法和手段。近二三十 年来,自动识别技术在全球范围内得到了迅猛发展,初步形成了一个涵盖条码识别技术、射频 识别技术、生物特征提取技术、图像识别技术以及磁识别技术等的集计算机、光、电、通信和 网络技术为一体的高技术学科。
自动识别技术的崛起,为计算机提供了快速、准确地进行数据采集和输入的有效手段,解 决了计算机通过键盘手工输入数据速度慢、容易出错的难题,因而自动识别技术作为一种高新 技术,正迅速被人们所接受。
2.1.2自动识别技术分类与比较
自动识别技术根据识别对象特征可分为两大类:数据采集技术和特征提取技术。数据采集 技术的基本特征是要求被识别对象具有特定的识别特征载体(如标签);而特征提取技术则根 据被识别对象本身的特征(包括静态的、动态的或属性的特征)来进行数据的自动采集。自动 识别技术分类如表2.1 所示[38-40]。
表2.1 自动识别技术
数据采集技术 特征提取技术
光存储器 电存储器 磁存储器 静态特征 动态特征 属性特征
光 标 阅 读 器 条 形 码 光 学 字 符
识 别 触 摸 式 存 储 射 频 识 别 存 储 卡 磁 条 非 接 触 磁 卡 磁 光 存 储 等 视 觉 识 别 能 量 扰 动 识 别
其 它 感 觉 特 征 化 学 感 应 特 征 物 理 感 应 特 征 生 物 感 应 特 征
目前在自动识别方面,应用最广的是条形码、存储卡和射频识别技术。下面将就这三种技 术进行介绍与比较。
(1)条形码技术
条形码(barcode)是将不等的多个黑条和空白,按照一定的编码规则排列,用以表达一组 信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条和白条排成平行线图案。宽窄不 同的线条和间隔的排列次序可以解释成数字或者字母,它可以进行光学扫描阅读,即根据黑色 线条和白色间隔对激光的不同反射来识别。条形码可分为一维条码和二维条码两种形式。条形 码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类 别等许多信息,因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的 应用。
条码自动识别技术解决了应用计算机采集数据的瓶颈问题,实现了快速、准确地获取和传 输信息,是信息管理和自动化管理的基础。在制造业中,条码技术在生产过程控制方面发挥了 重要作用。国内一些研究将条码技术应用于MES的信息采集和管理系统中,对车间的生产管 理、生产调度、质量管理等提出了初步的解决思路。
条形码具有制作扫描简单、信息采集速度快、可靠性高、灵活实用、自由度大、成本低等 众多优点,适用于大量需求并且数据不必更改的场合,例如商品包装上。但是,条码比较容易 磨损,并且其数据存储量很小,而且只对一种或者一类商品有效,也就是说,同样的商品具有 相同的条码。
(2)存储卡技术
存储卡识别技术分为两种,即磁卡技术和IC卡技术。
磁卡采用磁存储识别方式,而IC卡采用电存储识别方式。磁卡应用了物理学和磁力学的基 本原理。其优点是数据可读写,即具有现场改写数据的能力;存储容量能满足大多数要求;成 本低廉。因此,磁卡被广泛应用于各个领域,如信用卡、银行卡、机票、公共汽车票、自动售 货卡、现金卡等。但是,由于是接触识读,灵活性较差。
IC 卡内部有集成电路,采用电存储识别。其优点是安全性高、存储容量大、防磁、抗干扰 能力强、使用寿命长。应用较为广泛,如电话IC卡、手机SIM卡、智能水表、智能电表等。 但是,由于其价格较高,并且用于工作的触点暴露在外面,有可能因为人为原因或静电造成卡 的损坏。
(3)射频识别 RFID 技术
射频识别(RFID)和IC卡类似,数据存储在一个电子数据承载设备中。但和IC卡不同的 是,数据承载设备和阅读器之间的电源供应和数据传输不是基于接触的电流方式,而是基于磁 场或电磁场的方式。
RFID 技术的基本原理是电磁理论。其优点是非接触识别,识别距离比光学系统远,电子 标签具有可读写能力,可携带大量数据,难以伪造和智能性高等。
通过以上介绍,我们可以比较下条形码、磁卡、IC卡、RFID卡的性能,如表2.2所示。
表 2.2 几种识别技术对比
系统参数 条形码 磁卡 IC卡 RFID 卡
信息载体 纸、塑料薄膜 磁性物质 EEPROM EEPROM
典型数据量
(Byte) 1 〜100 1 〜100 16K〜64K 16K~64K
读写性能 只读 读/写 读/写 读/写
污染和潮湿影响 很高 很高 可能 不影响
退化和磨损 有限 有限 不影响 不影响
成本 较高
安全 一般
识别速度 很快 很快
识别距离 接触 接触
使用寿命 一次性 很长
 
2.2RFID系统的组成与应用
2.2.1RFID 系统组成
典型RFID系统主要是由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件四个部分构成, 一般把中间件和应用软件统称为应用系统,如图 2.1所示。
 
 
图2.1 RFID 系统结构图
阅读器在 RFID 系统中扮演着重要角色,它主要负责与电子标签的双向通信,和接受来自 主机系统的控制指令。阅读器的工作频率决定了 RFID系统的工作频段,其功率大小决定了射 频识别距离长短,它是整个RFID系统信息控制和处理的中心。
阅读器由负责收发信号的射频接口、负责处理信号的逻辑控制单元和负责转换信号的天线 三部分组成。如图 2.2所示。
 
图 2.2 RFID 阅读器
RFID电子标签又称射频卡,由IC芯片和天线组成,它是射频识别系统的数据载体。系统
工作时,阅读器发送查询信号,标签收到查询信号后将一部分信号整流为直流电源供电子标签 内部电路工作,另一部分信号则被标签内保存的数据信息调制后反射给阅读器。
电子标签通常由天线、电压调节器、调制器、解调器、逻辑控制单元和存储单元这几个模 块组成。如图 2.3 所示。
 
图2.3 RFID标签
RFID 中间件是一种独立的系统软件,它是电子标签和应用程序的中介。从应用程序端使 用RFID中间件提供的通用的应用程序接口(API),就能连接RFID阅读器,读取电子标签数 据。这样,即使数据库软件或后端应用程序修改,或者RFID阅读器类型增加等情况发生时, 应用端也不需修改就能处理,解决了多对多连接维护难的问题。RFID中间件主要具有四个功 能:协调控制阅读器,数据过滤与处理,数据路由和进程管理[41-44]。
RFID 应用系统软件是针对特定行业的特定需求而开发的应用软件,它可以有效控制阅读 器对电子标签信息的读写,并且对采集到的信息进行集中处理。它可以集成到现有的电子商务 平台中,与ERP、CRM等系统相结合以提高企业的生产效率。
2.2.2RFID 系统应用介绍
由于RFID在自动识别方面具有无可比拟的优势,RFID在众多领域都有着广阔的发展前景。 RFID系统的应用已经有了较长的历史,随着数字信息技术在各行业的广泛推广和RFID技术在 安全性和成本方面的进展,各行业重点开展RFID系统应用相关项目。
应用RFID系统可分为以下几个步骤:系统应用分析,设置RFID系统的相关技术参数, 设置运行环境与接口方式,选择合适的RFID设备。
要实施RFID系统,首先要进行得是系统应用分析。在项目实施之前,先明确需要应用RFID 来数据采集的设备、人员、工件等。只有明确需要应用RFID的对象,才能够根据对象的功能 需求来选择合适的RFID参数与设备。同时也能避免RFID应用的不足与冗余,真正提高企业 的生产效率。
第二步是设置RFID系统的相关技术参数oRFID系统的相关技术参数涉及三个方面:标签、 阅读器和系统。标签的技术参数包括电子标签的能量要求、数据传输速率、工作频率、存储容 量以及封装形式。阅读器的技术参数包括阅读器的工作频率、发射功率和接口形式。系统的技 术参数则包括系统的作用距离、多标签同时识读性以及集成性。
第三步是设置运行环境与接口方式。运行环境较为宽松,计算机平台系统可以是Windows、 Linux、UNIX和DOS等。接口方式包括RJ-45以太网接口、串口、RS-485接口、802.11标准 接口等。与接口方式配套的接口软件可对设备进行测试,生成一定格式的数据文件,供用户分 析使用。
最后是对RFID设备选型。根据以上对RFID系统参数的分析和接口方式的设计要求,选 择合适的 RFID 射频卡及读卡器。
2.3RFID 系统的工作原理
RFID 系统的工作原理是:阅读器通过发射天线发送给定频率的射频信号,有电子标签进 入有效工作区域后便会产生感应电流,获得能量后被激活,电子标签便将自身的编码信息通过 内置射频天线发射出去;阅读器的接收天线接收到从电子标签发送来的调制信号,经调节器传 送至阅读器信号处理模块,经解调后将数据信息送至主机系统进行相关处理;主机会根据逻辑 运算识别该标签的身份,对不同的信息做出相应处理和控制,最后发出指令信号控制阅读器完 成各种读写操作。
从电子标签与阅读器之间的通信感应方式来看,RFID系统可分为两大类:电感耦合 (Inductive Coupling)系统和电磁反向散射耦合(Backscatter Coupling)系统。电感耦合依据了电磁 感应定律,而电磁反向散射耦合应用了雷达原理,电磁波碰到目标后反射,同时携带回了目标 信息,依据的是电磁波的空间传播规律[45-50]。
电感耦合方式适用于中、低频近距离射频识别系统,典型工作频率是125kHz、225kHz和 13.56MHz。采用电感耦合方式的识别系统作用距离比较短,一般小于一米,典型作用距离为 10~20cm。
电磁反射散射耦合方式一般适用于高频、微波远距离射频识别系统,典型工作频率是
433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。识别距离大于一米,典型作用距离为4〜6m。
2.4RFID 在制造业应用模式
随着我国国民经济的持续稳定发展,我国已进入制造业大国行列。工业化生产大规模引入 流水线生产方式,但进入二十一世纪以来,只少品种大批量生产已不再适应消费需求。现在更 多的是要求多品种小批量生产,这样需要记录的信息繁多,利用RFID采集生产信息便应运而 生。
将RFID应用于生产制造业,可充分发挥其在质量控制、系统安全、数据安全、灵活多变 性、恶劣条件可用性的技术优势。
一个产品的加工流程可分为若干道工序,而一个加工单元只完成其中一道工序,在加工过 程中只重复一个简单操作。生产过程中的加工单元通过一条主导轨相连,如图2.4所示,被加 工的物料在主导轨上传递,形成生产流水线。主导轨在各加工单元处分出支导轨,供物料进出 各加工单元。物料由主导轨自动传至各工作单元,通过安装在主导轨上的RFID阅读器,检测 物料或托盘上的电子标签识别物料,并根据物料的工序路径让物料到达正确的工作单元加工。
 
图2.4应用RFID技术的生产线
硬件系统主要由三部分组成:主控计算机、电气控制系统和操作终端。主控计算机负责整 个系统的管理调度;电气控制系统主要电气系统的基础控制。软件系统则以数据库作为核心。 数据库系统可以提供对生产过程各种数据的实时存储、管理、查询、报警、分析和统计等功能, 为物料配送及监控系统提供强有力的支持。另外,还可以查询生产过程中产生的历史数据,为 追踪统计分析提供支持。
系统中RFID智能操作终端具备总线接口,主动识别物料,人机交互等功能。可实现与主 控计算机协调作业指令,收集并上传加工现场信息,实时显示加工单元工作状态。
2.5RFID应用于制造生产的技术优势
RFID正在进入制造过程的核心,它有其独特的技术优势。工厂车间通过采用RFID技术, 制造商可以实时获取RFID采集到的加工现场信息,与企业的工业控制系统相协调。从而达到 不需要更新现有的MES,就可以发送可靠的实时信息,提高生产率。
RFID在制造业中的影响是极为广泛的,包括了信息管理、制造执行、质量控制、标准符 合性、跟踪和追溯、资产管理、仓储管理以及生产率等[51-53]。
(1)制造信息实时管理 生产线及时且准确的反馈信息对企业管理者是十分重要的。以往只能等生产结束后,统计
生产信息,费时费力且不精确。若使用RFID系统,当带有电子标签的产品或托盘经过阅读器 时,标签内的信息将实时反馈到后台管理系统中,企业管理者就能够及时了解生产线的工作情 况。将RFID系统和现有制造信息系统如MES、ERP等相结合,就可以建立更为强大的信息链, 以便实时传送现场数据、增强生产力和提高生产效率。
(2)灵活的制造管理
RFID 提供的不断更新的实时数据流,再结合制造执行系统,就可以保证正确使用劳动力、 机器、工具和部件。有了这种及时且准确的信息管理,无纸化生产就变成了可能,并且,还可 以大大降低生产线停机的概率,提高生产效率。
(3)制造执行和质量控制
为支持精益生产和六西格玛(6Sigma)质量控制,RFID系统可不断提供实时数据流,与 制造执行系统互补,确保正确使用劳动力、机器和工具,从而实现无纸化生产。确切来说,当 零部件通过生产线时,系统可以实时控制、修改甚至重组生产流程,以保证生产的高可靠性和 高质量。
(4)跟踪与追溯 制造业中的产品识别、日期与生产时间验证、自动导引载车、成批生产等各个环节,应用
RFID系统后,可以实时地信息管理、准确的跟踪与追溯这些目标,提高了自动化生产水平和 效率,使生产管理更灵活。
(5)工厂设备管理
车间设备上的RFID提供设备位置、可用性状态、性能特征等信息。基于这些信息的生产 维护、劳动力调整等有助于提高资产价值,优化资产性能和最大化资产利用率。
(6)仓储可视化管理
由于合同制造变得越来越重要,因而同步供应链和制造过程的清晰可见就成为关键。RFID 适合于各种规模的应用系统,它可以对进料、在制品、包装、运输和仓储进行全程可视化管理, 这些都和信息管理有关。
2 .6本章小结
本章介绍了自动识别技术的发展,主要介绍了 RFID应用系统的组成和基本原理,对将RFID 系统应用于制造业进行分析,并对其可在生产现场数据采集方面发挥的技术优势作了详细论述。
第三章 系统需求分析
3.1生产管理特征及其信息管理系统特点
3.1.1生产管理特征及发展趋势
第一次产业革命使家庭手工作坊迅速向大工业发展,由此带来的生产管理问题是:
(1)生产所需要的原材料不能准时供应或供应不足。
(2)零部件生产不配套,在制半成品和外购件的库存积压严重。
(3)产品生产周期长,劳动生产率低。
(4)资金积压严重,周转周期长,难以扩大再生产。
(5)企业难以适应市场和客户快速多变的要求等。
全球化的市场竞争和经济发展趋势,将制造业的产品生产、分销和成本效益等推向了一个 新的境界。无论是国内市场还是国际市场,制造业面临的发展变化是:a)交易往来分散而多样 化;b)交易金额庞大而多币化;c)交易要求多变且更苛刻;d)交易客户和供应商全球化。由此给 制造商带来的挑战是:e)客户要求个性化的价廉物美产品;f)供应商要求更长的交货提前期和更 快的货款支付能力;g)竞争对手使用廉价劳力和采取不符合规范的销售策略;h)信息时代要求 更加准确过滤和有效利用飞速产生的大量信息。面对挑战,无论是流程式还是离散式的制造业, 无论是单件、多品种、小批量生产,还是标准产品大批量生产的制造企业,制造商们都采取了 弹性的制造策略及其相关的制造手段,即通过改进需求预测方法,进行企事业资源综合利用情 况的模拟,以多种合理的产品制造方法与技术,增强企业应变能力,满足多变的市场需求[54-59]。
综上所述,建立实用的信息管理系统,有效地对涉及企业生产经营的信息进行管理,将对 制造健康发展具有深远的影响。
3.1.2制造业信息管理系统特点研究
信息系统是将信息的管理过程、信息技术的应用、利用信息技术对信息进行管理的人以一 个系统的形式有机地结合在一起,是信息管理在实际应用中的具体体现。信息系统既是信息管 理的对象,又是信息管理的技术手段和系统实现。
1970 年,瓦尔特•肯尼万(Walter T.Kennevan)给信息管理系统(Management Information System--MIS)下了一个定义:以书面或口头的形式,在合适的时间向经理、职员以及外界人员 提供过去、现在和预测未来的有关企业内部及其环境的信息,帮助他们进行决策。 1985年,信 息管理系统创始人高登•戴维斯(Gordon B.Davis)给信息管理系统下了定义:它是一个利用计算 机硬件和软件,手工作业,分析、计划、控制和决策模型,以及数据库的用户一一机器系统。 它提供信息、支持企业或组织的运行、管理及决策功能。这个定义说明了信息管理系统的目标、 功能和组成[60-61]。进入 21 世纪,具有统一的数据库系统是现代信息管理系统的特点,利用计算 机强大地计算能力,设计数学模型来进行预测和决策,是信息管理系统的又一新特点。
信息管理系统的主要功能为数据采集、处理、预测、控制和决策优化等。其中,预测功能 体现在用数学方法和模型,并依据生产的历史数据对企业的未来生产做出预测;控制功能体现 在对企业生产活动的整体计划以及各部门、各环节的计划执行情况上进行监测和检查,比对计 划和执行的差异,依据差异程度采取方法加以调整,从而达到预期的目标;决策优化功能体现 在利用数学方法为企业决策者提供辅助决策,同时也可以从决策者提出的多个方案中选出最优 方案,从而合理利用企业资源,提高企业的经济效益。
制造信息管理系统体现在三个层面的内涵:组织、管理与技术。从组织层面上讲,信息管 理系统是企业的一个有机组成部分。企业的生产、物料、计划、营销、财务、人力资源管理等 都需要信息管理系统的支持。从管理层面上讲,企业内部包括领导和底层人员都需要信息管理 系统的支持,都需要信息管理系统提供的信息来进行决策和作业。从技术层面上讲,信息管理 系统集成了计算机硬软件技术、管理技术、网络技术等构建的企业制造管理平台。
制造业的信息管理系统经历了几个发展阶段:
(1)订货点法 OPM(Order Point Method)
为了解决对物料计划和控制不当引出的管理问题,在 20世纪初期产生了订货点法。其基本 原理是:按照库存经验预测物料需求,规定安全库存量和订货点水平,一旦库存量降到订货点 水平,便下达订单补充库存,使仓库始终具有一定的安全库存量。
(2)MRP 阶段(Material Requirement Planning)
MRP的发展经历了两个阶段:基本MRP和闭环MRPo 20世纪60年代形成的基本MRP 也称物料需求计划,它基本思想是:在主生产计划决定生产多少产品后,根据物料清单把产品 数量转变为要生产的零部件数量,对照现有库存量,计算还需要加工多少,采购多少。它只是 一种计算物料需求量的计算器,没有信息反馈,也算不上控制。在此基础上发展而来的闭环 MRP,将物料需求、人力需求和车间采购计划等构成一个具有统一计划能力和执行能力的闭环 系统,这时的MRP也称生产计划与控制系统。
(3)MRP II阶段(Manufacture Resource Planning)
闭环MRP系统使生产计划各方面的子系统得到统一。只要制订好主生产计划,闭环MRP 系统就能很好地运行。但这达不到控制要求,生产管理只是一方面,主要涉及物流,而与物流 相关的还有资金流。将资金流与物流统一管理,便形成一个新的系统整体。于是,在 20 世纪 80 年代,人们把制造、财务、采购等各子系统集成为一个整体系统,称为制造资源计划 (Manufacture Resource Planning)系统,英文缩写还是MRP,为了区别于物料需求计划系统而 记作 MRPI。
 
(4) ERP 阶段(Enterprise Resource Planning
MRPII仅能管理企业内部的物流和资金流。随着全球经济一体化的加速,企业与其外部环境 的关系越来越密切,MRPII已不能满足需要。于是新的企事业管理哲理和软件应运而生。其中 影响最深远的就是ERP思想。ERP系统是一个建立在信息技术基础上,以系统化管理思想为核 心,为企业决策者及员工提供决策运行手段的管理平台,这是一种主要面向制造业,集物质资 源、资金资源和信息资源为一体的企业管理系统。
生产制造过程的信息化是制造业信息化的核心,而制造执行系统正是为了实现制造过程的 信息化而被提出。MES定义为:MES能通过信息传递对从订单下达至产品完工的整个生产过 程进行优化管理。它主要强调三点:一是强调生产过程的优化;二是强调对生产现场的实时监 控;三是强调与计划层和控制层保持双向通信能力。因此MES不仅是车间层次的信息管理系 统或车间调度控制器,而且是一种生产模式,把制造系统的计划和进度安排、追踪、监视和控 制、物料流动、质量管理、设备的控制和计算机集成制造等一体化考虑,最终实现生产过程的 自动化。
MES处于计划层和设备控制层之间的执行层信息管理系统,主要围绕车间层次的生产作业 管理。它通过控制包括物料、设备、人员和流程指令在内的各种资源来提升生产制造的柔性和 实时性,提供了生产计划、物料管理、生产调度、质量控制、统计分析等方面的功能,将计划 层的规划和指令变成生产力,各种生产要素有机地结合在一起。图3.1反应了 MES在生产管理 中所处位置与作用。
 
3.2 离散制造车间生产过程控制系统分析
从产品类型和生产工艺组织方式上对企业进行分类,企业可划分为流程(连续)生产行业和 离散(加工装配)制造行业。
离散制造业主要是通过对原材料物理形状的改变和组装,使其成为产品。典型的离散制造
行业包括汽车、机床、日用电子消费品等。与流程制造业相比较,离散制造车间生产管理要复 杂得多。生产计划难预测,产品工艺复杂,设备自动化水平低,现场数据多,作业较繁琐,不 易掌掌握等。因此,建立一个完整车间制造过程信息管理系统是对离散车间信息化的发展是十 分必要的。
生产过程控制,就是要确保企业产品在制造过程中按照规定的方法和顺序始终处于受控状 态下进行,这是企业质量管理体系中最重要的一部分工作,有效实现产品质量的过程控制[62]。 生产过程控制是离散制造过程的核心,它包含了车间生产制造各个方面的信息,其组成结构如 图 3.2 所示。它主要包括了:现场数据采集和管理、生产调度、生产现场监控、劳动组织、质 量控制、成本控制、工艺反馈与改进、生产统计、定额核算、安全生产、车间的人员调配以及 整个车间设备状态监控等整个车间生产过程涉及到的工作。考虑到离散制造过程中产品复杂、 生产数据多、加工周期较长等特点,其生产过程控制系统需满足实时可靠、控制稳定的要求。
 
车间生产过程控制系统利用 RFID 技术采集车间生产过程信息,主要衔接上层决策系统
ERP/MES 与底层 RFID 设施层,对整个车间的生产进行管理和控制。通过从图 1 生产过程控制 组织结构图的分析,基于 RFID 离散制造车间生产过程控制系统从模块上划分,整体可分为: 数据采集和处理模块、生产计划模块、生产状态监控模块、闭环实时控制模块和信息管理模块 该系统功能模块如图 3.3 所示。其中,数据采集和处理模块、生产计划模块、生产状态监控模 块、闭环实时控制模块实现了对生产过程数据的采集、生产计划引入、车间状态监控、生产闭 环调度等功能,是整个系统功能实现的核心部分。而信息管理模块提供必要的信息查询和统计 分析功能。
 
 
图3.3系统功能模块图
3.3信息管理系统的可行性与必要性
3.3.1系统建设的必要性和可行性
随着企业信息化的进程,融合先进信息系统技术和现代管理理念,建设制造过程信息管理 系统,实现生产与业务的统一,可以大幅度提高企业的生产管理水平和效率,是现代企业发展 的需要。
针对目前我国离散制造业中存在产品信息追踪不可靠,质量追溯能力不足,缺乏现代化的 数据采集工具和管理系统,管理方法跟不上时代的发展等问题,建设一个新型的制造过程数据 采集和管理系统是十分有必要的。在实现生产信息化的基础上,能够让企业物流准确、及时流 动,而且在降低成本和库存量的目标下,可以缩短交货周期[63-64]。制造信息管理系统可以为企 业的整个供应链运作提供统一的信息环境,满足企业各部门之间信息共享的要求。
现代企业生产管理的提高和战略发展也需要信息系统的支撑。我国离散制造业现在也普遍 提升生产管理水平,涉及企业方方面面,其中以物流管理和生产制造管理为提高的核心,只有 通过信息化的实施才能大幅度提升管理水平。特别是那些处于发展转型期的企业,要完善其制 造信息化系统,高效管理企业生产,可为企业的发展提供技术支持。
制造信息管理系统能够保证精益生产,降低成本。精益生产是拉动式的生产方式,这对物 流的准确性和实时性要求更高,需要加强企业物流的信息化建设。通过制造信息系统的完善, 可实现集团物流运作的信息化。从而降低库存压力,减轻操作人员的劳动强度。同时,通过信 息系统的完善,可以实现生产过程的实时监控,清晰发现存在的问题,为决策者提供准确的信 息依据。
实施制造信息管理系统的可行性分析分为宏观和微观两个方面。宏观上需求分析从整体出 发,全面分析制造企业的需求,是制定企业实施管理系统的基础。而微观上是针对企业具体的 制造流程,对具体产品进行生产分析。
1)分析企业的管理方式
建立信息管理系统的最终目的是提升企业的竞争力,而提升企业竞争力的关键是看其信息 化水平如何。企业的管理方式与其信息化水平息息相关,只有通过改进管理方式,提升管理水 平,才能为企业的信息化提供基础。在实施信息管理系统之前,首先要对企业的管理方式进行 分析,找出管理上的不足和与竞争对手之间的差异,通过比较其优缺点进行系统分析与设计。 还要分析企业的市场应变能力,目前的管理方式能否适应市场竞争的要求。同时,企业管理者、 生产制造者能否接受并适应管理方式的转变,这是实施信息管理系统的基础条件。
2)分析企业车间状况,熟悉生产流程。
对于离散型制造企业制造过程信息管理系统的实施,只有在了解了车间工作方式和生产流 程,才能确定方案实施的可行性和有效性。企业内部的生产方式、库存管理方式、加工设备、 操作人员等是否能够满足系统实施的基本条件,是否能够充分利用系统信息,企业的生产管理 机制是否合理,可操作性如何,执行信息采集和管理的流程是否规范,企业计算机网络应用程 度如何,是否建立了以计算机和数据库为核心的整体企业信息管理系统,这些都是实施制造过 程信息管理系统需要考虑的具体问题。
3)分析企业管理者和员工业务素质
企业的管理者是否愿意通过信息管理系统,对生产制造的流程实行可视化管理,是否有过 信息系统实施方面的相关经历,企业员工的业务素质如何,能否快速了解信息系统的基本概念 和操作方法,能否利用信息系统提升其生产效率,这是检验实施信息管理系统效果的唯一指标。
只有在满足这些基本条件的情况下,企业才能够考虑是否进行投资,实施制造过程信息管 理系统,否则贸然进行投资,不可避免地会给企业带来不必要的麻烦,造成巨大的损失。同时, 通过这些基础条件的分析,也决定了信息系统的实施方案。在了解了企业的生产方式和管理方 式后,实施信息系统就需要在其指定的生产方式和管理方式下进行设计,同时要考虑到员工的 业务素质,设计多种功能需求,为企业的不同的角色提供各种功能需要。另外,还要结合产品 的生产流程,对产品的制造过程深入分析,建立一个真正适合离散制造企业的制造过程信息管 理系统。
3.3.2RFID 在系统中的应用分析
目前大部分离散制造企业对制造过程的管理是通过人工管理的方式。在生产制造现场,管 理人员记录下设备、人员加工信息,记录至表格,统计后成车间报表,效率过于低下,过程繁 琐,更无法实现实时追踪查询,重复记录现象较多。因此,本文提出了一套基于RFID车间制 造过程信息管理系统,它与企业上层信息系统相协调,适应企业信息化发展,对底层加工制造 信息加以采集和处理。希望能为企业实现“生产零废品”、“质量零缺陷”、 “物料零浪费”、“管 理零差错”等的管理目标。
本系统采用最先进的数据采集技术一RFID系统,其具有适用性强、操作方法简单和效 果突出等优点。目前RFID技术已普遍应用在各大行业中,物流管理、不停车收费系统、电子 门票、供应链管理、商品防伪等,将RFID应用于生产自动化方向,也渐渐被生产制造业所重 视[65-66]。
对于现代离散制造业来说,应用RFID技术,可以提升企业整体管理水平。物料的入库、 出库,在制品的加工检测,生产线上的数据采集,与上层ERP、MRPII等企业信息管理软件的 集成和信息共享,这些都可通过实施RFID应用方案后得到实现。在生产制造的各个环节,RFID 设备采集信息,可提供完整的物料加工跟踪和质量追溯手段,提升管理软件在库存、生产控制 方面的实时性和可靠性。进而实现产品生命周期的可视化管理,提高加工生产的效率,减少次 品出现机率,降低制造成本。
3 .4本章小结
本章在研究了制造业生产管理特征后,对制造业的信息管理系统进行了分析,特别是对于 离散制造业的生产过程控制系统进行了详细论述。由对离散制造业的生产管理和信息系统的分 析,可见在离散制造业实施车间制造过程信息管理系统是可行的而且是必需的。另外,还分析 了如何将 RFID 技术应用于信息管理系统中。
第四章 系统设计
4.1系统整体框架和功能模型设计
4.1.1系统整体框架
基于 RFID 技术的车间制造过程信息管理系统以离散制造企业生产车间为研究对象,以制 造现场的每道工序作为信息采集单元,根据订单和实际生产能力制定生产计划,将生产计划下 达到各加工单元组织生产。信息系统通过RFID卡实时跟踪管理生产批次,通过管理系统界面 实时查询生产计划和工艺信息,它是制造执行系统的重要组成部分,也是现有的企业管理系统 ERP/MRPII的重要补充和生产数据提供者。
本系统采用三层的分布式结构,由控制层、执行层和管理层三部分组成。底层是控制层, 由平行分布的 RFID 数据采集终端组成,主要完成对制造现场的数据采集及任务下达;中间层 是执行层,采用ARM控制器作为主控板,负责底层数据采集中端与调度程序的数据交流,底 层通过CAN总线与ARM控制器实现挂接;上层是管理层,由具有生产管理权限的计算机组和 数据服务器组成,主要完成生产管理和数据存储,响应由执行层传来的底层数据采集终端的命 令请求或向执行层传输下达到控制层的指令,上层管理层和中间层是通过串口连接。
系统总体构架如图 4.1所示,显示了本系统各层次的典型架构图,包括软件平台和应用模 块体系,以及系统所依赖的硬件平台。
 
 
在制造业信息管理系统中,经常采用如下几种系统访问模式:客户机/服务器C/S (Client/Server)、浏览器/服务器B/S (Browser/Server)及两种模式的混合。本系统采用经典 的客户机/服务器模式。网络中的计算机通过客户机和服务器连接起来,客户机可以使用服务器 的资源。对于用户的请求,如果客户机能够满足要求就直接给出结果,反之则需要交给服务器 来处理。C/S模式是基于企业内部网络的应用系统,不依赖于外部环境。具有分离和协同工作, 易于扩充;客户端与服务器直接连接,响应速度快;资源共享,分布式处理,减少网络成本; 操作界面设计个性化,简洁方便等优点。
4.1.2系统功能模型设计
目前,国内外对面向车间的生产过程管理系统的研究主要集中在制造执行系统 MES 上。 制造执行系统需要与其他几种类型的信息系统紧密相连,才能发挥出自身的优势。从信息集成 的角度来看,制造执行系统在企业的SCM、ERP等系统与面向底层的设备控制系统之间承上启 下,起着垂直信息集成的作用。
1) 现有制造执行系统 MES 功能模型
目前针对制造执行系统的功能模型有两种观点:一种是美国的制造执行系统协会 (Manufacturing Execution System Association, MESA)提出,一种是仪表系统和自动化协会(The Instrumentation Systems and Automation Society, ISA)提出的。
图4.2是MESA于1997年提出MES的外部系统模型,反映了 MES与SCM、ERP、CRM
 
 
 
图4.2 MESA提出的MES功能模型
同年,美国仪器学会代表编制了 ISA SP95企业控制系统集成标准的工作。ISA SP95代表
国际标准协会(International Standard Association, ISA)组织的第95个标准项目,其MES功能模
型如图4.3所示,它主要根据国际MES协会提出的模型和美国普渡大学教授T.Williams指导下 提出的普渡企业参考体系结构 PERA。
 
 
两种模型都具有衔接计划层与控制层的车间制造管理的功能,同时也都提供了数据采集、 生产计划管理、生产跟踪模块,满足了现代制造业的基本需求。但由于各个行业的生产和流通 流程和所不同,而且每个行业都有自身特有的特点,因此不同行业对制造执行系统的需求和偏 重点是完全不同的。例如:电子行业对及时准确的产品记录要求较高,因此要求MES侧重于 准确确的产品记录;纺织行业要求MES侧重于提升设备利用率,提高生产效率等等。即使在 同一行业中,不同类型的企业也各有特色,所以制造执行系统的设计与开发就要针对特定的行 业或类型的企业,不能完全按照现有的功能模型设计与实现。
2) 基于 RFID 的生产过程信息管理系统功能模型
RFID 技术具有自动识别对象和采集信息、抗干扰能力强、适应环境能力强、存储量大、 可重复利用等优点,可以弥补现有生产信息管理系统在数据采集方面的缺陷。通过有效的实时 数据采集,实现对现有的生产过程管理系统提供实时准确的数据信息。具体表现在如下几个方 面:
在质量管理上,通过 RFID 进行实时数据采集,保证物料、设备、人力、工具等资源的正 确使用,尤其是在混合装配生产线上,利用RFID识别零部件来确保物料被送到正确的位置, 减少出错率,实现无纸化生产,从而保证产品的可靠性和高质量。
在车间生产调度上,通过 RFID 对生产现场的设备和人员的实时跟踪,监控其工作状态。 若当 RFID 系统采集到当前有设备处于空闲状态时,就可以及时将设备空闲状态信息反馈给生 产计划管理层,便于生产排产模块能够及时的编排当前最优的生产计划,并将其返回给生产管 理系统。
在生产过程监控上,通过获取RFID的编号,可以从数据库中查出绑定有RFID标签的物 料及在制品所在的位置,而且通过读写器实时采集信息实时获取在制品加工信息,从而实现对 生产过程的实时监控。
在订单跟踪上,每个订单都包含一种或多种不同的产品,RFID技术可以实现对每一种产 品从原材料到成品整个生产过程的跟踪,实现对整个定单执行情况的监控。从原材料出库到成 品加工完成入库,RFID系统将自动采集每道加工工序、所用的设备和操作人员,每道工序的 加工开始时间和完工时间,避免了人工数据记录的信息滞后和出错。
在库房管理上,RFID系统可记录物料、半成品、成品的批次、材质、入库时间等信息, 方便生产人员进行合理的安排生产和企业管理人员查询。
在参照了 MESA给出的MES标准,本文提出了基于RFID的车间制造过程信息管理系统 的功能模型,如图 4.4所示。生产过程信息管理系统的开发要与相应的企业需求相关联,本文 主要针对离散制造企业,分析目前企业的生产管理现状和管理需求,设计出了适合企业发展需 求制造信息管理系统。
基于RFID车间制造过程
信息管理系统
 
图4.4基于RFID车间制造过程
 
本文将重点研究基础数据管理、数据采集、在制品管理、订单跟踪以及库房管理几个模块。
充分利用 RFID 的技术优势,实时采集车间生产过程数据,设备运行状态等信息,对车间调度 进行优化,使操作工和加工设备得到合理利用,通过对生产过程的实时跟踪与监控,掌握订单 整体执行进度,实现对车间生产的整体控制。
4.2制造过程数据采集和处理方法
生产现场的数据采集和处理是整个制造过程管理系统的基础,该模块的核心要求是数据的 准确性和实时性,中有准确实时地采集到加工信息,才能实现对生产过程的全面跟踪与控制, 使生产计划和调度与实际生产同步。
数据采集和处理基本流程如图 4.5 所示:
读写器与标 读写器与标 读写器应用
签型号选择 ―► 签参数设置 ―► 配置
 
存储数据 4— 数据过滤 与处理 采集数据
 
图 4.5 数据采集和处理流程
4.2.1RFID数据采集系统的设计
现代离散制造业越来越趋向于多品种小批量生产,机加工生产车间为了实现柔性生产,生 产现场的设备一般是根据设备属性或工艺来安排,可采用多点数据采集的方案。另一方面,考 虑到对生产现场数据的实时性和成本的要求,我们选择基于CAN总线的串行通信方式采集信 息。
数据采集的具体过程:
(1)订单下达后,系统给每个订单一个指令单号,给订单包含的每个工件一个工件号。
(2)初始化电子标签,将工件号录入电子标签,生产过程中,读写器可通过采集标签的工 件号查询到工件信息。由于工件表面的每个地方都有可能被加工,所以可将电子标签贴于装载 物料的托盘上。
(3)每个工位都设有进料缓冲区和出料缓冲区。首先,将贴有电子标签的装载物料托盘运 送至第一道工位的进料缓冲区,操作工通过读写器扫描电子标签,系统就根据工件号从数据库 中查询到工件信息、操作员和加工工序,系统记录当前时间为加工开始时间。当加工结束时, 操作工再次扫描电子标签,系统记录其结束加工时间,计算出加工工时并更新工件加工信息。 加工完成后,操作员进行自检,合格与否,将质量信息反馈给系统,并将半成品放入出料缓冲 区,等待运送至下一道工序进行加工。后面工序如同第一道工序。
(4)最后一道工序加工完成后,需要运送至质检区进行半成品检验或成品检验。将工件的 检验信息记录至数据库中,对于不合格的工件,判定其是返修或报废,以及重新加工的工序, 责任人等。
RFID 应用系统整体架构如下:
在RFID应用系统中,读写器通过CAN总线与工位控制器相连,工位器通过串口方式与车 间控制计算机相连,车间控制计算机又通过企业局域网与数据库服务器相连。当绑定有电子标 签的物料进入读写器工作范围内时,读写器采集标签信息,通过数据库查询相应的产品信息, 记录当前加工信息,向标签中写入当前工序的完成状况、操作员的信息、半成品质检信息等。 采集到的信息通过RFID中间件处理后,传送至服务器数据库中,使生产现场的数据在整个企 业内得到实时共享,实现对生产过程的整体管理与控制。基于RFID技术的应用系统架构图如
图 4.6所示。
 
基于事件 .
的中间
图4.6 RFID系统应用架构图
企业物理层是企业的车间生产现场、仓库等反映企业真实的运行情况的结构层。只有采用 先进的数据采集技术实时、准确地获取当前物理层的数据信息,才能实现对物理层的实时监控。
RFID系统应用层是为物料绑定电子标签和生产现场安装RFID读写器,构成RFID系统的 应用网络,能够实现实时、准确地获取企业物理层生产数据。
基于事件的中间件层的作用是对RFID系统应用层获取的大量实时数据进行过滤和处理, 将对企业有价值的实用信息传送至企业生产过程管理系统中并保存到于数据库中。企业管理者 通过生产制造过程管理系统可以全面地了解订单执行情况,掌握企业的生产能力,从而作出正 确决策。
4.2.2制造过程数据处理方法
由于 RFID 系统获得的生产现场数据是大量的动态的数据,并不是所有信息都对企业有用, 因此必须找到一种有效的处理方式,将无用的信息过滤,有效信息进行整合,才能为企业所用。 数据处理通常由RFID中间件来完成,减轻了服务器数据库的负担。
RFID中间件的原理:它是一种面向消息的中间件,信息以消息的形式从一个程序传送到 另一个或多个程序。信息可以以异步的方式传送,所以传送者不需要等待回应。面向消息的中 间件不仅可以传递消息,还可以解译数据、错误恢复、定位网络资源等。
RFID中间件独立并介于RFID应用系统与企业应用系统之间,并且能够与多个RFID读写 器以及多个后端应用系统连接,大大降低了系统的复杂性,便于后台应用程序的实现和维护。
RFID中间件的主要任务是负责RFID应用系统和企业生产过程管理系统之间的数据传递,解决 RFID数据的可靠性、安全性及数据格式转换等问题,RFID中间件与RFID应用系统之间通过 一组通用的应用程序接口(API)进行连接。RFID读写器读取到电子标签的信息后,经过API程 序传送给RFID中间件,RFID中间件对数据进行过滤、整合,从而减少读写器采集到的大量的 原始数据,将处理后的数据传送到企业后端的应用系统。RFID中间件被称为RFID系统的“神 经中枢”。
4.3系统开发软件介绍及数据库设计
本系统开发软件是 Microsoft Visual Stdio 2008,主要用于编写系统管理界面。硬件编程采 用C语言,用于编写RFID接口程序。系统数据库采用SQL Server 2005。
4.3.1编程软件工具介绍
C#是一种安全的、稳定的、简单的,由C和C++衍生而来面向对象的编程语言。它继承了 C和C++强大功能的同时去掉了一些复杂特性(例如没有宏和模板,不允许多重继承等)。C#综 合了 VB的可视化操作和C++的运行高效率,以其强大的操作能力、创新的语言特性和快捷的 面向组件编程特性而成为支持.NET开发的首选语言。本文将C#用于编写系统管理界面,原因 在于在C#3.0 中,我们可以用类似于SQL语句的语法从一个数据源中轻松地得到满足一定条件 的对象集合,这样就方便了程序和数据库的连接,同时提高了效率。
4.3.2数据库设计
对于管理信息系统软件的开发来说,除了以上的功能模块设计外,数据库设计是另一个重 要的方面。数据库设计是指在现有数据管理系统的基础上建立数据库的过程,在关系型数据库 规范化原理指导下,根据数据存储、访问的实际需求进行设计。设计步骤如下:首先,要对所 开发的应用系统进行需求分析和数据分析;然后,将需求抽象为信息结构概念模型,并将概念 模型转化为相应的数据模型;最后确定数据库在物理设备上的存储结构和存取方法。
制造过程信息管理系统主要是对车间生产过程中所发生的物流和信息流进行管理与控制, 本文根据目前离散制造业实际生产情况以及系统功能模块需求,设计出基于RFID的车间制造 过程信息管理系统数据库。
首先对系统进行概念设计,该系统中的实体主要有订单、零件、工艺路线、生产加工单、 设备、材料采购计划、材料入库单、材料领用单、材料库存,产品入库单、产品出库单,产品 库存等。下面给出几个实体的E-R(实体一联系)图如图4.7所示,及总体E-R图如图4.8所示。
 
 
将 E-R 图中的实体转化为关系,实体名为关系名,实体属性为关系属性。例如:
订单(订单序号,订单号,客户名称,下订单日期和优先级等),主关键字为订单序号 零件(零件序号,零件数量,材料,处理类型和 EPC 编码等); 工艺路线(工序号,工序名称和加工设备等); 生产加工单(加工工序,操作员,开始加工时间,结束加工时间和加工日期等);
为了将订单与零件一对多的关系反映出来,要把订单的主关键字放到零件关系中,关系模 型如下。
零件(零件序号,订货数量,材料,处理类型,EPC编码,订单序号)
把零件与工艺路线间的一对一的关系反映出来,要把零件序号属性放到工艺路线中,关系 模型如下。
工艺路线(工序号,工序名称,加工设备,零件序号)
因为离散制造多采用按订单的生产模式,所以企业的生产任务主要取决于客户的订单,且 生产任务的编排是根据订单的优先级和交货日期而定的。本文参照企业订单需求,设计出订单 信息表、零件信息表、工艺路线表、生产加工记录表、设备信息表、RFID读写器信息表、材 料库存表、产品库存表等几个关键数据表,以其中几个表为例介绍数据表的设计,如表4.1至 表 4.4 所示,各表之间的关系如图 4.9所示。
表 4.1 订单信息表
序号 字段 类型 主键 允许空 说明
1 ID bigint(8) Y N 订单序号
2 Order No varchar(50) N N 订单号
3 Campany Name varchar(50) N N 客户名称
4 LinkMan char(10) N Y 联系人
5 Tele char(10) N Y 联系方式
6 StartDate datetime(8) N N 下单日期
7 FinishDate datetime(8) N N 交货日期
8 Priority varchar(50) N N 优先级
9 Remark varchar(50) N Y 备注
表 4.2 零件 信息表
序号 字段 类型 主键 允许空 说明
1 ID bigint(8) Y N 零件序号
2 OrderID bigint(8) N N 订单号
3 xID int(4) N N 图纸编号
4 Item carchar(50) N N 零件名称
5 Materials char(10) N N 材料名称
6 Number bigint(8) N N 零件数量
7 Unit char(10) N Y 单位
8 Type char(10) N Y 处理类型
9 EPCcode char(10) N N EPC编码
10 Remark varchar(50) N Y 备注
 
 
表 4.3 工艺路线表
序号 字段 类型 主键 允许空 说明
1 ID bigint(8) Y N 序号
2 OrderID bigint(8) N N 订单号
3 ItemID bigint(8) N N 零件序号
4 ProcessID int(4) N N 工序号
5 Processes char(10) N N 工序名称
6 Processer char(10) N N 工艺员
7 Remark varchar(50) N Y 备注
 
 
表 4.4 生产加工记录表
序号 字段 类型 主键 允许空 说明
1 ID bigint(8) Y N 序号
2 ItemID bigint(8) N N 零件序号
3 TechID bigint(8) N N 工序号
4 EmplyeeID int(4) N N 员工号
5 Equipment ID int(4) N N 设备编号
6 BeginTime datetime(8) N N 开始加工时间
7 EndTime datetime(8) N N 结束加工时间
8 WorkTime int(4) N N 加工工时
9 WorkDate datetime(8) N N 加工时期
10 Remark varchar(50) N Y 备注
 
生产产品表 <— 产品零件对照表 零件信息表 库存零件信息表 供应商信息表
PK 编号 PK 编号 PK 编号 PK 编号 PK 编号
FK1 产品名称 产品代码 产品类别 备注 FK2
FK1 产品编号 零件编号 零件数量 财务编号 零件名称 检验周期 规格型号 单位 备注 FK1
FK2 供应商 零件编号 零件号 零件名称 库管员 集件员 库位 业务员 FK1 编码 名称 账号 税号 类别
 
 
 
 
 
退库零件明细表 更换零件明细表 零件领用明细表 零件到货明细表 零件检验明细表 零件返厂明细表
PK 编号 PK 编号 PK 编号 PK 编号 PK 编号 PK 编号
FK1
FK2 库存零件编号 退库事由 退库数量 退库日期 FK1 库存零件编号 更换数量 更换日期 FK1
FK3
FK4 库存零件编号 领用数量 领用日期 领用单号 领用类型 领用去向 FK1 库存零件编号 到货数量 到货日期 FK1 库存零件编号 检验数量 检验日期 合格数量 合格日期 FK1 库存零件编号 返厂数量 返厂日期
 
 
 
 
 
 
 
图 4.9 数据表间关系图
4.4系统详细设计
生产过程的管理在企业管理中起着重要作用,生产过程管理的信息化在企业信息化中更是 占有重要地位。本文设计的制造过程信息管理系统,就是为了让企业管理人员能够更方便快捷 地管理生产车间,实时获取车间制造现场的信息,从而做出正确决策,提高生产效率。前面章 节分析了系统的整体功能模块,本节将详细介绍各个功能模块的具体设计。
4.4.1基础数据管理模块
基础数据管理模块是整个系统数据应用的基础,也是系统运行的基础,主要用于管理和维 护制造过程信息系统的基础数据。这些数据将系统的各功能模块有效地联系起来,集成于企业 信息数据库中,在多个系统中实现信息共享。基础数据管理模块主要包括了设备管理、物料管 理、工艺管理、员工管理几个方面,各个子模块功能描述如下。
(1)设备管理:主要对设备的基础数据进行管理,包括了现有设备的基础数据,添加新设 备的基础数据,删除已报废设备的基础数据等。设备基础数据包括设备编号,设备名称,设备 型号,用途,供应商等信息。
(2)物料管理:该功能包括物料基础数据管理、物料分类管理和物料编码规则等。物料基 础数据管理是对物料名称、规格、型号、计量单位等相关属性的数据内容进行定义和管理,从 而方便物料属性数据的录入和修改,而且保证数据的标准化。企业内物料多种多样,为了便于 对物料管理和查询,需要建立物料分类目录。物料编码规则提供了定义和维护企业物料的编码 规则,给每个工件的原材料分配唯一标志该工件的编码,物料编码规则的可以对物料进行自动 编码。
(3)工艺管理:主要包括工艺基础数据管理和工序管理。工艺基础数据主要是工艺卡片、 工艺字典、工种等。工序管理是管理机加工过程中所涉及到的所有工序,包括工序和工序属性 的添加、修改和删除等操作,为工艺路线的制定提供工艺来源。
(4)员工管理:人员管理是对企业车间现有员工的一些基础数据属性进行定义,对人员进 行分配管理和操作权限的管理。基础数据属性如员工号的制定,人员分配管理是安排合适的人 到合适的工位,并且为了均衡各车间,可对不同工序的人员进行调配。
员工操作权限的管理主要是指对每个员工的角色分配不同的操作权限,每个员工只可以在 权限范围内进行相应操作,例如系统管理员可具有多系统所有功能添加、修改、删除的权限, 而操作员只具有查看的权限等。
4.4.2信息采集模块
信息采集模块的功能是收集表征生产现场各种生产要素过程信息的数据。车间制造过程中 有着大量的生产要素信息,包括在制品所在位置,质量检验情况,设备运行状态,整个订单的 生产进度等相关信息,采集这些基本信息是制造过程管理中最基础也最重要的一个环节。目前, 我国很多制造企业仍然采用手工采集方式,效率低下,采集过程较为繁琐,且容易出错,并存 在一定的滞后性,无法实现数据实时共享。本文所设计的制造过程管理系统引入了先进数据采 集技术即RFID技术,能极大提高采集的准确性和实时性。
(1)信息采集模块基础信息设置 在设计数据采集模块之前,需要对基础信息进行设置,包括了读写器和标签的参数设置、 读写器配置、标签与零件 ID 关联。只有将这些基础信息与生产现场相结合,才可实现数据的 自动采集。
a)读写器与标签参数设置 读写器与标签参数的设置,首先要定义应用于生产车间的读写器与标签的基本信息,包括 了读写器型号、类别和标签类别等参数。本文采用ZLG500型号的固定式读写器,将读写器分 别固定于仓库、机床等处。标签采用可重复读写标签,S50系列射频卡。
从系统实施角度来说,RFID的系统应用可分为开环应用和闭环应用。开环应用多用于供 应链和物流,从采购原材料到加工成成品,RFID标签贯穿了供应链的每个环节。闭环应用在 系统内部使用,进行相关信息的读写和传递。本文所采用的是闭环RFID系统,从原料领用开 始到顺序加工工序直至最后一道工序,然后成品入库,在系列生产加工过程中,使用RFID技 术实现全程数据自动采集,当一批零件完工入库后,回收电子标签,送回标签存放点,对标签 信息初始化,重新录入新零件的信息,循环使用。本课题研究的RFID标签闭环应用如图4.10 所示。
 
图4.10 标签闭环利用
 
b)读写器配置
读写器配置指建立读写器配置数据表,定义每个读写器在仓库及车间的安放位置,给每个 读写器一个固定编号,利用编号将读写器与其位置相关联。在生产过程中,系统只需通过读取 读写器的编号,便可在数据库中查询到对应的位置,便可确定工件所处位置或所在加工的工序。
c)标签与零件 ID 关联
企业要利用RFID标签实现自动采集信息,还需要将存储零件信息的RFID标签与零件相 关联。本课题为每个电子标签设计了唯一标签编码,来标识一个零件,再将此编码存储到零件 信息表中相对应的零件信息下,使它之与零件ID相对应,便可以实现标签与零件ID的关联。 这样,当读写器读取电子标签编码信息后,根据标签编码,便可从数据库中查询到该零件相应 的详细信息。
由于电子标签只是在企业内部使用,一批零件完工后,便可回收电子标签,并初始化,供 下一批零件使用。本文采用 10位的编码来唯一标识每类零件,标签编码规则如图 4.11 所示。
 
指令单号 类型零件序号
图 4.11 标签编码规则
订单制订后,企业会给每个订单制定一个标识该订单的指令单号,标签编码的前 6 位便是 表示订单的指令单号,其后两位表示产品的类型,最后 2位表示零件序号。
(2)信息采集流程 制造过程管理系统的信息采集主要包括物料数据采集和车间生产数据采集。本文所设计的 系统信息采集流程如图 4.12所示。
当物料入库时,将物料与RFID标签相关联。领用材料时,扫描电子标签,将原材料领用 信息记录在材料领用单上。原材料进入第一道工序时,操作员将扫描电子标签,读写器读取电 子标签计数值n,判断n为奇数还是偶数。若n是奇数,表明此批零件在所对应的设备上是开 始加工,记录当前时间为该批零件开始加工时间,记录其零件号、设备号、工序号、操作员号 等信息,保存到数据库中;若n是偶数,表明此批零件在该读写器对应的设备上加工已完成, 根据电子标签编码可从数据库中查询所对应的零件号,并以零件号和工序号为条件可查询到该 批零件此道工序的加工信息,记录当前时间作为结束加工时间添加到零件加工信息中,系统根 据开始加工时间和结束加工时间计算出生产工时,保存至数据库中,形成了该批零件在这道工 序上的一条完整的加工记录。最后,将电子标签的计数值加 1,写入电子标签。若需质量检验
 
时,可将检验信息写入电子标签,然后读写器扫描电子标签,根据读取信息决定在制品去处。 后道工序的数据采集方式同第一道工序。
 
图 4.12 生产数据采集流程
待所有工序加工完成待入库时,仓库管理员扫描电子标签,记录其零件号、仓库需存放位 置、入库时间等信息,将标签回收,送至原材料仓库后循环利用。
4.4.3在制品管理模块
在制品是指原材料进入第一道工序,被加工成半成品,直到完工前的这一生产过程中的生 产物料。在生产车间中,在制品会以各种不同的形式存在于车间的各个工位上,生产现场中的 在制品也处于不断的流动和变化中。企业通过管理在制品,可以确保企业连续进行生产,实时 跟踪和掌握生产进度。
在制品管理是制造过程管理的重要环节,实时地掌握在制品的加工状态、工序和质量状态 等信息,本质上就是对生产过程的实时跟踪与控制。本文通过对制造加工过程的研究,设计了 基于RFID的在制品管理模块,包括了在制品的过程跟踪、状态监控和质量控制三个子模块。
(1) 在制品过程跟踪
在企业管理层下达生产任务后,车间生产加工将按照产品工艺路线进行生产。在制品在车
间内转移图如图4.13所示。
 
图 4.13 在制品转移图
在制品从原材料出库开始,经过一系列的转移,最终完成所有工序和质检,进入成品库。 在制品的整个生产过程中,企业管理者可通过系统查询,实时地掌握所要了解的在制品当前加 工状态或质检信息,从而可实现对在制品的过程跟踪。
从图中可以看出,在制品在车间内按照工艺路线,在各个工位和质量检验部之间进行转移, 直至加工完成。多品种、小批量加工企业的制造过程中,在制品都是按批量生产,对于每批零 件,都采用生成在制品生产进度跟踪报表的形式对其加工过程进行跟踪。系统根据RFID标签 采集到的在制品加工信息,将自动生成在制品加工过程跟踪表,反映每批零件整个生产过程的 详细信息。
(2) 在制品状态监控 在制品状态监控主要是监控在制品的当前所处工位和所处状态等信息。在制品的监控可以 在各个工位上进行统计查询,也可按照一个订单的形式进行查询。在制品状态监控流程如图 4.14 所示。
 
 
图4.14在制品状态监控流程图
在制品加工过程中,系统通过RFID读写器自动采集零件号、加工设备、加工工序、开始 加工时间、结束加工时间以及操作员等生产信息,保存至数据库中。监控界面打开后,系统会 根据用户所要示的查询类型,从数据库中查出相应加工设备上正在加工的在制品信息,或者订 单下正在加工的在制品信息,显示于监控界面上,系统将不断地监控在制品加工信息,在某批 零件的某道工序开始加工后,系统会自动在监视界面中添加该批零件在该道工序下的加工信息, 而当这批零件的这道工序加工完成后,系统又会自动删除监控界面的此条信息。
(3)在制品质量控制
在制品在加工过程中会伴随着质量检验,质量检验包括了工序自检、关键工序检验、成品 检验几类。质量检验主要用于严格控制在制品的产出质量,确保及时发现不合格品,将其返工 或报废,以免影响整批产品的质量。
一般在企业的生产过程中,不是所有的工序完工后都要进行质量检验。一般的工序,操作 员加工完成后会进行工序自检,便运至下一道工序继续加工,只有在关键工序完成后和完工时 才会设置质量检验。质检员对每批零件检验后,通过系统采集零件号、合格数量、检验数量、 判定类型、责任人、检验日期、处理意见等信息,保存到数据库中,为后续的质量统计和分析 提供依据。
质量检验的结果一般分为合格品、返修品、报废品三种。检验完成后,检验员会向 RFID 电子标签中录入检验结果,根据处理信息,物料员把合格品按其工艺路线运送至下一道工序继 续加工;将返修品送回原来加工工位,并告知操作员进行相应处理;将报废品送到报废品区等 待处理。
4.4.4订单跟踪模块
在现代制造企业中,按订单生产的生产方式已逐渐成为主要生产模式。按订单生产指企业 根据客户订单需求量和交货期来安排组织生产,简单来说,就是有订单才组织生产,无订单则 等待。此种生产方式面向客户个性化和多样化的需求,特点是品种多、批量小、交货期短等, 这使得企业需要及时供应原材料,按时按量完成生产。为解决这些问题,企业管理者必须能够 实时地掌握订单的执行情况,这就需要对订单进行动态跟踪。本文所研究的订单跟踪模块可以 让企业管理者实时了解生产情况,跟踪订单的执行进度。
订单跟踪模块主要包括了原材料采购跟踪和生产过程跟踪。
(1)原材料采购跟踪
原材料采购跟踪是对原材料的采购计划制定到原材料入库整个过程信息进行跟踪。
生产订单下达后,物料员将根据生产物料清单去仓库领料,若有原材料短缺,登录管理系 统填写材料采购信息,包括了材料名称,类型,规格及采购数量等信息,采购员登录系统进行 采购信息确认,并生成材料采购计划单。采购员根据计划单采购齐原材料后,仓库管理员核对 信息,质检员对原材料进行检验,生成原材料检验单,检验完成后进行材料入库,生成相应的 原材料入库单。
(2)生产过程跟踪
生产过程跟踪是对企业接到订单,制定生产计划到加工成成品入库整个过程进行跟踪。包 括了生产计划制定、半成品检验、成品检验和成品入库等信息。
车间管理者将每个订单分配给跟单员,跟单员负责跟踪整个订单生产状况。传统订单跟踪 形式主要依靠派工单,每批零件都对应一张派工单,而派工单将跟随零件整个加工过程,由操 作员手动填写每道工序各项内容。如果跟单员要了解自己所负责的订单生产进度,就需要去车 间收集订单下所有的派工单,进行分析汇总,才能掌握其订单下所有零件加工进度,这样的跟 踪不仅费时费力,而且信息缺乏实效性。本系统采用了 RFID 技术,会自动采集订单下每批零 件从出库到成品入库的所有加工数据信息,实现订单整个生产过程的跟踪。
若企业管理人员或跟单员想要跟踪订单的执行情况,只需登录系统,在系统的订单跟踪模 块中输入指令单号,即可查询出相应指令单号下所有零件的加工信息,包括了工艺路线、完成 时间、操作员等。另外,客户也可登陆企业网站,进入订单跟踪模块,同步查询到自己订单的 所有信息。当发现企业生产没能满足自己要求或有偏差时,便可与企业联系,及时调整生产, 这样不但减少了企业人力、物力的浪费,而且也可以保证加工质量和交货期。
4.4.5仓库管理模块
仓库管理模块主要用于对库房的管理,包括了原材料管理和成品管理。仓库管理模块功能 包括了初始化库存信息、原料到货管理、质检信息、领料确认、库存零件查询、其它领料确认 和改装剩余零件确认等。功能及描述如表4.5所示。
表 4.5 仓库管理模块功能列表
模块 功能 描述
初始化库存信息 在系统使用之前对库存零件进行初始化录入
原料到货管理 管理录入的到货信息
质量检验信息管理 零件检验完成时根据检验单确认检验信息
领料确认 对生产任务领料信息的确认
库存零件查询 查询当前所有库存零件的状态信息
其它领料确认 除生产活动以外的领料确认
改装剩余零件确认 确认由生产部门标记的改装剩余零件退库信息
仓库是厂区内部物流中心,必须确保零件出、入库的数量准确,措施是尽量避免手工录入, 录入信息都由部门相关人员确认。另外为避免产生系统误差,每次出入库信息记录到库存零件 变更日志。库存零件入库时需要区分入库状态、合格状态和待检状态等信息。
4.4.6综合查询模块
综合查询模块是为企业管理层和计划层提供信息查询需求。包括定单查询、加工任务查询、 零件查询、产品信息查询、检验信息查询、缺件信息查询、更换信息查询、生产领料查询、生 产损耗查询、月累计入库信息查询、月累计出库信息查询、成品入库查询、库存零件变更日志 查询等。部分功能及描述介绍如表 4.6所示。
表 4.6 综合查询模块功能列表
模块 功能 描述
生产任务查询 查询近期生产任务
零件信息查询 查询零件材料、数量、库存位置等信息
产品信息查询 查询成品及需要加工的产品加工进度、质量信息等
检验信息查询 查询检验结果,成品数、报废品数和返修品数
缺件信息查询 查询当前订单下所缺零件信息
库存零件信息查询 查询当前库存零件信息
更换信息查询 查询更换信息,如设备、零件、人员等
生产领料信息查询 查询当前生产领取物料信息
4.4.7统计分析模块
为了更好地利用原始数据信息,就要对存储信息进一步统计分析,为制定正确的决策做出 依据。统计分析模块主要是完成事后统计分析功能,包括零件入库数量统计、零件出库数量统 计、成品检验统计、成品分类别统计、生产工时统计、生产耗费统计等。功能及描述如表 4.7 所示。
表 4.7 统计分析模块功能列表
模块 功能 描述
零件入库数量统计 统计入库零件的数量
零件出库数量统计 统计出库零件的数量
成品检验统计 统计质量检测信息
成品分类统计 对完工产品分类型统计
生产工时统计 统计加工工时
生产耗费统计 统计生产耗费的原料、工具等
 
4.5本章小结
本章对系统的整体框架和功能模块进行分析,提出了基于RFID的数据采集和处理方案, 并对系统的各个功能模块进行了详细分析与设计,包括了基础数据管理模块、信息采集模块、 在制品管理模块、订单跟踪模块仓库管理模块、综合查询模块和统计分析模块,对各个功能模 块的具体内容进行了细分。
第五章 系统实现
5.1引言
本章给出了基于RFID车间制造过程信息管理系统的具体运行平台,重点介绍基础数据管 理模块、信息采集模块和定单跟踪模块的实现。该原型系统采用基于客户端/服务器的C/S两层 架构,是在Windows平台下,采用Microsoft Visual Studio2008开发工具,以C#作为开发语言, 采用Microsoft SQL Server2005数据库管理系统,设计和开发的一个信息管理系统。
5.2系统运行实例
5.2.1用户登录
运行本系统后,首先出现如图5.1所示的用户登录界面,账号和密码可在基础数据管理模 块中的员工管理模块中设置,用户职责不同,登录后所拥有的操作权限也不同。
 
图 5.1 用户登录界面
登录系统后,会显示如图5.2所示的系统主界面,主界面上方是系统的几个主要管理模块: 基础数据管理、在制品管理、订单跟踪、仓库管理、信息采集、统计分析和综合查询七个模块。 主界面的下方显示了车间实时运行状态,包括了车间员工和企业管理者最关心的几类信息:在 制品信息、加工设备信息、定单信息和库存管理信息。数据来源于车间现场的 RFID 读卡器读 取到了生产信息。
 
 
图 5.2 信息管理系统主界面
 
5.2.2基础数据管理
基础数据管理模块包括设备管理、物料管理、工艺管理和员工管理四个功能模块。本文将 主要介绍设备管理和工艺管理的实现。
设备管理界面如图 5.3所示,企业通过基础数据中的设备管理模块,可以对车间内所有设 备实现实时管理,随时掌握设备的运行状况和维修信息,为合理安排设备生产与检修提供基本 信息。
 
 
图 5.3 基础数据管理界面
工艺模块管理是生产管理过程中工序信息的源头。根据企业生产组织的实际情况将工艺模 块分为五金、注塑和模具工艺模块,对于某一工艺模块,在其中添加具体的工序信息,并将工 序信息与设备,岗位设置关联关系。工艺模块管理界面如图 5.4所示。
 
 
图 5.4 工艺模块管理界面
员工信息管理主要包括企业在职员工的所属车间,岗位职责,登录系统的用户名,密码等 信息进行管理。用户权限设置是设置员工的操作权限,各个用户登录系统后都有对应的权限。
物料管理主要是管理车间内所有物料信息,包括了:原材料、在制品、半成品和成品等
5.2.3信息采集
车间生产过程数据采集功能主要依靠RFID读写器读取电子标签中的信息和向电子标签中 写入零件信息,并查询数据库来实现,电子标签的读/写是实现信息自动采集的关键技术。本系 统的数据采集主要是对生产加工过程的数据采集和质量检验数据采集。
在企业下达生产任务之前,首先对每个订单下的每批零件设置标签编码,系统己经根据企 业内部的编码规则设定好标签编码,此处,只需选中界面上方的某个订单,界面中间部分显示 出该订单下的零件的详细信息,选中某一批零件,点击界面下方的“设置编码”按钮,系统会自 动给该批零件设置唯一的标签编码,然后点击“保存”,便可将标签编码保存到该零件的记录下, 从而实现了标签编码与零件ID的关联。
 
零件从进入第一道加工工序开始,系统便开始自动采集加工过程数据,加工过程数据采集
如图 5.5 所示。
 
图 5.5 数据采集界面
零件开始加工时,操作员扫描电子标签,读写器读取标签中的计数值,并判断是奇数还是 偶数,此时显示的为奇数,则代表开始加工,系统自动采集开始加工时间、加工工序、加工设 备、操作员等信息,并保存到数据库中;加工完成后,操作员再次扫描电子标签,读写器同样 先获取计数值,此时为偶数,则将加工数量写入电子标签,并且系统自动采集加工结束时间, 这时系统会自动计算出零件的加工工时,系统根据读写器读取到的电子标签中的零件号从生产 加工信息记录表中找到该零件的加工信息记录,将加工数量,加工结束时间,加工工时等信息 添加到这条记录中。
零件的加工伴随着半成品检验,成品检验等质量检验过程,当零件被送至质检部进行质量 检验时,质检员检验完成后,将检验信息写入电子标签,读写器扫描电子标签,物料员根据读 写器上显示的零件判定信息,将零件送至相应的工序。质量检验数据采集如图 5.6所示。
 
 
图 5.6 质量检验数据采集界面
 
5.2.4订单跟踪
订单跟踪模块主要实现了对订单的生产过程进行跟踪与监控以及对订单整体执行进度的统 计,方便了企业管理人员和订单跟单员实时地、全面地掌握订单生产进度。订单跟踪管理界面 如论坛 5.7所示。
琦订单跟踪 I口回
请选择走单号:定单1
生产过程跟踪|原材料跟踪
 
 
 
图 5.7 定单跟踪界面
5.2.5库房管理
库房管理模块主要包括了库存零件管理、库存成品管理、库存工具管理、原料到货管理以
及领料确认管理。其管理界面如图5.8所示。
百仓库管理
翱塑]库存成品|库存工具|原料到货|领料确认]
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 5.8 仓库管理界面
5.2.6综合查询
综合查询模块主要包括了定单查询、生产任务查询、零件信息查询、产品信息查询、检验
信息查询、缺件信息查询、更换信息查询和生产领料查询等等。其管理界面如图 5.9所示。
 
图 5.9 生产进度查询界面
5.2.7统计分析
统计分析模块主要包括了零件入库统计、零件出库统计、成品检验统计、成品入库统计 生产工时统计和生产耗费统计。其管理界面如图 5.10所示。
 
右统帕析 1^
零件入库统计 零件出库统计 成品检验统计 成品人库统计 生产工时统计 生产耗贾统计
 
 
 
 
 
 
成品详细信息
 
 
 
图 5.10 统计分析界面
5.3 系统运行平台
5.3.1实验平台简介
为了对车间制造过程管理及信息采集进一步研究,本文将基于RFID车间制造过程信息管 理系统应用于实验室的自动化车间仿真平台,如图5.11所示。该实验平台主要包括以下几部分: 上位计算机、ARM主控制器、RFID信息采集系统、自动化立体仓库、加工单元和自动导引小 车 AGV 等。如图所示。
 
RFID读卡器 带有标签的物料
上位计算机
控制中心 加工单元
图 5.11 仿真实验平台
上位计算机是系统平台的核心,它负责向底层车间发送指令和接收底层返回信息,是整个 系统的指挥中心和信息中心。本信息管理系统的客户端与数据库服务器即安装于上位机内。
ARM主控制器的作用与MES系统的作用较类似,主要负责连接上层管理层和下层执行层。对 于上位机,它可以接收上层发来的任务信息,并将其下达至各生产车间组织生产;对于车间工 作单元,它可以接收来自加工车间的所有信息,并将其上传至上层服务器。
RFID信息采集系统包括了 RFID读卡器和射频卡,读卡器置于加工工位上,工位分布空间 都处于其有效工作区域内。RFID标签贴于物料表面,主要负责记录物料加工过程数据。读卡 器与贴标签的物料分别如图5.12和图5.13所示。
 
自动化立体仓库是整个模拟平台的存储中心,具有成品区和物料区。加工单元包括了搬运 机械手、光电传感器和工位控制器。
5.3.2系统运行环境
基于 RFID 车间制造过程信息管理系统的运行环境包括硬件环境和软件环境两部分。
(1)主要硬件环境介绍
a) 制造车间主控制板
制造单元控制板主要接收来自主控制器ARM的信息,并通过控制机械手、机床完成工件 的加工任务。在本平台中,制造单元的控制板主控芯片选用的是PIC18F458,该芯片不仅包括 CAN通讯模块,能够很好地与制造系统的CAN总线相连。如图5.14即为以PIC18F458为核心 芯片的制造单元控制板的实物图,其中包括PIC18F458控制单元、CAN总线控制单元、串行接 口单元、电机控制单元、红外传感单元、按键扫描单元、继电器输出单元、RFID接口单元、 电源系统单元、指示灯及蜂鸣器等外设。图5.15给出了控制板主控芯片PIC18F458与上述外设 的引脚的连接状况。
 
 
 
 
图5.15 PIC18F458主控制单元
b) 电子标签
系统采用的RFID电子标签是符合国际标准MIFARE I的S50系列射频卡,容量为8K位, 数据保存期为10年,可改写10万次,读无限次。S50卡不带电源,自带天线,内含加密控制 逻辑电路和通讯逻辑电路,具有极高的保密性能。其主要参数如表所示。
表5.1 S50系列射频卡主要参数
参数 描述
工作频率 13.56MHz
通信速率 106KB波特率
防冲突 可同时处理多张标签
读写距离 100mm内能方便快速读取
通讯方式 半双工
安全性 三次相互认证、32位全球唯一卡号、每个扇区均有独立密码
存储结构 8K,16扇区,每扇区4块,每块16字节,数据保持十年
典型处理时间 识别卡3ms,读一个块数据2.5ms,写一个块数据12ms
c) RFID 读卡器
本系统采用的读卡器是ZLG500系列读卡器,该读卡器具有如下特点:四层电路板设计, 双面表贴工艺,EMC性能优良;采用PHILIPS高集成度读卡芯片MFRC500;具有控制线和可 控蜂鸣器信号输出;能读写MFRC500内EEPROM;可提供C51函数库供二次开发;可根据用 户要求定制个性化模块;支持Mifare1 S50、Mifare1 S70等系列标签。其外观如图所示。
d) 客户端计算机
 
主要是作为数据库服务器和运行客户端应用程序,可以实现数据管理、查询等要求。
(2)主要软件环境
信息管理系统及数据库:本文所开发
应用程序:由RFID产品生产厂商或集成商开发
操作系统软件:配有Microsoft Visual Studio、Windows XP操作系统和SQL数据库。
 
 
本实验平台的整体通信结构如图 5.16所示。上位机与主控制器通过串口通信。在图 5.17 的串口通信模块界面中,可以通过参数设置来对通信端口进行设置,包括端口号、波特率、数 据位、停止位、奇偶校验位以及数据传输的格式等参数。使得上位机与主控制器的通信方式更 加透明、可知。当点击“自动发送”按钮后,主控制器ARM接收到数据包,按照通信协议进 行解包,从数据包中提取要加工的工件及其服务机床,并控制AGV、机械手及机床进行相应的 操作,当此工序完成后,主控制器ARM给上位机回复工序加工完成的数据包。该模块在接收 到主控制器回复来的数据包后在将工序完成的信息状态在“接收消息列表”中进行显示。
 
 
器之间通信。图 5.19 为串行接口电路图,串行接口用于与计算机连接。如图 5.20 为控制板上
CAN收发器电路图,由于PIC18F458芯片已集成CAN通讯模块,在此基础上为此模块增加了
一片高速的CAN收发器芯片,作为CAN协议控制器和物理总线的接口。
 
 
 
图5.20 CAN总线控制单元
 
5.3.3信息采集流程
本实验平台主要是为了模拟制造车间现场数据采集的状况,其具体采集流程如下:生产定 单确定后,上位机做出生产计划,并负责排产。下达排产信息给车间主控制器,主控制器根据 生产任务,分别发送命令给AGV与自动化立体仓库,仓库将贴有标签的生产所需物料运至出 料区,而AGV小车则进入仓库出料区等待物料出库。
当装载物料的小车到达指定机床部位时,标签也进入了读卡器的工作范围,读卡器扫描到 有射频卡进入工作区域,发出问答信号,标签被激活,与读卡器建立连接。应答流程如图 5.21 所示。
 
 
读卡器读取射频卡信息后,便将信息传输给主控制器,而后主控制器又将其传送至信息管 理系统处理并储存至数据库。信息管理系统再根据订单信息,及物料状态,发送指令改写物料 上的射频卡内数据。
5.4本章小结
本章详细介绍了基于RFID车间制造过程信息管理系统的几个功能模块,并将系统运行于 实验平台上,仿真分析了车间制造过程的数据采集和处理过程。
第六章 总结与展望
6.1全文总结
本文以离散型制造车间为背景,结合生产车间仿真实验平台,研究了离散型制造业制造过 程信息管理系统的设计与实现。本文首先对离散型制造业信息化发展和制造过程管理现状进行 了分析,研究了生产加工车间的现状,在此基础上进行了系统需求分析,并提出了基于RFID 技术的制造过程管理系统解决方案,对系统的功能模块进行了详细的分析与设计,最后给出了 系统的运行实例。本文研究的具体内容如下:
(1)以离散型制造业中的加工车间为例,分析了加工车间生产管理现状及生产作业流程,总 结了加工车间制造过程管理中存在的问题与不足。在此基础上对制造过程信息管理系统进行了 需求分析,提出了基于RFID的制造过程信息管理解决方案。
(2)结合现有的制造执行系统功能模块与我国离散企业生产实际,研究出基于RFID的制造 过程信息管理系统总体功能模型。研究了生产过程管理的数据采集技术和数据处理技术,并对 管理系统进行了数据关系分析与数据库的设计。
(3)对系统中基础数据管理模块、信息采集模块、在制品管理模块、订单跟踪模块进行了 详细的功能设计,并对仓库管理模块和综合查询模块进行分析,提出了基于RFID的加工过程 数据采集方法和质量检验数据采集方法,研究了在制品过程跟踪和状态监控的实现方法以及对 订单整体执行进度进行跟踪的实现方案。
(4)在以上研究的基础上,开发了制造过程信息管理系统。该系统实现了对生产过程中数 据信息的自动采集和处理,方便了企业管理人员实时地跟踪和监控企业的生产过程,全面地掌 握订单的整体执行进度,从而保证了订单的交货期,提高了产品质量和企业的生产效率。 6.2研究展望
随着信息技术的发展,RFID技术的应用越来越广泛,尤其是在供应链和物流行业,这项 技术应用于企业生产管理中也是企业信息化发展的一大趋势,但至今将RFID技术应用到企业 生产过程管理中的案例并不多。本文在传统的生产信息管理系统基础上,引入了 RFID技术, 并对其进行了分析与研究,但是由于受时间和个人水平限制,该系统在功能和技术上还有待进 一步地研究和完善,主要包括以下几个方面:
(l)本论文虽然设计和建立了制造过程管理的整体功能模型,但还有车间生产调度、质量管 理等模块没有实现,还有待进一步的研究形成标准的信息管理系统。本文虽然研究了质量检验 的数据采集方法,但并没有研究如何对生产过程进行质量控制,预测和避免将要出现的质量问 题。
⑵ 可以在基于RFID的制造过程信息管理系统中引入电子看板技术,实现RFID技术与电 子看板技术的有效结合,从而进一步提高企业的生产效率和产品的质量水平。
(3)制造过程信息管理系统与企业其他的管理信息系统的集成问题也是研究的一个重点, 只有实现了企业所有信息系统的集成,才能使得企业的整个供应链管理得到优化。
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