0 引言
中小型制造業面臨著多品種、小批量，制造過程離散化等問題，這要求企業能夠更精確地安排生產，管理生產運行中的更多的細節。但是，我國大部分中小型制造企業仍在采用需人工干預的被動信息交互手段，缺乏主動性和實時性，導致生產組織響應慢而難以滿足制造過程信息化的需求，制約了企業的發展。MES系統能很好地解決這些問題。國內外各大專院校、科研院所和信息技術公司紛紛對MES應用表現出濃厚的興趣，進行了深入研究，取得了大量的科研成果。如文獻探討了精細化生產管理實踐在大型煤機企業的實施過程；文獻針對汽車制造企業在總裝環節出現的數據采集手段落后等問題，提出了基于射頻識別技術的汽車總裝生產模式，構建了該模式下的汽車總裝制造執行系統，在實際應用中取得成效。然而，以塑料制造業為背景的MES應用研究暫時還沒有。塑料制造業在裝配和加工過程中具有零部件品種多、工藝繁雜、生產變化快，生產管理復雜等特點，給塑料制造企業的管理帶來很大的困難。本文提出一種基于RFID的智慧車間的精細化生產管理的生產執行系統，能夠實現塑料制造業從企業管理、生產指揮到生產自動化控制系統的有機集成，能提高企業的生產管理水平。
1 基于智慧車間的MES架構
精細化生產管理是指對生產進行計劃、控制和持續改進。是以生產計劃為主線，使各種資源按計劃所規定的流程、時間和地點進行合理配置與管理，使企業高效、低耗、高質、靈活、準時地生產市場需求的產品，在生產執行的基礎上進行統計分析，提高生產水平。MES生產執行系統的建立就是要在生產過程層及管理層之間加強數據集成與分析的力度，拓展優化技術應用的范圍，建立完備的物流批次監控管理體系，真正實現企業信息集成和業務集成優化。如圖1所示，塑料制造企業的MES結構主要由車間調度排產優化和基于RFID數據采集以及質量跟蹤組成。車間調度是車間制造執行系統的核心功能之一，本系統在生產執行(物理)模型和生產計劃(邏輯)模型基礎上建立計劃調度排產優化算法，切實符合企業的生產實際情況，變復雜問題為多步求勰的簡單問題，具備合理性和實用性。求解過程分三步：①以訂單為輸入，通過排產模型及約束計算出可能的工藝路線；②以工藝路錢為輸入，依據生產執行模型，通過優化算法，得到排產邏輯模型與生產執行模型的最優匹配，合理分配任務；③計劃層面按訂單和其他約束條件選擇需要進行加工的生產加工方案和時間限制，并通過總體產能、庫存情況，產生可能的加工方案組合。確定加工方案后，按優化規則在生產執行物理模型中計算加工方案對應的生產單元路徑，并對該路徑進行約束限制和優化評價，計算得出的最優解通過工作任務指令方式寫入產品標簽，指導產品在智慧車間的整個生產流程。本文將在后面重點對所構建的面向塑料制造業的RFID智慧生產車間進行介紹。
圖1 MES架構圖
2 基于RFID的智慧生產車間
智慧車間是指在車間內部署RFID閱讀器、RFID標簽，建立物料跟蹤的節點網絡，并定義這些生產對象節點的工藝(質量)參數，按批次、模塊對參數進行采集，分析工藝(質量)參數的相關性，支撐全廠的物料跟蹤流程。它利用先進的接口技術和RFID自動設備，獲取現場各個節點的生產數據、庫存數據，質檢數據和移動數據，通過全廠參數計量信息的收集、整理和分析，完善對物料生產過程所涉及的生產單元、設備、倉庫儀表數據采集和錄入，為各種生產活動提供物料移動、加工、庫存和設備、管理層輔助決策和車間成本核算提供可靠保證刪。RFID智慧車間能夠實現全部或者部分生產數據的自動收集、生產情況的實時監控、操作參數的在線調整優化等生產運行管理和監控功能，是高效率生產和管理的前提，是MES生產數據的來源脅。
2.1 現有裝配車聞的生產流程
現有企業管理系統中生產過程信息始終是“離線”的，質量工藝、物料消耗、實際產量、殘次品數等生產信息還是靠原始的人工錄入方式，不能連續、自動、完整地反映在企業管理系統中。其流程如圖2所示。裝配車間主任根據交期先后和物料的齊備情況，交計劃員電腦排產，填“生產派工單”將生產任務下達給各個小組長。組長依據“生產派工單”填寫“領料清單”，并到發料倉庫領料。
組長對各員工進行人工派工和發料，并將各訂單的派工信息和發料數量填寫“裝配車間員工生產記錄卡”，由組長監督并在此卡上記錄數量。
組長將每班次機臺員工生產的經過質檢合格的良品和每班次回收的殘次品數量按訂單記錄到“裝配車間員工生產記錄卡”上，同時核算各工序員工的零件損耗數量和零件利用率。
一個訂單完成后，組長將各員工的領料、合格品和殘次品數量匯總到“裝配車間小組生產日報表”上；填寫“成品入庫單”傳至質檢主任確認后，將質檢合格的產品送入成品總庫；次品由專管員填寫“報廢單”，送至質檢主任簽字確認后，將殘次品送入非合格品庫。非合格品庫倉管員將這些非合格品處理數據按照裝配車間的人(機臺)或小組記錄在每個訂單里面。
圖2 裝配車間生產流程
2.2 構建面向塑料制造業的智慧裝配車間
塑料制造業的智慧生產車問通過設置于車間應用管控點的多功能交互式控制終端采集現場實時信息，通過應用集成接口，數據實時上傳到MES系統，實現數據的保存與記錄，達到與上層資源管理系統、客戶、動態聯盟合作企業的數據共享，從而構建起資源管理系統、車間生產管理模型、底層制造控制系統的縱向無縫集成和車間生產管理與動態聯盟合作企業制造車間的橫向無縫集成，智慧車間系統構成如圖3所示。為了增強生產過程管理的透明化程度，提高離散生產車間的快速響應能力，圖3中控制終端主要具備兩方面功能：一是實時自動接收、顯示作業計劃及指導書等信息，指導工人生產操作；二是通過終端外連的RFID設備、質量采集終端、生產設備和人工錄入接口，實時準確采集在制品物流、產品裝配質量、生產異常事件等信息。
圖3 智慧車間系統構成
2.3 智慧裝配車間應用流程
該公司共有七個生產車間，每個車間分上下兩層，樓下為注塑車間，樓上為裝配車間。注塑車間機臺上架的模具不同，生產出來的注塑件不同。每個裝配車間的裝配工序基本相同，裝配工人從半成品庫領取的注塑件不同，裝配出來的產品就不同。各個裝配車間產品對應表如表1所示。下面以裝配三車間生產的矮泵產品為例詳細說明該公司的裝配工序。矮泵產品由泵體、壓蓋、連蓋等30種零件組成，這些零件在預設的產品工藝路線的約束下裝配，如圖4所示：裝配工人從車間的半成品庫和外購件庫領取所需注塑件和外購件，依次經過沖頭子、試頭子、套滴子、連套、撳泵、壓氣檢測、胃口、組裝、插管九道自動機工序得到半成品矮泵(已插管)，最后通過—道手工作業生產出完整的矮泵成品。
表1 裝配車間產品對應表
圖4 傳統矮泵生產流程
在矮泵產品的裝配過程中，前制程的輸出是后制程的輸入，之一，某道工序的零部件不夠時，可以暫時跳過，先組裝后面的兒道工序，待到該工序零部件齊全時，再將該零件與后面幾道工序組裝出的半成品組裝在一起。MES需要采集這一過程中的生產日期、班次、每道工序的操作工、投入的零件編號和領料重量、產出的半成品編號、余料數量、廢料數量、不合格數量等信息。本文的RFID智慧車間研究的主要是前九道自動機工序的信息采集。
為了實時監控裝配生產狀況，本方案配備讀寫距離分別為10cm、8cm、5cm的高頻RFID標簽記錄員工ID、零部件ID、產品ID等基本信息，構建基于RFID的矮泵生產流程。如圖5所示，訂單第—道工序開始之前，工作人員將初始化的產品標簽安裝在頭子外表面。操作工需在工位上的高頻讀卡器上刷卡，完成上崗認證，系統記錄當前工位員工姓名、日期、班次等上崗狀態信息。
圖5 基于RFID的矮泵生產流程
每班次上崗前，工作人員掃描裝有零件的器皿上的零件RFID標簽，高頻讀寫器將零件RFID標簽的VIN碼信息寫入其天線場強范圍內的產品RFID標簽，后續工位通過讀寫產品RFID標簽來完成生產線零部件監控和數據采集等工作。在裝配工位上，高頻讀寫器讀取產品標簽后，提示相應工位的零部件安裝信息。工作^員安裝相應零部件，并在高頻讀寫器上刷相應零部件器皿上的高頻RFID標簽。MES系統獲取并保存相應產品的零件安裝信息、工作人員信息和物料消耗信息以備后期質量跟蹤。
在生產線工位供貨環節中，生產物流部門將零部件送達工位之后，MES系統更新零部件數量信息及工序信息。完工后，高頻讀寫器讀取產品標簽，系統檢查產品經過的各道工序、料耗等裝配信息，并以生產料耗表的形式呈現給裝配車間主任、成本分析員、工資核算員。最后，工作人員取下產品RFI標簽，循環使用。圖5中。各標簽采集的數據如表2所示。
表2 RFID標簽信息
2.4 塑料制造環境下RFID應用可靠性
根據塑料制造業車間工作環境建立的改善RFID系統應用可靠性的技術體系嘲，如圖6所示。
圖6 改善RFID應用可靠性的技術體系
通過改進標簽和物理閱讀器硬件識別的可靠性，減少應用環境的影響，可提高標簽識別率(TIP)；采用多個標簽標識一個物理對象，在邏輯管控點設置多個物理閱讀器的應用方案可提高對象識別率(OIP)；SIP是在OIP改進的基礎上，基于各種應用完整性約束規則(如：路徑約束、伴隨約束等)，通過對異常閱讀產生的不可靠數據進行清洗與糾正的方法來提高。改進RFID硬件可靠性、減少應用環境干擾、以及增加硬件設備的實施方案都是提高RHD應用可靠性的關鍵。
3 結束語
本文以江蘇一家有代表性的中小型塑料制造企業為例，將物聯網技術、現代管理技術與制造技術相結合，全面討論了MES系統與RFID技術在離散型裝配制造業中的應用。本系統的應用實踐表明：系統實現了生產過程控制智能化、制造裝備數字化、咨詢服務網絡化和物流進出可追溯化。在實現規模化推廣之后，系統將可以成為提升該企業乃至整個塑料制造行業發展速度的重要產品。系統可擴展新的功能以適用于部分相似行業。
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