精益生產(chǎn)要求對車間在制品進行實時跟蹤與在線監(jiān)控，目前車間生產(chǎn)中的各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析往往是很滯后性的，這種實時性要求與滯后性的現(xiàn)狀之間的矛盾在當今激烈的市場競爭環(huán)境下更加突出了。種類繁多的在制品頻繁在車間運送、生產(chǎn)要快速響應各種突變、緩沖庫及倉庫容量要動態(tài)優(yōu)化等要求企業(yè)必須對車間在制品狀態(tài)實時地監(jiān)控。

    有關(guān)這方面的研究，國內(nèi)外的學界和企業(yè)界進行了廣泛的研究。在國內(nèi)，關(guān)于在制品跟蹤管理方面的研究，陳蔚芳等以面向訂單的精密模具加工企業(yè)在制品跟蹤和管理為背景，分析了條碼制作、數(shù)據(jù)采集點設(shè)置、在制品生產(chǎn)狀態(tài)判定等問題，只是針對條形碼應用的特點給出在制品在工序間的狀態(tài)判斷，在應用上具有局限性；關(guān)于在車間管理中應用實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究方面，臧傳真等提出了基于智能物件的實時企業(yè)的觀點，分析了智能物件技術(shù)在制造企業(yè)中的應用場景，應用現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)在車間庫存管理，主要目的是針對庫存管理中物料進出庫的盤點、統(tǒng)計等場合。

    在數(shù)據(jù)采集與處理方面，黃振峰等。副研究了一種先進的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用USB2.0與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸，拓展了聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸方式，但研究成果的應用場合受到很大制約。在國外，TAYLAN OHo通過構(gòu)建生產(chǎn)過程模糊模型，研究了人工神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和后傳遞多層感知算法，算法具有很好的理論指導價值，但是文中缺少對模型算法的求解過程。

    本文在前人研究基礎(chǔ)上，從車間實時在制品管理的一般模型出發(fā)，以某時刻工序在制品流向流量為基礎(chǔ)，通過分析實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控技術(shù)手段在車間生產(chǎn)中的應用，從在制品的狀態(tài)識別到跟蹤監(jiān)控來構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)控模型，給出模型參量的計算公式，結(jié)合某企業(yè)裝配生產(chǎn)在制品狀態(tài)進行監(jiān)控，采用RFID、Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)等智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，能準確、及時地完成對生產(chǎn)作業(yè)過程中產(chǎn)生的在制品工時、進度及產(chǎn)量等實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動快速收集統(tǒng)計，從而實現(xiàn)監(jiān)控與查詢等管理功能。

1 實時在制品管理的一般模型及使能技術(shù)

    車間在制品管理的好壞，直接影響著產(chǎn)品“質(zhì)量、成本、交貨期”各項指標的完成，為了提高在制品質(zhì)量、保證生產(chǎn)進度，需要對車間的生產(chǎn)現(xiàn)狀實時的了解和動態(tài)的跟蹤。通過構(gòu)建可視化的車間管理可對生產(chǎn)及時調(diào)度與監(jiān)控、實時統(tǒng)計反饋、進行標準工時的測定、實際與標準工時的差異分析、實時顯示各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)產(chǎn)量及變化狀況。通過管理層計算機了解當前車間各生產(chǎn)線、各部分生產(chǎn)狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸，使得車間管理者及時地進行生產(chǎn)調(diào)整，圖1為實時在制品管理(Real-time Work in Process Management，RT-WIPM)的一般模型。

圖1 實時在制品管理的一般模型

    從圖1中可以看出，實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)是實現(xiàn)在制品狀態(tài)監(jiān)控的關(guān)鍵，但是目前在很多離散制造車間中，仍然停留在通過人工記錄產(chǎn)品的生產(chǎn)過程或制造日志，而且這些數(shù)據(jù)需要等到加工裝配結(jié)束后，方能將手工獲取的大量數(shù)據(jù)通過手工方式錄入到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，加之獲得的數(shù)據(jù)可靠性差、效率低，因此，實時監(jiān)控和統(tǒng)計的要求無法實現(xiàn)，應對這樣的困境，需要采用多種智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)融合的手段來解決底層數(shù)據(jù)錄入與數(shù)據(jù)處理等問題。RFID技術(shù)等作為智能數(shù)據(jù)載體作為信息傳遞的紐帶表現(xiàn)對在制品的實時信息采集和實時追蹤兩個方面，使信息的采集整理更加高效、準確、完整和豐富生動，突破底層數(shù)據(jù)采集的“瓶頸”。為了提高效率，加強數(shù)據(jù)的準確性、及時性和詳細程度，智能數(shù)據(jù)源網(wǎng)絡(luò)是非常重要的措施，通過它可以實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)交流，從而實現(xiàn)物理世界和計算世界的緊密集成。

    RT-WIPM通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理而實現(xiàn)，如圖2所示，通過智能物件對原材料倉庫、車間生產(chǎn)線以及成品倉庫等企業(yè)的物理現(xiàn)實進行數(shù)據(jù)采集和跟蹤，將采集的數(shù)據(jù)和跟蹤的信息經(jīng)由傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理中間件和企業(yè)信息系統(tǒng)。

圖2 RT-WIPM使能技術(shù)層次結(jié)構(gòu)圖

2 在制品狀態(tài)識別與監(jiān)控建模

    對生產(chǎn)過程中的在制品(WIP，Work In Process)監(jiān)控，主要是獲知在生產(chǎn)過程中，某一零件、組件、部件等的加工裝配信息、位置信息、生產(chǎn)時間信息等制造其量指標。

    對生產(chǎn)中信息的監(jiān)控，某些指標最隨著生產(chǎn)物流的進程而發(fā)生改變的。生產(chǎn)過程中，工序是最小基本單位，假設(shè)車間中某一工序指標量是由工序?qū)傩院凸ば蛱卣鲀蓚�變量決定的值，因此，可以定義在制品(WIP)的狀志就是由物料、時間、工序?qū)傩院凸ば蛱卣魉膫�參量來唯一確定，即D={I_wip，WS，S，T}。其中，I_wip={p_i|i=1,2,3,...,n;p_i∈pt_n}表示車間中WIP的指標集合。其中，p_i的數(shù)值表示零件的車間生產(chǎn)編碼信息，它是產(chǎn)品構(gòu)成BOM的元素，即p_i∈pt_n；WS={w_j|j=1,2,3,...,n}表示車間生產(chǎn)系統(tǒng)中的工位集合(Workstation Set)，其中，w_j的值是某一工位j的屬性值；S={s_k,s_j|k,j=1,2,3,...,n}表示某一零部件或產(chǎn)品在某一工位時，生產(chǎn)工況信息集合，其中，“表示零部件與工位的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其值有。未到達”、“到達”、“作業(yè)中”、“離開”等；s_j表示零部件或產(chǎn)品在某工位j的特征信息值。T={t_pi[w_j,s_k]}表示某一零部件p_i在工位w_j處于s_k狀態(tài)下的時間序列，因此，一組相互關(guān)聯(lián)的p_i、w_j、s_k、t_i,j,k構(gòu)成工件的狀態(tài)信息指標集合元素。把p_i、w_j、s_k和t定義為數(shù)據(jù)d_s的四個基本屬性參量，因此以生產(chǎn)過程及系統(tǒng)運行狀態(tài)的指標信息量為生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成要素，定義車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)(Production Monitoring System，PMS)的信息模型(Information model，IM)，即IM_PMS={PT,P,W,S,T,△TD,M,A}其中，PT={pt_n}代表加工或裝配生產(chǎn)系統(tǒng)中，車間中零部件、在制品、產(chǎn)品的種類BOM集合；△TD=△t_ptk[w_js_k,w_j＋xs_k＋y]}表不pt_n品種BON中某一WIP從工位(j)的屬性值w_j所包含的信息量值集合s_k躍遷到在工位(j＋x)的屬性值w_j＋x，所包含的制造信息量值集合s_k＋y狀態(tài)下，所需遍歷的額定時間序列集；M={m_l|l=1,2,3,...,n}代表生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中所包括的在制品類型的集合，m_l是WIP的BOM中的編碼；A={A[Pt_n]}表示車間中WIP的制造工藝路線集，令A^t={A^t[P_i]}表爾某一時刻t制造工藝路線上某WIP生產(chǎn)進度指標參量集，因此，A[Pt_n]與A^t[p_i]同為j行k列的矩陣，矩陣中的元素用“1”和“0”表示W(wǎng)IP與某制造工藝路線的關(guān)系，“1”表示W(wǎng)IP處于制造工藝路線中，“0”表示W(wǎng)IP不處于此制造工藝路線中。

3 模型參量的計算

    由上面討論的在制品的狀態(tài)識別與監(jiān)控模型，可得生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中其量指標包括工時、某訂單生產(chǎn)進度、某一類型在制品數(shù)量等指標量。下面對某些具體指標進行計算和說明，其他指標的計算和參量可以根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的模型推定。

    ①工時的計算

    △t_pi[w_js_k,w_j＋xs_k＋y]＝t_pi[w_j＋xs_k＋y]-t_pi[w_j,s_k]   (1)

    式中，△t表示某一零部件或產(chǎn)品p_i從工位j到工位j＋x所需的工作日歷時間。產(chǎn)品p_i在工位j包含的屬性值為w_j特征值為s_k，在工位j＋x并處其屬性值和特征值分別為w_j＋xs_k＋y。

    ②某訂單下WIP進度計算

    令△A[p_i]為A^'[p_i]與A[pt_n]的差別矩陣，所以，有

    △A[p_i]=A^'[p_i]-A[pt_n](p_i∈pt_n)    (2)

    式中，△A[p_i]=0表示某一零件或產(chǎn)品p_i已經(jīng)離開某工藝路線，完成其加工或裝配過程，等待進入下一工藝路線或進入成品庫，此時標記f(p_i)＝1；△A[p_i]≠0意味著某一零部件或產(chǎn)品P_i處于給定的工藝路線中，處于加工裝配狀態(tài)，或等待加工裝配，未離開此條工藝路線，并標記為f(p_i)=0；因此，此時計劃下制造執(zhí)行效率η，可以定義為：

    式中，η的大小表示訂單執(zhí)行情況或制造效率的高低，它為生產(chǎn)調(diào)度提供參數(shù)依據(jù)。

    ③WIP產(chǎn)量的計算

    式中，X，Y是某一WIP的計算期內(nèi)，進入工藝路線和離開該工藝路線的始末在監(jiān)控系統(tǒng)中的編碼。從以上的討論中可以看出，生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中基本數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接或間接在產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品加工裝配過程中獲得，所以模型參量的計算是可行與有效的。

4 應用實例

    將生產(chǎn)線上不同類型的數(shù)據(jù)采集模塊(以RFID讀寫器對芯片固定編號的讀寫為索引)相互通訊和對數(shù)據(jù)庫的實時操作，并將讀取信息寫入數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)在制品實時數(shù)據(jù)采集。對在制品監(jiān)控跟蹤與狀態(tài)查詢指實時統(tǒng)計在制品工時、進度及產(chǎn)量等狀態(tài)。結(jié)合公式(1)、(2)、(3)、(4)應用Visual C#.net開發(fā)了車間在制品實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。運用本文開發(fā)的系統(tǒng)驗證在制品實時狀態(tài)監(jiān)控模型，對某裝配生產(chǎn)線在制品生產(chǎn)情況進行實時監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)包括在制品工時及各個主要工序的生產(chǎn)進度、在制品的其他指標查詢界面等，下面簡單介紹如下：在車間生產(chǎn)過程中，根據(jù)工藝文件的要求，首先將指導文件輸入到系統(tǒng)中，進行各個加工裝配工位工票文件定制、工藝要求匹配、工時定額設(shè)置，然后通過在車間局域網(wǎng)內(nèi)的各工位的讀卡器采集每個工位的物理位置、工序生產(chǎn)實際時間、生產(chǎn)任務的變更、工位資源狀況(包括操作者、在制品信息、設(shè)備編號等)、工位的屬性信息等。此外，可以根據(jù)實際數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)之間的變化，給出生產(chǎn)過程中等待、趕工、緊急幫工、緊急插單等情況的狀態(tài)信息進行顯示。在讀卡器讀取電子標簽的數(shù)據(jù)過程中，基于RFID技術(shù)的在制品實時狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)離不開動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)和基于控件的遠程通信，動態(tài)數(shù)據(jù)交換使應用程序能彼此交換數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，基于控件遠程通信可以實現(xiàn)確定服務器計算機名或者IP地址及“偵聽”的端口，然后調(diào)用Connect方法，當建立連接后，為了發(fā)送數(shù)據(jù)，可以調(diào)用SendData方法，觸發(fā)DataArrival事件，調(diào)用GetData方法就即可獲取需要的數(shù)據(jù)。因此，通過RFID技術(shù)中的電子標簽和讀卡器的數(shù)據(jù)采集，加上車間生產(chǎn)現(xiàn)場局域網(wǎng)內(nèi)的制造資源的數(shù)據(jù)采集及處理，可有效監(jiān)控生產(chǎn)管理決策中需要的各種指標參數(shù)。

5 結(jié)語

    本文提出了實時在制品管理的一般模型，根據(jù)模型給出了基于RFID技術(shù)的實時車間管理使能技術(shù)層次結(jié)構(gòu)，為車間管理提供了一種控制模式。在制品的實時在線監(jiān)控，是使管理員對整個系統(tǒng)的運行了如指掌，并能及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。該系統(tǒng)應具有網(wǎng)絡(luò)通信服務功能，可以提供管理員和操作員之間的網(wǎng)絡(luò)通信服務，方便管理員和操作員之間的交流。車間生產(chǎn)要想滿足不斷變化的市場環(huán)境，需要監(jiān)控在制品的實時狀態(tài)，它反映了車間生產(chǎn)物流的狀況，該監(jiān)控模型和算法計算公式數(shù)據(jù)采集容易、操作過程簡單，通過應用系統(tǒng)驗證具有一定的科學性與可行性。

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本文標題：基于RFID技術(shù)的離散制造過程其量指標監(jiān)控研究

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