RFID汽车零部件的MES数据采集系统设计分析

众所周知，汽车混流装配生产的特点是多种类、小批量的装配生产模式。在实际的汽车混流生产过程中，难免会出现错装、漏装、等料、错料和缺料等等状况，严重影响产品的质量和生产效率。另外，汽车装配由于生产工艺变更频繁、车间环境复杂、现场数据较难采集，因此实施难度较大。

目前，中国MES市场的集中度非常低，绝大多数MES厂商仅从事咨询与实施服务，大部分厂商的MES软件功能只是MES标准定义的子集。而MES系统的应用与制造企业所处的行业、产品特点、工艺路线、生产模式、设备布局、车间物流规划、生产和物流自动化程度、数据采集终端、车间联网，以及精益生产推进等诸多因素息息相关，应该非常具有行业和企业特质的要求。

汽车零部件行业中，其终端产品都是由零件组装而成，对生产制造，特别是装配过程的实时跟踪、查询和追溯等是管理中的重点，其在生产中存在以下几个主要问题：

1、国内大部分的汽车零部件企业都处在工业2.0到3.0的阶段，大规模、多品种的客户定制化时代来临，混线生产使得制造商面对从零部件采购到包装发运及售后都被要求监控产品的状态，传统的半自动或孤岛式的生产模式无法满足客户需求。

2、企业没有构建合适的MES来实现ERP和现场工控设备的信息互通，导致管理人员无法实时获得生产线状态和关键客户订单的完成情况。

3、生产过程干扰因素多，加工过程不稳定，生产过程数据采集量大且分布于各个制造环节，同时要求在线实时采集和处理数据，企业无法及时发现潜在的风险并及时采取措施。

4、少数有条件实施MES的企业普遍采用条形码技术来完成制造过程的数据采集和跟踪监控等工作，而接触式的识别技术效率和自动化程度低，无法适应多变的周边环境。

MES为生产管理系统，也叫制造执行系统。在刚开始，MES被人们理解为数字群控（DNC）、生产指挥系统以及数据采集等人力管理资源的集成者，但随着该技术的发展，MES已经慢慢能够支持生产中管理的层次，同时还能够汇聚管理的所有主要元素，正式成为生产管理系统。该技术具有先进的生产管理理念，通过计算机技术来实现企业各项业务之间的信息管理功能，并为企业的日常生产管理提供所需要的数据资料。

在很多制造信息化企业的建设中，大多会优先选择EPR系统，该系统能够满足企业建设的基本需求，但是在MES系统内部上层的EPR很少有生产管理功能。而MES在生产过程中以管理者的视角，向操作人员提供生产所需要的全部数据信息，例如材料、工具、设备以及要求等。将MES和EPR进行结合，两者之间协同工作，可进一步提高企业系统的智能化建设。MES系统在企业生产中起着重要作用，可有效提高企业的生产效率，同时还能够和除EPR系统外的其他系统协同工作，加快信息流通速度，为企业的进一步发展提供了保障。

MES总体需求应该包括提供精准的实时数据流、优化计划编制以减少库存、更科学地进行物料管理，实现通畅信息流、降低产品生产时间以提高现场过程效益及提升产品质量等。而将RFID技术应用于汽车零部件制造，融入到MES系统中，可提升生产过程的管理与控制水平，有效地跟踪、管理和控制生产所需的物料、设备、人力等资源。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。其关键模块总体架构如图1所示。

其中，生产计划模块是基础的数据模块，需要通过有效的计划编制和产能详细调度，在保证产品按时交付的基础上，使车间生产能力发挥到最大水平。MES需要根据生产计划的变更，实时提供生产指示，使生产同步，在管理工作站上能够查询未来几天的日生产计划和排除，在生产进度管理中央系统上，能够更改现场生产计划等。

而质量追溯模块需要填写材质编号后，将材质编号录入到MES系统，可从系统中通过材质编号关联出工序相关的信息，用于报表统计和质量追溯。通过质检计划维护，当生产到达指定工序时，由系统发出提醒或暂停提示，减少人工提醒工作量，加强及时率，优化业务流程。每一道工序完工后，由系统自动生成质量编号，再将质量编号发送至质量系统，维护质量编号对应的质检信息，可进行质量统计分析。对工序进行检验报工，并通过质检结果控制下一道工序的开工，提高质量管理。对于客户端的投诉件，要求是可以根据零件唯一标识码追溯到每一个单件或批次信息。

实时数据采集模块需要将具体分解的生产指令下达给车间工作组进行生产，同时有实时数据采集模块进行生产线状态、库存、质量和设备状态等实时数据采集。通过中央控制系统或者人机交互系统运用RFID技术采集实时生产数据与具体生产指令完成数据交换和存储。该模块还需要能够每班或每天可视化地反映工厂生产的指标体系，使得管理层和内部外部客户可以判断制造运营体系的趋势并帮助他们做出迅速和有效的决策提供依据。

辅助功能模块需要整合诸如车间的人员信息管理、技能矩阵管理、RFID标签的管控、工量具和备件管理以及必要的和企业其它信息化系统管理数据库的接口功能，并为数据提供冗余和报警服务等。

为了具备精确和实时的数据作为保障，通过在工厂车间层逐步采用RFID技术，可以将从RFID标签中获得的各种数据信息进行无缝且不间断地集成，其对于在MES中的具体应用方案有以下几个方面：

1、过程数据和基础生产数据追踪方面

当零部件进入生产线或到达完工区，将自动记录工序、设备和操作者编号、加工时间，避免了人工输入、条形码扫描等操作产生的不精确数据或误差。每个在制品和半成品在准确的时间通过一一对应的顺序，被送到准确的工位。具体操作需要在工位安装RFID电子标签，将其固定在每一个随行夹具上，通过鸿陆RFID阅读器将零件各类必要编码无接触写入RFID标签，具有唯一性，可作为零件跟踪的关键标识信息。

2、物料追踪方面

必要的零部件在供应商端需要提前部署RFID电子标签，通过工厂的RFID读写器，扫描供应商原材料具体信息，通过内部MES系统衔接，可以实现从原材料到最终产品的全周期跟踪。同时，线边RFID扫描设备将持续扫描线边物料，信息在看板上及时更新达成必要的可视化目标。

3、工量具数据采集方面

当定制产线之前就规划相关设备的RFID电子标签位置，在量产过程中通过在线的RFID读写器在预先设定的时间间隔内持续更新设备运行的各类性能指标。结合现场中央计算机和自动控制系统，通过及时的预警功能，和TPM计划匹配。

4、过程数据方面

生产过程监控的关键工位上，通过设置的RFID阅读器和RFID天线自动获取RFID标签内存储的零件信息，既通过现场控制器传入后台监控系统，作为过程监控的基础信息，也通过现场可编程逻辑控制器（PLC）、机器人等设备进行数据传输，控制其执行相应的生产指令。

5、质量追溯方面

产品可追溯信息的采集，其型号和生产信息的采集是实现产品召唤的基础。特别是在关键过程特性工位，如带有安全特性的过程如螺丝拧紧中，当零件或在制品到达装配工位时，通过鸿陆RFID读写器读取RFID电子标签信息，协同过程数据如扭矩、转速等信息，实时采集存储到后台系统中，为可能的客户投诉或问题备查提供基础信息。

在具体应用方面，通过在生产线相应的工位处安装固定式RFID阅读器或手持式读写器实时采集生产线的零件信息，并通过现场控制器实现与机器人等现场设备的实时通讯。现场采集的数据通过车间现场总线传输到车间服务器进行数据处理和分析，同时跟MES应用服务器进行交互，而中央数据服务器作为数据汇总和备份的终端，获得生产数据汇总，必要时MES服务器可以从中提取数据。最终通过中心服务器将各个生产现场的数据汇总到企业管理信息系统。

基于RFID技术的MES数据采集系统，可以实现生产数据的实时采集、跟踪，产品的质量和工艺信息的快速反馈等，通过电子看板还可以实时查看并给与正确引导，避免错误的发生。通过RFID原材料管理，能跟踪记录每个元器件相关的所有属性，包括生产流程、下个工序、自身颜色、尺寸，甚至能延生到组装成成品后的编号、流向地或者定制的客户信息，能根据客户的需求进行精细化生产，在原材料开始流入生产时，就逐步进入定制化生产环节。

（部分图文来源于新工业网，作者：姚昊，侵删）

审核编辑 黄宇