離散制造是以零配件組裝或加工為主的離散式生產活動，由零件或材料經過多個環(huán)節(jié)的裝配或加工過程，生產出最終的產品。離散制造企業(yè)的生產設備往往都是典型的數(shù)控設備或傳送帶流水線，以車間為單位，按照工作中心進行成組布置。車間計劃調度部門根據(jù)客戶訂單、生產能力、庫存制定生產計劃，組織人員并安排生產設備進行投料生產。
離散制造生產過程普遍存在產品品種繁多、工藝復雜、個性化要求高等特點，反映在信息模型上就是信息量大、關聯(lián)和處理規(guī)格復雜。這些特點對生產過程的信息采集、傳輸、處理等環(huán)節(jié)都提出了很高的實時性和可靠性要求。憑借遠距離無接觸識別和數(shù)據(jù)存儲容量上的優(yōu)勢，射頻識別I疆ID技術被廣泛應用于制造、交通、物流等領域。RFID還具備識別速度快、準確性高、耐污染等特點，很適合應用于對實時性和可靠性要求較高的離散制造過程中。
離散制造過程可以分為車間生產過程控制和現(xiàn)場制造執(zhí)行2部分。其中車間生產過程控制是離散制造過程的核心。主要強調的是生產計劃控制和執(zhí)行。本文將就離散制造過程的生產過程控制方面展開討論，研究并開發(fā)一種基于RFID離散制造車間生產過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于業(yè)務管理層和車間底層數(shù)據(jù)之間，強調制造過程數(shù)據(jù)的實時采集、生產作業(yè)計劃的可執(zhí)行性和有效性。基于RFID技術的車間制造過程數(shù)據(jù)采集和管理方法的總體目標是在車間管理中能夠自動、及時、準確地采集制造過程數(shù)據(jù)，讓企業(yè)的管理人員及時、準確地掌握企業(yè)車間制造過程的運作情況，使企業(yè)能夠快速、準確地響應市場的變化，以便盡量減少企業(yè)不必要的開銷。
1 生產過程控制系統(tǒng)研究
1．1 離散制造業(yè)生產特征分析
典型的離散制造業(yè)企業(yè)由于主要從事單件、小批量生產，產品的工藝過程經常變更，因此需要進行良好的計劃。離散行業(yè)主要是按訂單組織生產，由于很難預測訂單在什么時候到來，因此采購和生產車間制定計劃時就要借助生產過程控制系統(tǒng)。由以上分析可知，該控制系統(tǒng)需要控制的信息量大且種類多，信息之間的關系復雜，事務處理規(guī)則描述困難。主要表現(xiàn)為：(1)因單、小件較多，生產較為復雜，生產過程較難控制；(2)生產數(shù)據(jù)多，且數(shù)據(jù)的采集、處理和檢索工作量大；(3)產品的種類變化較多，用到的外協(xié)件較多，車間生產設備和倉庫要有足夠的柔性；(4)一般來說，離散制造產品的加工周期較長，加工等待時間較長，引起加工總時間過長且時間不確定；(5)影響生產計劃的因素較多，信息形態(tài)復雜。
1．2離散制造車間生產過程控制系統(tǒng)分析
生產過程控制，就是要確保企業(yè)產品在制造過程中按照規(guī)定的方法和順序始終處于受控狀態(tài)下進行，這是企業(yè)質量管理體系中最重要的一部分工作，有效實現(xiàn)了產品質量的過程控制。生產過程控制是離散制造過程的核心，它包含了車間生產制造各個方面的信息，其組成結構如圖1所示。它主要包括：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和管理、生產調度、生產現(xiàn)場監(jiān)控、勞動組織、質量控制、成本控制、工藝反饋與改進、生產統(tǒng)計、定額核算、安全生產、車間的人員調配以及整個車間設備狀態(tài)監(jiān)控等整個車間生產過程涉及到的工作。考慮到離散制造過程中產品復雜、生產數(shù)據(jù)多、加工周期較長等特點，其生產過程控制系統(tǒng)需滿足實時可靠、控制穩(wěn)定的要求。
圖1 生產過程控制系統(tǒng)組成結構圖
1．3 RFID在離散制造過程中的應用
離散制造業(yè)制造過程中不僅具有傳統(tǒng)的制造流程，還具有產品設計一工藝規(guī)劃一加工制造一動態(tài)調度一信息反饋這個動態(tài)的流程。因此離散制造業(yè)生產過程控制系統(tǒng)主要是面對車間管理人員、計劃人員提供計劃管理、資源管理、報表統(tǒng)計管理、車間作業(yè)管理等功能，而且要求實時地采集現(xiàn)場生產數(shù)據(jù)并反饋回系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計，最后根據(jù)相應的分析結果作出反應，從而實現(xiàn)離散制造業(yè)車間的無紙化作業(yè)、標準化操作、自動化派工、實時化監(jiān)控、科學化管理等目標。由于RFID具有無接觸識別和快速存取數(shù)據(jù)的特性，其在實時跟蹤、調度、檢測方面具有無可比擬的優(yōu)勢，使用該技術可大大減少人員管理和紙質管理的錯誤率，十分適合離散制造系統(tǒng)對數(shù)據(jù)和控制的實時性要求。
離散制造業(yè)生產線較復雜，生產結果與預期有誤差而影響交貨的情況時有發(fā)生，人為原因也會影響生產。將RFID標簽貼在生產物料或產品上，可自動記錄產品的數(shù)量、規(guī)格、質量、時間、負責人等生產信息，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工記錄；生產主管通過讀寫器可隨時讀取產品信息；其他相關人員能及時掌握生產狀況并根據(jù)情況調整生產安排；物料和產品離開倉庫前系統(tǒng)都將自動記錄出入庫信息，并能實時追蹤物品所在地。RFID電子標簽作為生產數(shù)據(jù)移動的載體，它在生產線上的流動，實現(xiàn)了生產過程中工人、工序、工件、工時的實時精確統(tǒng)計。從而達到實時控制生產過程、便于質量管理和追溯的目的。RFID技術的應用將有利于企業(yè)實現(xiàn)實時化、透明化、可視化的管理。
2 基于RFID生產過程控制系統(tǒng)設計
生產過程控制系統(tǒng)作為離散制造過程的核心，連接著底層車間制造與上層管理系統(tǒng)，整體系統(tǒng)結構圖如圖2所示。
圖2 整體系統(tǒng)結構圖
2．1 系統(tǒng)的整體架構
車間生產過程控制系統(tǒng)利用RFID技術采集車間生產過程信息，主要銜接上層決策系統(tǒng)ERP／MES與底層RFID設施層，對整個車間的生產進行管理和控制。分析圖1，基于RFID離散制造車間生產過程控制系統(tǒng)從模塊上劃分可分為：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、生產計劃模塊、生產狀態(tài)監(jiān)控模塊、閉環(huán)實時控制模塊和信息管理模塊。該系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)采集和處理模塊、生產計劃模塊、生產狀態(tài)監(jiān)控模塊、閉環(huán)實時調度模塊實現(xiàn)了對生產過程數(shù)據(jù)的采集、生產計劃引入、車間狀態(tài)監(jiān)控、生產閉環(huán)調度等功能，是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分。而信息奩詢管理模塊提供必要的信息查詢和統(tǒng)計分析功能。
圖3 系統(tǒng)功能模塊圖
各模塊具體功能介紹如下：
a．數(shù)據(jù)采集和處理模塊。
數(shù)據(jù)采集和處理模塊是系統(tǒng)的基礎模塊，主要負責采集物料加工數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)、產品質量檢測數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)等。采集完成后．將原始數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫和過程控制系統(tǒng)進行處理。
b．生產計劃模塊。
生產計劃模塊是過程控制的前期準備，在參考了數(shù)據(jù)采集模塊上傳的關于物料、加工設備、車間作業(yè)情況數(shù)據(jù)以及企業(yè)資源計劃的情況下，通過生產排程將生產任務生成生產作業(yè)計劃，便于企業(yè)合理安排生產，使企業(yè)資源利用達到最大化，降低企業(yè)運營成本。
c．生產狀態(tài)監(jiān)控模塊。
生產狀態(tài)監(jiān)控模塊分為設備運行狀態(tài)監(jiān)控、故障信息監(jiān)控和加工進度監(jiān)控。通過此模塊，可以實時地觀察車間各種設備運行狀態(tài)和加工進度。當出現(xiàn)機器損壞或物料大量堆積等故障信息時，可以及時采取應對措施，防止出現(xiàn)停產現(xiàn)象。
d．閉環(huán)實時調度模塊。
閉環(huán)實時調度模塊的作用是對監(jiān)控模塊返回的故障信息進行處理。當車間生產作業(yè)發(fā)生變化，例如設備運行故障、物料短缺、新訂單插入、訂單交貨期提前等情況出現(xiàn)時，運用閉環(huán)實時調度模塊可以實現(xiàn)故障排除處理和生產計劃重排。e．信息查詢管理模塊。
信息查詢管理模塊主要管理物料及設備信息、故障信息和產品完成進度信息。通過此模塊可以了解所有加工工件的加工詳細信息，其中包括工件加工的開始時間、結束時間、加工機器、加工工序、操作員等信息。同時還提供了對故障詳細信息的查詢，包括故障機器、故障原因、故障時間等信息。
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本文標題：基于RFID離散制造業(yè)車間生產過程控制系統(tǒng)研究與開發(fā)（上）
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