基于RFID的離散制造車間實時數據采集系統的設計與實現

張洋洋， 陳 進

(江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122)

目前市場競爭日益激烈，制造業面臨巨大的壓力，主要表現在:產品生命周期縮短;少量多態生產型態;市場變化快，預測難度變大;嚴格的質量追溯體系［1-2］。企業要想在惡劣的市場環境中生存，必須能夠快速響應市場需求，迅速滿足客戶需求。為此，絕大部分企業實施了企業信息化工程，在市場中處于優勢地位。但是隨著信息化的不斷深入，企業也面臨著瓶頸問題:生產過程中的數據不能實時準確的采集［3］。

伴隨識別技術的不斷提高，RFID技術［4］為制造執行系統的數據采集功能提供了一種高效、可靠的實時數據采集技術。RFID最大的特點是非接觸性，因此完成識別工作時無需人工干預，適于實現自動化且不易損壞，可識別高速運動物體并可同時識別多卡，操作快捷方便。RFID技術既保證了數據的可靠、準確性，同時又提供了高效獲取生產數據的技術方法。文中以無錫某工程機械制造企業實際應用的數據采集系統為背景，提出一種基于RFID技術的離散型制造車間生產過程實時數據采集系統的設計與實現。

1 離散型制造業與RFID技術

1．1 離散型制造業的特點

離散制造業涉及面非常廣泛，包括汽車、機床、計算機、日用電子消費品等。目前在大中型的離散制造企業中，管理信息化和設計信息化已得到一定的應用并取得了較好的效益。但是對于大部分離散制造企業，車間信息化是一個薄弱環節，車間生產的信息很難準確及時地反饋到企業的管理層，極大地影響了企業決策的及時性和科學性。離散制造業有如下特點［5］:

1)產品組成復雜、品種多。每種產品都由很多零部件組成，產品結構關系復雜;為了滿足市場發展，需要研發新品，提供更多的產品種類，很多企業還提供定制服務，使產品種類不斷增加。

2)工藝路線復雜多變，生產周期長。成品需要經過零部件加工、裝配等一系列環節，很多零件可能需要幾十道工序才能生產出來，涉及眾多車間、外協廠商。從采購到加工、裝配、出廠，一般需要幾十天甚至幾個月，導致產品生產周期太長。

3)生產過程組成復雜。要維持生產，需要原材料、設備、工裝夾具、倉庫、操作人員等一系列科學配合，牽涉企業各部門和供應商，生產過程組織極其復雜。

1．2 車間數據采集

離散制造車間生產過程中的數據包括車間人員、物料、加工設備、工票、工裝、加工過程等，涉及車間各個部分。生產現場的數據包括工人、物料、設備、工票、車間加工過程等。現場數據可分為靜態數據和動態數據，具體分類如下:

1)工人信息。包括工人工號、姓名、工種、班號等信息，是靜態數據。可建立靜態的工人信息表存儲工人信息，通過工號即可查詢到工人相關數據，生產現場需要采集的是工人工號。

2)物料信息。包括物料編號、名稱、尺寸、材料牌號、加工工藝等，是靜態數據。可以建立靜態的物料數據表存儲物料信息，通過物料號即可查詢到相關數據，生產現場需要采集的是物料編號。

3)設備信息。包括設備編號、名稱、分類、型號、所在車間、設備性能等，屬于靜態數據。可以建立靜態的設備信息表存儲設備信息，通過設備編號即可查詢相關信息，生產現場需要采集的是設備編號。

4)工票信息。工票是離散制造企業車間生產現場加工的基本單位，也是工人進行加工的依據，屬于動態數據，包括工票號、工人工號、設備編號、開票日期、開工日期、準備工時、定額工時等，工票在有新的生產任務時開出，在工票任務加工完成時結束。在生產現場需要采集的是開工時間、完工時間等。

5)車間加工信息。用來記錄在車間的加工完成情況，是動態數據，按約定的讀卡器事件進行采集。

1．3 RFID技術特點

在傳統的生產過程中生產數據是靠生產記錄文件獲得的。它通過手工在生產管理文件上記錄每一批次產品在每一個工序生產過程的數據，等到該批產品加工完畢后，再把管理文件上記錄的生產數據通過手工錄至計算機中。因此，該方法操作繁冗，生產數據記錄滯后，無法實現實時監控和統計，數據的可靠性差，效率也非常低。目前，不少企業仍然采用這一傳統手工錄入數據的方式。為了提高企業信息化程度，一些企業已采用條形碼方式的數據采集技術進行生產管理。

RFID(射頻技術)是一種非接觸的自動識別技術。RFID系統通常由讀寫器、電子標簽、天線及控制器組成。在RFID系統的應用中，標簽附著在被識別的物體上，當帶有電子標簽的被識別物體進入可識讀范圍時，讀寫器以自動無接觸的方式將約定的信息從電子標簽中讀取出來，從而完成自動識別物品或者自動收集物品標識信息的功能。

RFID技術與條形碼技術比較，有如下特點［6］:

1)可在惡劣環境下使用。條形碼必須依靠激光讀取信息，在光線差、油污污染等情況下不可識別。RFID采用無線電射頻，可以穿透外部材料進行識別。

2)可遠距離識別。條形碼只能靜距離讀取，而RFID則能快速準確地讀取數米外的信息。

3)可重復使用。RFID的標簽可以在生產任務完成后回收再利用，節約成本。

2 系統總體結構

2．1 硬件組成

該系統采集的是車間的實時生產數據，主要包括:零件的開始加工時間、完工時間、在線生產數等。根劇車間數據采集的需求，設計系統的硬件組成［7-10］如圖1所示。在每臺加工設備上安裝數據采集終端，利用串口網絡實現數據采集終端與采集系統的通信。將車間數據采集系統集成到企業局域網中，實現與ERP/MES系統的數據交換。

圖1 系統硬件組成Fig．1 System hardware

系統包括有:在每臺加工設備上安裝的數據終端，多臺通過局域網連接在一起的客戶機，多臺通過局域網連接的數據庫服務器。多個不同型號的閱讀器通過各個廠商提供的協議與軟件連接。標簽可以根據實際需要選無源的或是有源的;也可以是一些閱讀器對應有源標簽，而另一些對應無源標簽。每個閱讀器從標簽讀取數據，經過系統初步處理加工后，通過局域網存儲在企業數據庫中。

2．2 軟件設計

車間數據采集系統必須為上層ERP，MES等管理軟件提供車間生產的實時數據，因此需要考慮實時數據的采集，并與其他管理軟件集成。

2．2．1 數據采集系統與其他信息系統的集成 分析企業目前的管理系統，需要把車間數據采集系統與其他管理系統的數據集成，具體如圖2所示。系統通過數據終端及時采集車間生產數據，觸發采集系統對數據的處理并存儲到企業數據庫，企業的其他管理系統可以共享該數據，實現了集成功能。

圖2 系統數據流Fig．2 Data flow of system

2．2．2 系統操作流程 由于數據采集軟件僅在企業內部使用，且考慮數據安全、運行速度等因素，軟件采用客戶/服務器結構，即C/S模式;同時考慮到企業目前已有管理軟件均采用SQL Server 2000數據庫管理系統，為了滿足企業信息化集成、數據共享、軟件兼容性等需求，故數據采集軟件仍以SQL Server 2000作為數據庫管理系統。軟件在C++Builder與SQL Server 2000環境下開發完成。數據采集系統的流程如圖3所示。

圖3 系統操作流程Fig．3 Operation flow of system

軟件設計主要包含以下關鍵技術:

1)采用多線程技術。數據采集系統必須實時采集數據，同時系統還需要統計在制品情況、車間計劃執行情況等，所以系統采用多線程。一個線程負責掃描閱讀器狀態，另一個線程則負責統計生產情況。

2)判斷閱讀器事件是否合法。為了系統正確地采集數據，對于閱讀器的事件做一些約定。①員工卡卡號 ＜30 000，物料卡卡號 ＞90 000;②生產以刷物料卡、刷員工卡開始，以按“F1”鍵結束，如果在加工開始5 min之內刷其他物料卡則視為無效，必須先按“F1”鍵結束，才能開始新的零件加工;③數據采集終端的按鍵事件，規定一些按鍵觸發的命令，“F2”鍵視為暫停。

3)利用數據庫存儲過程將合法事件保存至數據庫。對于閱讀器發生的合法事件，利用存儲過程將采集到的信息保存至數據庫，以便系統進行數據處理。合法的事件包含:①事件類型。“刷卡事件”、“開機事件”、“按鍵事件”。② 事件內容。卡號、鍵值、閱讀器ID等。③事件時間。每次事件發生的時間。

3 系統運行

硬件安裝完成后，首先設置每個閱讀器的ID以及IP地址。對于軟件主要設置各串口的IP地址，保證每個閱讀器的IP地址唯一。調試完成后就可以運行系統進行數據采集。運行流程如圖4所示。

圖4 數據采集流程Fig．4 Flow chart of data collecting

車間數據采集運行流程如下:

1)開始。車間主管已根據生產計劃及工藝文件完成派工，將零件與物料卡按照車間計劃放置在托盤內。生產管理軟件如圖5所示。

圖5 車間計劃窗體Fig．5 Workshop production plan form

2)刷物料卡。加工者取下托盤內的物料卡并在閱讀器掃描，閱讀器會顯示該物料的批次以及名稱等信息。數據終端顯示如圖6所示。第1行顯示批號，第2行顯示零件名稱。

3)刷員工卡。加工者將自己的員工卡在閱讀器掃描，閱讀器會顯示該卡的姓名。系統將記錄時間作為零件的開始加工時間。數據終端如圖7所示。第1行顯示批號與工序號，第2行顯示零件名稱，第3行顯示加工者姓名與零件數量，第4行顯示提示信息。

圖7 數據終端界面Fig．7 Data terminal interfaces

4)開始加工。加工者裝夾零件，開始加工。生產管理軟件如圖8所示。生產臺賬記錄了該生產活動的主要信息，包括批號、零件名稱、工序序號、數量、加工者、開始加工時間。

圖8 生產臺賬窗體Fig．8 Production records form

5)按F1鍵。加工結束，系統將記錄結束加工時間。生產管理軟件如圖9所示。系統將結束加工時間更新到生產臺賬。

圖9 生產臺賬窗體Fig．9 Production records form

4 結語

利用RFID的特點設計的車間數據采集系統，不僅可以使數據采集更實時準確，同時為企業生產計劃層提供生產能力的準確值。該系統實現了對車間的實時監控、在制品統計、生產計劃的科學安排，大幅度提高了企業的生產效率。本系統目前已經初步開發完成，并在該企業實施。通過一段時間的運行，系統不斷完善，目前已經能滿足企業需求，從而提高了企業的競爭力。

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