3基于RFID技术的生产过程跟踪系统研究与实现.docx
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3基于RFID技术的生产过程跟踪系统研究与实现
摘要
在当今多品种小批量生产的趋势下,应用混流制造系统是企业改进技术提高产能增强竞争力的重要途径。
混流制造系统自动化水平高,生产过程复杂,要求信息系统能实时跟踪各设备运行状况,了解生产进度与在制品状态。
当前在制品与原材料标识主要通过条码及人工填单实现,效率低且实时性差,影响了混流制造系统的生产效率。
因此提高物料标识能力对生产过程跟踪与制造系统效率都有重要意义。
论文在分析混流制造系统需求的基础上,针对物料标识的不足引入RFID技术。
从整体的角度,提出了基于RFID技术的生产过程跟踪系统框架,该框架为混流制造系统生产过程跟踪的实现提供了指导,同时明确了RFID技术在生产过程跟踪中的作用。
此外,分析了现有RFID系统的不足,确定了混流制造系统生产跟踪的RFID中间件架构及功能模块;对系统框架中生产数据获取与集成进行了探讨。
论文重点研究了基于RFID技术的生产跟踪中的两个重要部分:
面向生产过程跟踪的RFID中间件和基于RFID技术的跟踪系统。
在RFID中间件方面,设计了识读器接口和应用程序接口,定义了标签数据的三种事件类型并提出了各类型数据的处理方式,针对混流制造系统变更频繁信息量大的特点设计了数据解析模块,减小了RFID大数据量对系统的影响。
在跟踪系统方面,确定了生产过程数据的分类方式,提出了基于物料标签的生产过程数据集成,研究混流制造系统中在制品事件类型及处理算法,研究基于物料的生产状况统计与查询,以实现基于标识的产品回溯。
最后,对基于RFID技术的生产过程跟踪系统进行了设计与实例验证。
将RFID技术与混流制造系统生产过程跟踪进行了有效的集成,实现了RFID技术在混流制造系统中的应用,在此基础上实现了基于RFID技术的生产过程跟踪。
关键词:
混流制造,RFID,生产跟踪
ABSTRACT
Theapplicationofmixed-modelmanufacturingsystemsisanimportantwaytoimprovetheproductioncapacityandenhancethecompanies’competitiveforces.Withhighautomationlevelandcomplexproductionprocess,themixed-modelmanufacturing’sinformationsystemsrequirereal-timetrackingoftheequipments’conditions,theproductionprogressandtheWIPconditions.However,thecurrentidentificationofWIPandmaterialsaremainlywiththebarcodetechnologyoraworkertofillthetable,thelowefficiencyaffectsthemixed-modelmanufacturingsystemproductivity.Thereforetoimprovetheidentificationofmaterialsisofgreatsignificancetoimprovetheproductiontrackingandthemanufacturesystem’sefficiency.
Onthebasisofmixed-modelmanufacturingsystems’requirementsanalysis,thisthesisusedRFIDtomarkthematerialsinsteadofbarcodeasbefore.ItputsforwardaframeofRFID-basedtrackingsystemfromholisticview.Thisframeprovidesthedirectionofactualizationofproductiontracking.Moreover,afteranalysisoftheexistingRFIDsystems’framesandthedemandsofthemixed-model,weputforwardtheframeoftheRFIDmiddlewareanddesigneditsfunctionmodels.Besidethese,thethesisdiscussedtheacquisitionandintegrationofproductiondata.
TheresearchofthisthesisisfocusontwoimportantpartsofRFIDbasedtrackingsystem:
RFIDmiddlewarefortrackingandtrackingsystem.InRFIDmiddleware,wedesignedtheinterfacebetweenthehardwareandthemiddlewareaswellastheinterfacebetweentheapplicationsystemsandthemiddleware;wedefinedthethreeeventsofarawRFIDtagandsetthreemethodstoprocessthetagofthethreeevents.Toimprovethemanufacturingsystem’sdataprocessefficiency,wedesignedthedataparsingmodel,throughthisthemiddlewarechangedthetag’sdatatoasimpleronewithoutdwindlingtheinformationcapacity.Intrackingsystem,weclassifiedtheproduction’sinformationintofourparts;usedRFIDmarkedmaterial’sinformationtoconnectthemandrealizedtheRFIDbasedproduction’sinformationintegration.Also,thisthesisdesignedthemethodtosolvetheincidentofthematerialduringtheproduction.WiththebigcapacityoftheRFIDtags,thethesisdesignedthealgorithmtoquerytheprocesshistoryoftheproductwhichlaidasolidfoundationfortheproduct’straceability.
Finally,thethesisdesignedandrealizedtheRFIDbasedproductiontrackingsystemandcheckeditinamix-modelmanufacturingsystem,whichprovestheRFIDusedinthemix-modelmanufacturingtotracktheproductionisfeasible.
KEYWORDS:
mix-modelmanufacturing,RFID,productiontracking
第一章绪论
1.1引言
随着中国经济的快速发展、制造技术的进步和低廉劳动力的吸引,世界知名企业纷纷将其生产基地迁往中国大陆,中国制造业得到了前所未有的蓬勃发展。
然而,随着行业成熟度的提高,产品、制造过程、制造技术等从总体上逐步趋向于同质化。
我国的制造企业在规模扩大的同时面对着利润率降低的巨大压力。
为了增强竞争力,各企业纷纷实施ERP系统,以求缩减成本控制、缩短供货周期。
但是传统生产现场管理是黑箱作业,无法满足信息系统实施要求。
因此,如何将黑箱作业透明化,找出影响产品品质和成本的问题,解决生产计划的适应性以及增加底层生产过程的信息流动,提高计划的实时性和灵活性,同时又能改善生产线的运行效率己成为每个企业所关心的问题。
MES(ManufacturingExecutionSystem,制造执行系统)应运而生。
MES处于计划层和控制层之间的执行层,主要负责生产管理和调度执行,实现质量控制、文档管理、生产调度等功能,包括物料、设备、人员、流程指令和设施等资源管理[]。
生产过程追踪是MES的重要组成部分,它涉及物料、设备、人员、工艺和质量等各类资源。
同时,为了应对市场压力各企业纷纷采取细分市场、多品牌和客户化定制等措施,以多品种小批量生产模式代替传统的单一品种大批量生产模式,混流装配线满足了这一需求。
所谓混流装配线(mixed-modelassemblylines)[],是指在一定时间内,在一条生产线上生产出多种不同型号的产品,产品的品种可以随顾客需求的变化而变化。
在混流装配的基础上,生产系统还需要满足快速响应生产变化、即时生产(JustInTime,JIT)[]、短交货期和高自动化水平等需求,柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem,FMS)应运而生[]。
柔性制造系统由物流系统、主机与管理信息系统构成,要充分发挥其的优势,系统需要实时获取物料位置及加工状况,因此无论从企业信息化角度还是从生产过程监控角度,对生产过程的跟踪与可视化是提高生产效率,实现多品种小批量混流制造的关键,而生产过程跟踪与可视化的基础是生产数据的收集与集成,物料数据的收集是其中关键的一环。
在物料跟踪方面,RFID技术作为新一代的标识技术日渐成熟,其自动远距离识别、大容量和高效数据处理能力使其替代条码技术成为二十一世纪主要标识技术成为必然。
RFID技术应用于跟踪与回溯是当今研究的热点,在食品监督检验和零售业等领域已进入实际应用阶段[][][]。
本文在分析混流制造系统生产过程跟踪现状的基础上,针对产品跟踪过程的局限,提出将RFID技术应用于混流制造系统生产过程作为物料标识技术,提出了基于RFID的生产过程跟踪,研究开发RFID中间件和生产过程跟踪系统提高数据收集和处理能力,为生产管理与产品回溯提供了敏捷充分的技术支持。
1.2混流制造系统生产过程跟踪的研究背景
1.2.1生产过程跟踪的基本概念
生产过程跟踪目的是为了实现可追溯性。
但可追溯性目前还没有统一定义,通常分为两部分:
一是基于设备的生产监控;二是基于物料的产品追溯。
ISO8402《质量管理和质量保证一术语》中对“可追踪性(traceability)”做了如下的定义:
通过记录的信息,跟踪对象的历史、应用情况或处所的能力。
美国生产与物流管理协会(APICS)[]从物流角度将可追踪性定义为:
可追踪性有双重含义:
一是指能够确定运输中的货物的位置,二是通过批号或序列号记录和追踪零部件、过程和原材料。
本文认为可追溯性包含两部分涵义:
跟踪与回溯,如图1-1。
跟踪是与生产过程同向的,由原材料至产品出库获取并显示实时信息的过程;回溯是与生产过程逆向的,由产品或半成品起始获取并显示其历史数据的过程。
生产过程跟踪是基于实时数据的动态的生产过程状态的显示与事件的处理。
基于历史信息的回溯包含两部分涵义:
生产过程中历史信息的查询和产成品的回溯。
前者是车间内部的,对生产过程所有人、机、料等信息的查询;后者是车间外甚或企业外部的,对产品批次尤其是质量与原材料信息的查询。
当今工业界非常重视的产品召回是产成品回溯的一部分。
本文研究的重点是生产过程实时跟踪和基于历史信息的回溯中的生产过程历史信息查询。
图1-1可追溯性定义的结构
Fig.1-1Definitionoftraceability
1.2.2混流制造系统生产过程跟踪的意义
混流制造系统适应于面向客户订单的生产方式企业,订单变化快,产品品种多,批量小,生产周期短。
生产的复杂性和不确定性是生产过程遇到的主要问题[]。
因为复杂性和不确定性造成实际生产过程跟预先的计划有偏差,该问题的解决主要通过预测、仿真、绩效考核等方法实现,这些方法的进行都需要生产系统提供准确丰富的生产过程信息,这些信息则通过生产过程跟踪获得。
而且,企业在遇到批量产品出现质量问题时,需要精确地追踪出问题的源头并涉及该源头的所有产品并实施召回。
这就对企业的生产管理提出了更加严格的要求。
因此企业面对行业竞争、企业自身管理等方面的压力和挑战,迫切需要采用先进的管理理念和信息系统。
提高其生产能力、产品质量和订单处理效率对离散制造行业至关重要。
所以企业的信息系统必须能够实时反应生产状况,快速解决生产中出现的问题。
而当前企业采用的ERP和PDM等信息系统无法满足生产管理实时动态的需求。
有的企业尽管实施了执行层的MES系统,但是由于数据采集和处理能力薄弱,并没有实现生产实时跟踪和生产问题动态处理。
为了提高企业生产管理能力和问题处理效率,同时为了应对控制有害物质的法律法规要求,信息系统需要实时监控生产状况,建立事件驱动的生产问题快速反应机制;记录生产信息,关联产品与生产信息;出现问题产品时,系统要精确发现问题根源,及时提出应对方案,同时完成问题产品的跟踪和召回。
1.3混流制造系统生产过程跟踪研究现状
1.3.1混流制造系统生产物料跟踪的研究现状
在跟踪系统中,数据获取的精确性和速度是衡量系统性能的主要指标。
生产过程数据记录是生产过程跟踪的基础,物料数据记录与获取是对物料进行跟踪的前提。
目前主要的数据获取方式有条码识别,电子数据交换(EDI),射频识别等等[]。
数据传输主要目的是使得跟踪与回溯系统的上游参与方可以将预定义的可跟踪数据传递给下一个参与方,使后者能够应用可跟踪原则,确保信息的连续性。
信息传输的方式可以包括:
电子表格交换、电子邮件、物理电子数据支持介质、确切信息输入方式等。
各种方式都有优缺点。
可跟踪性需要企业成功管理产品在接收、生产包装、存储和运输之间的各个环节。
如果供应链的某个合作伙伴在管理这些环节时失败,就会导致信息链的中断,丧失可跟踪性。
面向跟踪的混流制造系统生产过程中物料数据采集的主要有以下几种方式:
1)人工填单
传统生产过程数据采集主要依赖手工填单完成,手工填单效率低下,准确度不稳定且数据传输不便,随着生产自动化水平的提高和数据精确度要求的提高收工填单逐渐被其他数据采集方式取代。
2)传统条码技术
KNIGHT,ANDREW在产品上添加条码标签,生产车间设置扫描枪记录生产信息,销售点通过扫描条码联系产品生产信息[]。
生产车间记录加工信息并扫描条码实现生产信息与产品的关联,销售点扫描条码获取产品信息。
O’MALLEY在PCB物料上添加条码标签可以在生产中通过核对标签信息实现上料防错[]。
北京HW集团在其电子产品生产线上添加条码技术标识物料[],消除原来的手工数据录入、数据统计工作,大大降低了失误率提高了生产效率。
3)RFID技术
由于RFID技术不够成熟且没有统一的国际标准,其在混流制造中的应用主要集中在半导体、汽车等自动化水平较高的行业。
飞利浦电子(PhilipsSemiconductor)半导体部门成功在亚洲的供应链引入无线射频识别系统技术,成为半导体行业首家采用此技术的公司。
在亚洲的RFID项目包括在晶圆套及包装纸箱上加入卷标及跟踪装置,以控制位于台湾地区高雄制造厂及香港的亚太区分销中心之间的货物往来。
通过成功安装RFID技术,飞利浦能增加库存周转期、改善补货的前置时间,提升送货的稳定性和货仓效率,以及加强客户服务,成功改善两地之间的业务流程。
对供货渠道的各个环节,飞利浦的RFID方案可以用于单件物品[],也可以用于盘装、箱装物品。
它可以缩短供货时间、快速更新商品、提供纠错保护(确认该物品是否就是需要的物品)和大大提高物品交割速度(因为验货时间缩短)。
IBM在产品质量管理中引入RFID技术,通过RFID数据量大,远距离读写等优点了解在制品质量信息。
除此之外RFID还应用在诸如产品防伪等领域。
随着RFID技术的成熟,在越来越多的领域RFID代替条码是必然趋势,生产过程物料/产品标识和生产监督控制等方面将会越来越多的应用RFID技术[],RFID在各个行业的应用是当今研究的热点。
而且塑料芯片技术和芯片封装技术的发展也为以芯片为基础的RFID行业有了更大的发展空间。
TexasInstruments(TI)[]在其300mm晶圆加工线上采用了RFID,把RFID标签附着在晶圆料盘上,标签与生产信息系统数据库的记录一一对应。
当料盘经过加工工位时,工位处安装的识读器读取标签信息,进而给设备发送针对该料盘晶圆的加工指令。
通过应用表明,RFID技术和机械臂实现的全自动化生产避免了人为因素对生产精度的影响。
Markus[][]等采用射频识别技术和超声波技术用于晶圆运输小车的跟踪定位。
运行过程中,悬挂在车间顶部的超声波发射器向晶片盒发射超声波,晶片盒接收超声波处理后发射射频信号给信息系统,射频信号携带晶片盒的位置信息,从而实现晶圆盒运输小车的跟踪和定位。
通过将RFID的跟踪技术在英飞凌(Infineon)的晶圆工厂应用表明,RFID技术能够有效实现物流存储单元与加工设备之间的运输小车和晶圆的跟踪与定位,同时能够实现晶圆的加工防错。
Thiesse[]等采用RFID技术用于晶圆位置的实时定位和跟踪,通过试验表明RFID技术对实时晶圆加工调度具有重要作用。
Ingamell[]等利用RFID进行晶圆检测设备的探针卡跟踪,通过验证表明,基于RFID的跟踪改变了原来手工或半手工(利用条码进行探针卡的跟踪)的低效率和高错误的现象,生产率提高了5%,探测准确度提升至近100%,探测效率也提高了3~5%。
纸质条码易破损而电子产品精度要求高,生产节拍紧凑,随着镭雕技术的成熟纸质条码在半导体制造中标识物料逐渐被镭雕码替代。
后者是现在半导体生产物料标识的主要技术,二维条码技术的发展也为镭雕码标识物料提供了新的发展机遇,但是它没有改变条码技术在物料标识中数据量小的缺陷。
而且随着混流制造系统自动化水平的提高和信息化的深入,其对物料标识与数据采集技术自动化水平和敏捷度上的要求越来越高。
与此同时,RFID技术在成本降低与标准化方面日趋成熟,基于RFID技术的物料跟踪系统也在半导体制造业得到了应用,大大提高了物料跟踪的精确度和自动化水平。
但是,RFID在晶圆加工中的应用以物料传送过程中的定位为基础,实际上是将RFID技术作为一种位置传感器使用,尚未充分利用RFID技术除了自动远距离识别外数据携带量大的优点。
而作为当今混流制造系统主要物料跟踪技术的条码技术由于其近距离识别,数据携带量小的缺陷逐渐成为企业信息化的障碍。
因此,本文将RFID技术应用于混流制造系统生产中标识物料,实现物料数据的自动采集与处理,利用RFID标签信息量大的特点实现生产过程信息的采集与存储。
1.3.2混流制造系统生产过程跟踪的局限性
随着企业信息化的不断深入,条码信息量小等缺陷对企业提高生产管理效率的影响越来越明显。
在混流制造系统生产过程中应用中条码标识物品主要存在以下缺陷:
1)非穿透扫描,无法实现自动物料清点,条码需要近距离逐项扫描条码标签,丢失率高。
2)物料上下线需要人工操作,自动化水平低,易出错。
3)产品打包时需要对产品按照条码号分发,当产品位置放错时需要逐一扫描,工作量大。
4)条码环境适应性差,易污损,而且细微的损坏会严重影响读取效果。
5)条码信息量小,且不可写。
RFID技术可以弥补条码存在的诸多缺陷,因此随着RFID技术的发展成熟,其代替条码成为物品标识的主要技术是必然的趋势。
但是当前RFID技术在离散装配制造业中主要应用于半导体、电子产品加工和汽车等少数行业,并未得到广泛的应用主要由以下RFID技术的缺陷造成。
1)超高频方面技术不成熟,低频RFID需要近距离读取,没有充分体现RFID技术远距离穿透识别的特点。
2)抗金属性能有待提高,RFID标签发射的无线电波在UHF频段会被金属反射,而且金属制品产生的涡流效应也会造成电波衰减,从而降低读取距离性能。
3)成本偏高,要应用于竞争激烈利润率普遍不高的装配制造业,RFID需要有更低的价格。
随着RFID技术的发展,标签价格逐渐降低,沃尔玛在2003年宣布开始使用RFID代替条码标识商品,其采用的超高频RFID标签成本已经降低到1.5元人民币左右。
零售商场和配送中心应用RFID技术后,货物短缺率和产品脱销率降低了16%,商品库存管理效率提高了10%左右,商品补货速度较之以前提高了3倍左右补货效率加快63%,零售商场和配送中心的商品平均库存量降低了10%。
若其供货商不能满足要求为物品添加RFID标签则会失去供货商地位,而沃尔玛的供应商大约有70%来自于中国。
其成功经验和竞争优势也促使我国制造业加速RFID应用进程。
在标签抗金属性方面,BoGao,MatthewM.F.Yuen等[]将EGB(ElectromagneticBandGap,电磁场带系)材料应用于UHF频段的RFID标签达到了较好的抗金属效果。
2006年韩国RFID组件与中间件开发及制造商Sontec公司宣布推出多款采用德州仪器(TI)EPCGen2IC芯片的贴装金属标签与针对金属的RFID识读器[]。
在金属环境中将该产品添加于金属表面可以实现UHF频段的物品识别。
随着供应链的需求和RFID技术的成熟,RFID的缺陷逐渐被弥补,从而RFID在混流制造系统的广泛应用也将成为现实。
1.4本文的研究目标与内容
根据以上对混流制造系统生产过程跟踪现状的分析,本文针对混流制造系统生产过程中物料跟踪与回溯以条码技术为主,自动化程度和准确度均不理想的现状提出的研究目标与研究内容如下:
研究目标:
将RFID引入混流制造系统生产代替条码作为物料标识技术,建立适用于混流制造系统的RFID中间件架构;研究中间件各模块的算法;实现中间件数据处理结果存储与实时发布;研究基于索引的生产过程数据查询;开发基于RFID技术的生产过程跟踪系统。
研究内容:
研究适用于混流制造系统生产过程跟踪的RFID中间件架构,研究中间件各模块的数据处理技术。
在此基础上研究基于物料编码的生产过程数据集成与查询,研究跟踪过程事件处理,实现基于RFID的生产过程实时跟踪与生产历史回溯。
1.5本文章节结构
第一章绪论,主要说明研究课题的现状,本文的研究内容和应达到的要求。
第二章说明本论文的研究框架基础,建立基于RFID的混流制造跟踪系统框架,。
第三章说明核心内容之一,面向生产过程跟踪的RFID中间件研究。
第四章说明核心内容之二,生产过程跟踪实现技术研究。
第五章说明原型系统架构的实现。
第六章说明案例实现。
第七章是总结及展望。
图1-2反映了文章的组织结构及解决问题思路内容如图所示:
图1-2文章组织结构图
Fig.1-2Thesisstructure
第二章基于RFID的混流制造跟踪系统设计
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