基于RFID技术的汽车零部件工厂制造执行,系统的设计实践

姚 昊

（上海博泽电机有限公司，上海 201814）

1.1 中国汽车零部件行业发展现状及趋势

得益于国内汽车产销量、保有量的持续增加和零部件采购的全球化，我国汽车零部件行业规模迅速扩大，2001至 2015年汽车零部件工业产值年均复合增长率约为23.10%，高于汽车工业总产值18.86%的年均增速。然而，在较为关键的零部件制造信息化追溯系统，特别是在制造执行系统（Manufacturing Execution System, MES）的开发应用和管理方面，无论是国内企业还是外资企业在中国本土的实践现状不佳。企业资源管理系统众多，但没有打通企业各个环节。2018年至今，在全球工业4.0和中国制造2025目标的驱动下，适合企业的信息化管理系统，特别是制造执行系统将是改善我国汽车零部件产业在制造运营中的关键。

1.2 国内外MES研究及应用现状

目前，国内外已有许多学者进行了制造执行系统的相关研究工作。JEAN M S等针对基于规则导向和产品驱动的MES系统，提出了理论模型来满足客户定制化需求。荣刚通过XML和BizTalkserver技术的中间件集成方法，实现了MES与企业资源管理计划（Enterprise Resou- rce Planning, ERP）系统的集成。梁秀璟通过分析无线射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）技术等智能物件在制造业的应用场景，构建了基于智能物件的制造企业信息系统，并在分析陶瓷浴缸生产过程的基础上，提出了基于RFID的生产过程动态监控系统，并通过中间件实现与ERP数据库的集成。张学琴等利用RFID技术在离散制造生产线管理中获得制造效率的提升。杨林伟将MES作为企业执行层面的信息管理系统之一，置于计划层和控制层之间，通过各类信息通信技术，在汽车制造过程中，整合人、机、料、法、环、测各方面资源，对生产运营过程进行最优化的资源管理，起到承上启下的作用。

由于国内汽车市场的需求在近几年日益多样化，企业只实现物品批次管理而缺乏单件精细化管理是无法在行业竞争中立足的。因此，在国内汽车召回制度的推动下，作为智能制造核心的MES逐步出现在本土的汽车行业零部件制造企业中，并发挥作用。然而，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。另外，目前汽车制造业大规模采用RFID技术的MES案例并不是很多，但离散型汽车部件制造业急需更多实践性应用。

1.3 国内汽车零部件行业生产管理问题及对策

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：

第一，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。

第二，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。

第三，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。

第四，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。

因此，本文的对策就是运用结构化查询语言（Structured Query Language, SQL）数据库技术和Java与Labview开发语言，在构建MES与现场自动化设备和各个企业级信息管理系统的基础上，通过引入RFID非接触式无线射频技术，实时地掌握在制品的型号、数量、进度、转移、质量状况等信息，达成工厂从物料的供应到制造过程和最终客户端物品层的精细互联过程实时监控的目的。

2.1 MES和ERP系统的集成

首先，MES和ERP的数据内容的采集很关键，需要遵循相互独立性、信息共享性、相互服务原则性和坚持目标一致原则，需要项目团队在前期就坚持系统是为整体目标服务的理念。

其次，细致定义MES和ERP集成的内容。从层次维度看，大方向是从计划层、执行层和控制层明确具体的内容，而在各个独立层面的内容又要细化为不同的具体层次内容。从时间维度来看，集成的内容的关键点在于明确对服务功能的需求是短期、中期还是长期，确保系统流程运作顺畅。

再次，MES和ERP集成的过程也是需要关注的技术点，包括两个诀窍，一个是按照企业的实际业务流程来处理对接过程。另一个是系统之间的接口进出的转换标准统一的问题，如不同数据库标准和网络协议等的互为转换等。

2.2 数据库管理技术SQL

MES要求使用开发式的数据库系统，其互相连接语句和技术，用驱动程序对不一样的数据进行连接，然后通过嵌套语句进行结构的转换。使用这项技术，用户只需要在浏览界面上简单输入查询命令，系统会自动跳出查询界面，服务器请求接受，就会根据请求的需求数据，回传给浏览器。而结构化查询语言SQL完全满足上述三大要点且可以实现补充说明的应用场景，其专为数据库而建立的操作命令集，是一种功能齐全的数据库语言，其已成为MES数据库操作的标配。

2.3 无线射频识别技术

RFID是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的，识别工作无须人工干预，具有数据存储量大、可读写、非接触、识别距离远、识别速度快、保密性好、穿透性强、寿命长、环境适应性好以及能同时识别多标签等优点，可工作于各种恶劣环境。RFID系统一般由标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）组成，同传统的接触式条形码采集数据相比，RFID技术在应用性能方面全面超越了传统的条码技术。

3.1 MES目标概述

工厂MES建设是在统一平台上集成生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，使用统一的数据库，通过网络联接为工厂各部门提供管理信息服务，达成实时的工厂管理，实现企业生产利润和价值的最大化。企业可提出以下系统总目标：充分利用RFID的技术优势，实现工厂的MES系统，解决企业现行ERP系统的计划层与车间现场自动化系统过程控制层之间、车间内部物流层面和MES系统生产控制层之间、制造质量追溯系统和原有其他企业级信息系统之间信息和管理断层问题，实现制造和质量的可视化和数字化管理。

3.2 基于RFID的MES关键模块需求分析

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。

图1 汽车零部件MES关键模块构建示例

生产计划模块是企业宏观计划管理与微观排产管理之间的衔接模块，也是基础的数据模块，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。

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。

3.3 基于RFID的应用方案

本文中提出的推荐方案最适合应用于汽车零部件制造企业的生产运营，经安装在物料零部件、设备工装以及流水线工装板等运载体上的电子类标签实现对总成的追踪和监控。RFID技术将主要作为数据采集层，采集的关键数据包括五大类，其重点内容如表1所示。

表1 RFID系统的应用数据采集

基于现行的标准，选择合适的RFID标签至关重要，典型应用方案中将涉及高频（13.56 MHz）超高频（915 MHz）两种不同类型的RFID标签，推荐选择的RFID标签规格如表2 所示。

表2 RFID应用技术参数

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：

在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电子标签，将其固定在每一个随行夹具上，通过阅读器将零件各类必要编码无接触写入电子标签，具有唯一性，可作为零件跟踪的关键标识信息。

在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标识位置，在量产过程中通过在线的阅读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。

在物料追踪方面，必要的零部件在供应商端需要提前部署电子标签，通过工厂的系统阅读器，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，线边阅读器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。

在质量追溯方面，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，通过阅读器读取RFID编码，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。

在过程数据方面，生产过程监控的关键工位上，通过设置的阅读器和天线自动获取RFID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（Programmable Logic Controller, 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。

3.4 基于RFID的MES总体结构

该系统采用分层结构，其主要包括标签部署层、物理层、中间件层、功能应用层和系统接口 层。标签部署层主要依据汽车生产车间的不同应用需要将标签安装于工装、运载部件或设备的相应区域。物理层主要依据的应用需要将RFID阅读器及其他硬件设备进行部署和管理，实现现场数据采集、打印、监控和设备驱动控制等。在实际的工业制造系统现场可以考虑将总体架构设计成服务器和客户机的模式，即从生产现场的实际出发，选择采用C/S模式。RFID中间层主要实现现场数据采集设备与控制器和MES系统的集成。功能应用层主要面向管理信息系统的维护、查询、统计、报表等应用，要求应用灵活、管理和操作方便，则选择采用B/S模式。系统接口层主要实现MES系统与企业信息管理系统之间的集成。

在具体应用方面，基于RFID的汽车零部件制造执行系统集成如图2所示。通过在生产线相应的工位处安装固定的RFID电子标签阅读器或手持式阅读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，同时和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。

图2 基于RFID的汽车零部件MES集成模型

笔者负责设计运营的上海某汽车电机B工厂已经在2019年末将基于RFID技术的制造执行系统成功应用于某电子助力转向电机批量生产的项目上。图3为该产线的生产工艺流程图，其中三条分线和包装站配置RFID应用端的站点共计19个，其中原材料上线1个，定子组织和检测3个，转子组织和检测3个，定转子及机壳组织8个，电机总成检测2个以及清洁包装入库2个。

图3 基于RFID的汽车电机生产工艺流程图

4.1 现场的实时数据采集

在基于RFID的MES系统实施以后，转向电机线完成了各个工位的实时数据采集工作。过程的工艺主要分为电机转子充磁，定子装配，转子、定子和机壳部件在总成装配以及100%下线功能检测（End of Line Tester, EOLT）。首先，电机转子充磁线会通过固定的在线扫描器，借助标准料箱上或单件的RFID电子标签获得所有原材料的实际信息，包括但不限于ERP中的订单信息、零件号、批次或单件制造数据。在确认了订单状态、原材料信息和质量类信息之后，MES 也会同步调用后续生产必须的工艺过程、生产作业指导书或计划、释放生产订单、选择电子检查清单、反馈ERP系统握手数据等。同时，现场的控制系统采用的是西门子自动控制系统和非标柔性的工装设备及机器人，MES在通过线边数据库和中央数据库的调用明确制造型号并记录后，并行记录整个过程必需的硬件设备状态信息，更新它们的使用时间、频次信息、操作任务状态，协同质量追溯表单模块、基础数据模块以及辅助管理模块实时采集定义的必要信息等。同时，定子线采用完全相同的实时数据采集方式，通过工装板中可擦写存储器记录的电子标签信息和装配完成的转子总成物理RFID标签记忆信息传递到总成装配线，总装线在在制品（Work in Process, WIP）上线前通过无线接触已经可以判断并提前获得所有合格或不合格品状态，做出自动判断并进行数据实时交换。最终，MES在获得所有下线检测数据后打包所有数据至SQL数据库，再下线打包打印客户指定标签，包括可能的电子标签及二维码（Data Matrix Code, DMC）。客户端将通过该最终标签获得关键信息确保后续产品质量的追溯，而每个助力转向电机的唯一条码也将与对应的包装标签联动，更新到ERP系统中去，整个在线的实时数据采集过程完毕。

4.2 现场可视化管理

基于RFID的MES现场可视化管理可确保在实时数据采集过程中及时让内外部的客户及管理团队获得最新的更新信息，从而做出理想的决策。B公司的助力转向电机线的系统，核心驱动是关注整体工厂运营绩效的提升。将设备管理的综合效率（Overall Equipment Efficiency, OEE），对整体劳动效能指标的分析，可以清楚地了解劳动力绩效，找出人员效率的改进方向和办法，而分析劳动力绩效的基础是及时、完整、真实的数据。通过考勤机、排班管理软件、MES系统等实时收集的考勤、工时和车间生产的基础数据，用数据分析的手段，衡量人工与资源（如库存或机器）在可用性、绩效和质量方面的相互关系。让决策层对工厂的劳动生产率和人工安排具备实时的可视性，通过及时准确地考勤数据分析评估出劳动力成本和服务水平，从而实现整个工厂人力资本最优化和整体劳动效能的提高。在该产线上，所有的运营关键指标（Key Performance Indicator, KPI）都是实时更新的，包括在线的5S、安全数据、质量、成本和效率等可以实现可视化，准确改善整条电机产线的生产运营效率指标，充分实现了无纸化。

4.3 质量追溯管理

质量追溯管理在B工厂的MES系统上的信息同样是来自实时数据采集后留存的关键数据内容。在生产线上，系统会将零件号、控制计划、检验计划和过程失效模式分析（Process Failure Mode and Effects Analysis, PFMEA）关联起来，最主要的是内外部客户关心的关键质量参数都将一一记录，并确保和文件体系是对应的。具体实施中，在订单号中扫描材质编号后，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，并通过质检结果控制下一道工序的开工，起到防错功能。客户的质量接口在获得电机的最终产品编码便能全程追溯到电子转向电机的制造过程信息，满足客户对全产品生命周期的投诉、维修、售后和分析的需求。

4.4 辅助功能管理

该功能管理模块在该系统中最主要的是RFID的所有标签管理和系统人员的管理工作。RFID的标签可以分类为一次性使用或重复使用的不同功能，所以使行有效管理变得非常重要。只有授权的人员才可以对系统进行管理，而RFID电子标签整合在需要的人员工卡内，通过非接触式扫描就可以100%识别不同等级的登录和管理授权需求。

4.5 系统实施的效益

通过使用RFID技术的MES制造执行系统在2020年初正式上线启用后，B工厂相对于其它的常规配备的产线更具精细化、透明化，工厂的运营团队和总经理能够更加清晰地获得生产的实时状态，进一步提升了制造和管理自动化的水平。而由于RFID的技术已经延伸到了整个供应链之中，该改造应用项目获得了当年的集团工厂技术改革奖，已经具备作为后续更多产线的应用实践样板线基础。系统实施后在2020年12个月中的绩效统计显示，较2019年制造效率提高了12%，每百万件（Part Per Million, PPM）客户投诉率小于9次，低于之前的PPM客户投诉率15次，年代报废成本更是降低100万，库存周期从45天优 化到36天，实现了整个生产运营系统的本质飞跃。

本文提出了基于RFID技术理念的MES的应用，通过对技术的理解、需求的分析和系统框架的设计，最终在笔者从业的B工厂成功完成了项目的应用改造，并取得了成功绩效的行业实战项目。该系统可以通过RFID的中间系统，很好地实现系统与企业信息管理系统、现场的控制系统及设备工量具的集成，实时充分地解决了企业产品、生产计划人员信息、原材料状况及客户投诉与生产制造现场信息脱节的问题，是非接触式信息扫描技术取代接触式识别技术的成功案例。虽然在RFID电子标签的成本优化和二维码的兼容性方面有改善空间，但作为一个真正实现单件追踪和管理的系统，也可以在其他企业推广中产生经济效益。

猜你喜欢 生产质量系统 Smartflower POP 一体式光伏系统工业设计(2022年8期)2022-09-09阿宽的生产小组小猕猴智力画刊(2022年4期)2022-05-25一种无人机缓冲系统科学家(2022年3期)2022-04-11二年级下册期末质量检测（一）作文周刊·小学二年级版(2021年20期)2021-08-10品“助读系统”之妙小学阅读指南·低年级版(2020年11期)2020-11-16直扩系统中的窄带干扰抑制智富时代(2019年7期)2019-08-16直扩系统中的窄带干扰抑制智富时代(2019年7期)2019-08-16注意注意！吸管来袭学苑创造·B版(2018年7期)2018-08-072017年农药生产企业新增生产地址备案名单今日农药(2017年7期)2017-08-09睡个好觉海外英语(2013年1期)2013-08-27

推荐访问:汽车零部件 工厂 实践