MES系统与RFID技术在智慧车间系统的应用

　　为了解决中小型塑料制造企业管理系统在信息采集方式、计划实时性、灵活性等方面的不足。将射频识别 Radio Frequency Identification（RFID）技术引入塑料生产车间，构建塑料制造装配车间的物料智能配送体系，形成面向离散制造业的智慧装配车间。对生产执行系Manufacturing Execution System（MES）的架构、RFID智慧生产车间应用流程、应用可靠性等关键技术进行了研究，并对车间生产组织、制造事件和动态多变市场的响应能力进行了优化。所述内容对提升塑料制造企业核心竞争力具有重要的理论与实际意义。

　　引言

　　中小型制造业面临着多品种、小批量，制造过程离散化等问题，这要求企业能够更精确地安排生产，管理生产运行中的更多的细节。但是，我国大部分中小型制造企业仍在采用需人工干预的被动信息交互手段，缺乏主动性和实时性，导致生产组织响应慢而难以满足制造过程信息化的需求，制约了企业的发展。MES系统能很好地解决这些问题。国内外各大专院校、科研院所和信息技术公司纷纷对MES应用表现出浓厚的兴趣，进行了深入研究，取得了大量的科研成果。如文献探讨了精细化生产管理实践在大型煤机企业的实施过程；文献针对汽车制造企业在总装环节出现的数据采集手段落后等问题，提出了基于射频识别技术的汽车总装生产模式，构建了该模式下的汽车总装制造执行系统，在实际应用中取得成效。然而，以塑料制造业为背景的MES应用研究暂时还没有。塑料制造业在装配和加工过程中具有零部件品种多、工艺繁杂、生产变化快，生产管理复杂等特点，给塑料制造企业的管理带来很大的困难。本文提出一种基于RFID的智慧车间的精细化生产管理的生产执行系统，能够实现塑料制造业从企业管理、生产指挥到生产自动化控制系统的有机集成，能提高企业的生产管理水平。

　　1 基于智慧车间的MES架构

　　精细化生产管理是指对生产进行计划、控制和持续改进。是以生产计划为主线，使各种资源按计划所规定的流程、时间和地点进行合理配置与管理，使企业高效、低耗、高质、灵活、准时地生产市场需求的产品，在生产执行的基础上进行统计分析，提高生产水平。MES生产执行系统的建立就是要在生产过程层及管理层之间加强数据集成与分析的力度，拓展优化技术应用的范围，建立完备的物流批次监控管理体系，真正实现企业信息集成和业务集成优化。如图1所示，塑料制造企业的MES结构主要由车间调度排产优化和基于RFID数据采集以及质量跟踪组成。车间调度是车间制造执行系统的核心功能之一，本系统在生产执行（物理）模型和生产计划（逻辑）模型基础上建立计划调度排产优化算法，切实符合企业的生产实际情况，变复杂问题为多步求勰的简单问题，具备合理性和实用性。求解过程分三步：①以订单为输入，通过排产模型及约束计算出可能的工艺路线；②以工艺路钱为输入，依据生产执行模型，通过优化算法，得到排产逻辑模型与生产执行模型的最优匹配，合理分配任务；③计划层面按订单和其他约束条件选择需要进行加工的生产加工方案和时间限制，并通过总体产能、库存情况，产生可能的加工方案组合。确定加工方案后，按优化规则在生产执行物理模型中计算加工方案对应的生产单元路径，并对该路径进行约束限制和优化评价，计算得出的最优解通过工作任务指令方式写入产品标签，指导产品在智慧车间的整个生产流程。本文将在后面重点对所构建的面向塑料制造业的 RFID智慧生产车间进行介绍。

　　

　　图1 MES架构图

　　2 基于RFID的智慧生产车间

　　智慧车间是指在车间内部署RFID阅读器、RFID标签，建立物料跟踪的节点网络，并定义这些生产对象节点的工艺（质量）参数，按批次、模块对参数进行采集，分析工艺（质量）参数的相关性，支撑全厂的物料跟踪流程。它利用先进的接口技术和RFID自动设备，获取现场各个节点的生产数据、库存数据，质检数据和移动数据，通过全厂参数计量信息的收集、整理和分析，完善对物料生产过程所涉及的生产单元、设备、仓库仪表数据采集和录入，为各种生产活动提供物料移动、加工、库存和设备、管理层辅助决策和车间成本核算提供可靠保证删。RFID智慧车间能够实现全部或者部分生产数据的自动收集、生产情况的实时监控、操作参数的在线调整优化等生产运行管理和监控功能，是高效率生产和管理的前提，是MES生产数据的来源胁。

　　2.1 现有装配车闻的生产流程

　　现有企业管理系统中生产过程信息始终是“离线”的，质量工艺、物料消耗、实际产量、残次品数等生产信息还是靠原始的人工录入方式，不能连续、自动、完整地反映在企业管理系统中。其流程如图2所示。装配车间主任根据交期先后和物料的齐备情况，交计划员电脑排产，填“生产派工单”将生产任务下达给各个小组长。组长依据“生产派工单”填写“领料清单”，并到发料仓库领料。

　　组长对各员工进行人工派工和发料，并将各订单的派工信息和发料数量填写“装配车间员工生产记录卡”，由组长监督并在此卡上记录数量。

　　组长将每班次机台员工生产的经过质检合格的良品和每班次回收的残次品数量按订单记录到“装配车间员工生产记录卡”上，同时核算各工序员工的零件损耗数量和零件利用率。

　　一个订单完成后，组长将各员工的领料、合格品和残次品数量汇总到“装配车间小组生产日报表”上；填写“成品入库单”传至质检主任确认后，将质检合格的产品送入成品总库；次品由专管员填写“报废单”，送至质检主任签字确认后，将残次品送入非合格品库。非合格品库仓管员将这些非合格品处理数据按照装配车间的人（机台）或小组记录在每个订单里面。

　　

　　图2 装配车间生产流程

　　2.2 构建面向塑料制造业的智慧装配车间

　　塑料制造业的智慧生产车问通过设置于车间应用管控点的多功能交互式控制终端采集现场实时信息，通过应用集成接口，数据实时上传到MES系统，实现数据的保存与记录，达到与上层资源管理系统、客户、动态联盟合作企业的数据共享，从而构建起资源管理系统、车间生产管理模型、底层制造控制系统的纵向无缝集成和车间生产管理与动态联盟合作企业制造车间的横向无缝集成。为了增强生产过程管理的透明化程度，提高离散生产车间的快速响应能力，控制终端主要具备两方面功能：一是实时自动接收、显示作业计划及指导书等信息，指导工人生产操作；二是通过终端外连的RFID设备、质量采集终端、生产设备和人工录入接口，实时准确采集在制品物流、产品装配质量、生产异常事件等信息。