RFID在离散型制造业生产控制系统中的应用

RFID及其应用在全球正处于迅速升温的时期，并被业界公认为是2l世纪最有前途的重要产业和应用技术之一，在制造业、物流、商业、航空、海关、交通、医疗等众多领域都有着广阔的应用前景，它能为许多行业实现现代化管理，提升技术水平，降低运营成本，提高经济效益带来好处。未来几年内，中国内地的RFID市场规模将保持稳定增长。保守估计，2010年其市场规模将达到40.8亿元人民币，硬件、软件和服务市场规模分别达到23.7亿、10.5亿和6.6亿元人民币。其中，2008年将出现跳跃式发展，当年市场规模将达到30.5亿元人民币，硬件、软件和服务市场规模分别达到18.9亿，7.4亿和4.2亿元人民币。2006年6月9日，我国15个部委联合发布了《中国射频识别RFID技术政策白皮书》，标志着我国RFID发展进入崭新时代。据水木清华研究中心预测，中国RFID标签需求总量在2010年将达到55亿只，2008年奥运会、2010年世博会等大型活动将对RFID产生极大的市场需求。除了在电子门票、安全防伪等方面的应用外，2008年北京奥运会的食品也将采用电子标签进行全程管理。在制造行业，质量控制，批量跟踪，产品召回，库存精确和透明化管理，劳动力和物料成本。资产利用率外包制造管理和供应商管理等领域，RFID都有较好的应用。
　　2离散型制造企业的行业特点及信息控制特征
　　2.1 离散型制造业的行业特点
　　离散型制造企业产品的生产过程通常被分解成很多加工任务来完成。每项任务仅要求企业的一小部分能力和资源。比如机械加工、电子元器件制造、汽车、家用电器、医疗设备、陶瓷制品、玩具生产等。
　　其具有以下行业特点：
　　(1)产品结构。离散制造企业的产品由固定个数零部件组成，其产品结构可以用树的概念进行描述，最终产品一定是由固定个数的零件或部件组成，这些关系非常明确和固定。
　　(2)工艺流程。面向订单的离散制造业的特点是多品种和小批量，因此，生产设备的布置不是按产品而是按照工艺进行布置的，例如。按车、磨、刨、铣来安排机床的位置。每个产品的工艺过程都可能不一样，而且，可以进行同一种加工工艺的机床有多台。因此，需要对所加工的物料进行调度，并且中间品需要进行搬运。面向库存的大批量生产的离散制造业，比如汽车工业等，都是按工艺过程布置生产设备。如图1所示。
　　图1 离散型企业生产工艺过程
　　(3)物料存储。离散工业企业的原材料主要是固体，产品也为固体形状。因此，存储多为室内仓库或室外露天仓库。
　　(4)自动化水平。离散制造业企业由于是离散加工，产品的质量和生产率很大程度依赖于工人的技术水平，自动化主要在单元级，例如数控机床、柔性制造系统等，因此，离散制造业也是一个人员密集型行业，自动化水平相对较低。
　　(5)生产计划管理。典型的离散制造业企业由于主要从事单件、小批量生产，产品的工艺过程经常变更，因此，需要进行良好的计划。离散行业主要是按订单组织生产，由于很难预测订单在什么时候到来，因此，对采购和生产车间的计划就需要很好的生产计划系统，特别需要计算机来参与计划系统的工作。只要计划得当，计划的效益在离散制造业相当高。
　　2.2离散型制造企业的信息控制特征
　　在信息控制上，反映为信息量大、信息的种类多、信息之间的关系复杂、事务处理规则描述困难。因此，其经营运作信息模型是各行业中最复杂、最困难和最具挑战性的，需要从技术角度和管理角度结合起来考虑。主要表现为：
　　(1)生产计划：①影响计划的因素较多，信息形态复杂;②能力需求混合建立，难预测。
　　(2)生产过程控制：①生产任务多，生产过程控制非常困难;②生产数据多，且数据的收集、维护和检索工作量大;③工作流根据特定产品的不同经过不同的加工车间。因每个生产任务对同一车间能力的需求不同，因此工作流经常出现不平衡;④因产品的种类变化较多，非标准产品多，设备和工人必须有足够灵活的适应能力;⑤通常情况下，一个产品的加工周期较长，每项工作在工作中心前的排队时间很长，引起加工时间的延迟和在制品库存的增加。
　　3 RFID在离散型制造企业生产控制系统中的应用
　　3.1 传统离散型制造企业生产控制系统的瓶颈
　　从目前的现状来看，以ERP为代表的管理信息系统力求满足企业上层经营管理的需求，而以PCS为代表的过程控制技术则用来实现现场有效的控制，然而，尽管这两类系统的推广取得了一定效果，但却忽略了两者之间的有效配合，导致企业上层经营管理缺乏有效的实时信息支持、下层控制环节缺乏优化的调度与协调。这就产生了信息孤岛与断层的现象。在离散型企业中，制造执行系统MES在经营计划管理层与底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙，事实上，MES在三层的企业架构中占据着重要的位置，主要表现在：
　　(1)MES可以对来自ERP软件的生产管理信息进行细化、分解，将来自计划层操作指令传递给底层控制层;
　　(2)MES可以采集生产过程的状态数据，以实时监控生产过程状态，再经过分析、计算与处理，并将生产状况及时反馈给计划层。
　　问题是：采用什么技术和方法适合建造这种桥梁？对于与ERP相连接的MES而言，数据采集子系统主要完成设备的网络组态，通讯接口(协议)设置，采集参数的定义，数据的采集，以及把采集到的数据以一定格式存储到数据库中;并能被ERP进行识别和处理。而这些所谓的数据采集子系统主要依靠诸如条码技术、RFID技术和其他模数，数数转换技术。
　　3.2 RFID的应用优势
　　由于离散型企业的生产线的产品品种多样，工艺流程复杂，所以也就决定了企业对于生产线上的物流、人员流动的状况难以进行有效的连续监控，也就难以取得相应的信息。随着生产成本的下降和性能的不断增强，RFID作为一种识别技术已经开始被广泛应用在生产线上作为产品生产的监控手段。我国已经把“RFID技术在离散制造业生产线的应用”列为863计划先进制造技术领域2006年度重大项目“射频识别(RFID)技术与应用”的课题之一。总体而言，目前RFID技术的应用研究正从供应链进入制造过程的核心。同其他的自动识别技术(比如，条型码等)相比，RFID技术的优势在于，它可以更快更准确地发现、跟踪、监控或清点物品。RFID标签几乎可以贴在任何的实物上，如：物品(行李，服装，电视机，电脑，宠物等);货箱或托盘;运输工具(比如货车);公司职员等等。利用RFID射频卡所具有的写功能，可以将产品标记、加工程度、质量数据以及技术要求等记录到射频标签中，还可以对其进行必要的修改。这样就可以在不同的岗位上建立起数据流，相应减轻控制系统的负担。另一方面，运用RFID技术可以相应地减少人工的介入，优化产品线的配置，为企业的信息集成和决策提供强有力的支持。
　　目前现有RFID的应用架构采取的策略是，在工厂车间环节逐步采用RFID技术，IT支持商从中获取信息并传递到现有的、已验证和工业力日强的控制系统基础结构，与配置RFID功能的供应链协调。国内已有企业在应用RFID技术方面做了有益的尝试，如青岛海尔公司的冰箱生产线使用了工业级
　　读写器进行产品信息采集，天津丰田汽车公司皇冠车生产线中也使用了RFID读写器产品进行管理。
　　3.3 RFID在生产控制系统中的应用
　　在生产制造环节应用RFID技术，可以完成自动化生产线运作，实现在整个生产线上对原材料、零部件、半成品和产成品的识别与跟踪，减少人工识别成本和出错率，提高效率和效益。特别是在采用JIT(Just-in—Time)准时制生产方式的流水线上，原材料与零部件必须准时送达到工位上。采用了RFID技术之后，就能通过识别电子标签来快速从品类繁多的库存中准确地找出工位所需的原材料和零部件。RFID技术还能帮助管理人员及时根据生产进度发出补货信息，实现流水线均衡、稳步生产，同时也加强了对质量的控制与追踪。
　　在卫浴生产企业的生产线上，都可以采用RFID技术来监控生产过程。比如通过材料小车，工装托板支架在所有产品完工入库工序时，利用叉车，生产流水线，包装台/产品运输线等位置进行数据采集。这样的一种方式可以实现在闭环条件下的重复使用。但是不同设备与应用系统之间的接口问题，大量而复杂的RFID数据如何处理和利用.如何将RFID系统与现有信息系统之间无缝集成等等都是急待解决的。解决这些问题的方法就是要构建并部署一套RFID中间件。通过中间件提供的接口，将RFID系统与已有的后端系统相连是解决目前如何将RFID技术融合到现有系统中的最佳方法。中间件能解决现有标准不统一带来的问题，利用中间件，可将前端读写器收到的数据转换成满足后端设备要求的数据格式，这样就能为用户带来很大的灵活性。很多RFID中间件系统都带有挂钩技术，用来连接操作监视器，用户可以对所使用的标签进行实时监控。同时，中间件也具有连接读写器和数据库的能力。
　　4卫浴行业应用实例
　　4.1企业简介
　　坐落于广州市海珠区的××公司1996年在广州成立，经过11年的高速发展，公司从成立初期的100多名员工发展到目前拥有员工2 500人，生产场地超过18万平方米的集生产、销售于一体的超大型现代化企业。拥有电子、五金模具与冲压、塑料模具、注塑、机械加工、按摩浴缸、蒸气房生产等十大生产部门。该公司现拥有四问工厂，引进意大利先进的生产线和生产设备，在产品总装线实现RFID配置和产品总装信息控制。系统控制过程：激活可重用RFID电子看板标签(产品制造过程附属资料)一生产现场实时信息采集(电子探头)一控制信息反馈(LED显示屏、讯响器)一产生对外标签确认入库一回收并休眠标签。该系统管理功能包括生产定单完成情况分析;日生产计划进度分析;在线物料配送管理;日成本分析等。
　　4.2系统特点
　　(1)RFID技术在卫浴生产行业中的应用实现卫浴器具生产、存储过程中的全程跟踪。
　　(2)RFID技术在卫浴生产控制过程中应用，做到实时、高效、准确的获得产品数据，并可以实时的统计分析产品的状况信息。
　　(3)应用RFID技术，可实时监测生产过程中产品的生产状况、生产质量以及产品现在所在的具体位置。
　　4.3应用效益分析
　　应用本系统后，可以使××公司降低采购成本5%，直接劳动生产率提高5%，间接劳动成本减少20%，降低库存20%，降低生产成本5%，预计每年可直接产生经济效益1 000万元以上。具体见表1。
　　表1 ××公司预计经济效益
　　5结论
　　离散型制造企业的生产控制系统的特点表明，利用RFID技术将从根本上提高产品生产过程中物品流动监控和动态协调的管理水平。RFID技术系统适合大部分离散型生产企业(如卫浴行业)的生产过程控制应用，既可以提高企业的生产效率，又能减少企业生产成本、提高企业的竞争能力，有较高的实用价值，具有非常良好的市场前景。