基于RFID的变速箱装配线生产管理研究

    1 引言

    随着客户对变速箱产品的个性化要求越来越高，装配方式也由传统的单一装配向混线装配转变，生产控制的规模和复杂程度也逐渐提高，因此对系统的柔性能力、生产管理和质量控制的要求也越来越高。而传统方式的纸制条形码容易破坏及条码信息在装配过程中不能更改，从而不能将装配过程的信息实时记录下来并反馈给上层生产管理系统，也很难快速找出故障原因及准确跟踪变速器装配过程。因此，在变速箱装配过程中急需一种新的信息识别技术来改进条形码的不足。

    RFID（Radio Frequency Identification）作为一种非接触式自动识别技术，目前已有国内外学者对RFID 在生产过程中的应用进行相关研究。Gary M.Gaukler通过分析RFID 在装配防差错管理中的应用，构建了RFID 应用成本收益定量分析决策模型。Fagui Liu 和Zhaowei Miao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。臧传真和范玉顺通过分析RFID 等智能物件技术在制造企业的应用场景，构建了基于智能物件的制造企业信息系统。

    因此本文提出将RFID技术应用在变速箱装配过程，能够满足装配线管理的信息化需求，实现对变速箱装配的实时、准确的跟踪，从而解决条码技术在跟踪变速箱装配过程中存在的问题。

    2 变速箱装配线生产管理现状

    目前大部分变速箱生产企业采用了企业资源计划（ERP）系统以及制造执行系统（MES）。ERP 作为企业管理的最上层，其主要功能是把物料信息、采购到货信息、订单信息等资源类信息传给MES，同时MES 根据来自ERP 的主生产计划自动生成各个工件的工艺流程、工序时间、对应的逻辑关系、生产资源等，最后MES 经过处理把物料需求计划、生产队列计划、车间现场信息等反馈给ERP 系统。由于条码技术的局限性，使得ERP、MES 信息非常滞后，信息的实时性较差。总结起来变速箱装配线存在以下问题：

    2.1 生产流程管理方面

    1）总装生产数据不能及时统计，使产品统计的及时可查询性和数据准确性得不到保证，且造成人力资源的浪费；
    2）目前整个生产线的管理以批次管理为单位，针对每一个具体的产品无法进行有效的管理，不能对生产线上每一个产品的生产过程进行有效的监控。

    2.2 生产质量过程管理和质量追溯方面

    1）生产过程质量管理。目前生产质量管理主要是采用汇总统计分析的方式,而随着客户个性化的要求，企业希望实现单品管理，记录单个产品的质量信息。
    2）质量追溯管理。变速箱产品的质量问题主要通过整机流水号查询零部件的批次号和供应商代号，无法准确快速的追溯到对应的批次，造成质量追溯困难。

    目前一些制造企业在其装配线上采用了先进的射频识别技术来解决信息脱节的问题。比如宝马汽车公司、三菱汽车公司都采用了RFID 技术来跟踪生产装配过程，国内的一汽大众总装线上也采用RFID技术来进行生产数据的采集。因此应用RFID 技术可以解决上述问题：通过把各个工位的动态装配信息写入标签内，实现装配线的动态调度，使生产调度更加及时准确；通过与MES 系统的连接，追踪每个变速箱的装配信息及所装零部件的信息；将装配过程的数据存储在标签中，减少网络负担，当信息系统发生中断时，生产过程数据也能够保存。

    3 系统设计

    3.1 系统的总体设计

    多品种变速箱装配生产管理系统一个由计算机控制和管理、网络通信、RFID 技术融合的装配线信息化管理系统。该系统主要通过在变速箱箱体上安装RFID 标签，在装配线的第一道工序阅读器将箱体的品种代号、流水号、各工位安装零部件信息及工位提示信息写入标签内。在装配线的关键工位以及需要防错功能的装配工位安装阅读器，通过阅读标签内的信息提示工作人员当前的箱体类型并拿取正确的零件进行装配。在质检工位阅读器将质量检验结果写入标签内，使每一工位的质量信息可查询、跟踪以及分析，从而指导整个装配线的工作。在最后一道工序内，阅读器将标签内的所有信息进行读取并送入车间信息系统，通过访问车间信息系统做到对生产信息的记录、跟踪和统计。通过将车间的首尾计算机、各工位阅读器通过网络进行连接，实现装配线信息上传至车间信息系统或更高级的ERP 系统。RFID标签的主要分布如图1 所示。

图 1 RFID工作示意图

    为了更好的说明装配线生产管理系统各组成的功能，现说明如下：
    1) RFID 标签。在变速箱箱体上线前安装RFID 标签，在箱体出厂前将标签回收，以重复利用，以及在物料配送的料箱上贴有RFID 标签。在标签内承载的主要信息有①箱体类型；②箱体标号；③待装配的零部件编号；④质量信息，在质检工位的质量检验结果（合格或者不合格）；⑤返修信息，返修次数及质量结果确认（合格或者不合格）。
    2）阅读器。在装配线的首位工位、关重工位、质量检验工位都安装有RFID 阅读器。阅读器的主要功能如下：①将箱体或料箱的初始信息写入标签内；②从箱体或者料箱上读取标签内的相关信息；③将所获信息传送至工位信息逻辑处理器（PLC），并根据信息内容再由PLC 送到工位显示器；④将装配作业质量信息写入箱体标签内。
    3）RFID 中间件。位于RFID 硬件和后台应用系统之间的一种软件，其主要任务是将数据送往企业应用系统之前进行标签数据校对、读写器协调、数据存储和业务处理等。
    4）工位信息看板。装配线上凡涉及需要多品种管理功能的工位，须安装看板。当箱体到达这些工位时，看板上应能及时显示由阅读器从箱体标签上读取的品种信息及其他特殊信息，指导操作者进行正确的装配。

    3.2 系统体系结构

    基于 RFID 的制造执行系统采用分层结构，系统体系结构如图2 所示。

图2 基于RFID的系统体系结构

    3.2.1 系统结构说明：其中物理层和中间件层是数据采集层，采用C/S 结构，通过RFID 的标签和阅读器组成的RFID 硬件系统实时获得装配线的生产数据，并通过通过中间件对原始数据进行过滤、去重以及初步的业务处理功能，减少上层的MES 的数据处理组件的工作。数据处理层用于对来自装配线的实时数据进行逻辑处理，按照MES 的系统需求，将来自低层的数据进行数据处理、融合、存储，以支撑功能层的数据要求。功能层实现MES 系统中面向用户的作业计划管理、生产调度、质量管理等功能。该部分采用B/S 结构，实现各职能部门对装配过程的管理及协调。系统集成接口层实现MES 系统与上层的ERP 系统进行数据和业务的集成。