基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統設計與實現

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動識別技術，它利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別的目的，識別工作無須人工干預，具有數據存儲量大、可讀寫、非接觸、識別距離遠、識別速度快、保密性好、穿透性強、壽命長、環境適應性好以及能同時識別多標簽等優點，并且可工作于各種惡劣環境。

在離散制造業中，生產車間作為產品制造的中心場所、成品物流和供應物流的起訖節點，車間的制造能力和其內部物流能力對企業的生產能力起到了決定性的作用。制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）作為承接ERP（Enterprise Resource System，企業資源計劃）系統、協調SCM（Supply Chain Management，供應鏈管理）系統、調度底層生產控制系統的樞紐，在車間生產過程中起到了重要的作用。激烈的市場競爭對現代制造業提出了進一步的要求，具體表現在以下幾個方面：少量多種類的生產模式，不斷縮短的生產周期，對客戶多變需求的及時響應。這些都要求現代制造業具備更高的自動化和信息化程度。研究應用RFID技術，探索重組企業信息流，更大限度地發揮我國制造業現有資源優勢，推動企業技術進步及傳統制造業的升級換代的可行方案與模式，已成為當務之急。而將RFID技術融入MES系統之中，必定是促進傳統制造業發展升級的眾多途徑之一。

1系統需求分析

作為離散工業生產中的典型情況，汽車的裝配生產活動具有以下特征：生產過程并行且異步，設備功能冗余度大，控制量相互獨立，生產資源管理復雜，在生產過程中的零部件處于離散狀態，車輛的生產制造主要通過物理加工和組裝來實現。

本文結合安徽省某汽車生產企業具體情況，對RFID技術在汽車總裝線上的應用模式進行研究。

該企業目前汽車總裝生產線上主要使用的是條碼技術，工位員工采取手動方式掃描車身VIN碼和零部件條碼進行車輛跟蹤和裝配信息采集，整個采集過程耗時相對較大。當遭遇條碼損壞、沾染污漬無法識別時，員工需手工輸入車輛VIN碼或零部件碼，出錯率高，耗時長，難以加快生產節拍。生產現場可視化程度有待提高，需要為工人提供實時準確的裝配指導，杜絕漏裝錯裝現象的發生，對生產線車輛的裝配情況也需要實時監控。物料消耗信息反饋不及時，難以實現生產物料的實時拉動，導致生產物料庫存過多，影響資金流動。缺少對員工和其裝配零部件的關聯管理，導致在追溯因為人工操作導致的質量問題時難以將責任落實到人。

RFID技術不只是條碼技術的簡單替換，它在離散制造業中的應用將改變離散制造企業的生產經營方式。由于RFID技術具有前文所述的諸多優勢，用其取代條形碼在汽車生產線上對車輛進行標識和跟蹤，整個過程無人工干預，可以在極大程度上降低工人的勞動強度和出錯率。現今已經可以利用RFID技術來實現自動、高速、有效的記錄，降低操作員的勞動強度，從而提高了產品下線合格率。

將RFID技術應用于汽車制造業，融入到MES系統中，可提升生產過程的管理與控制水平，有效地跟蹤、管理和控制生產所需的包括物料、設備、人力等資源；與上層管理系統結合，可合理地調度、管理這些資源，提高制造競爭力，改善生產組織、縮短生產周期、減少在制品數量，提高產品的質量和降低人力資源消耗。對于發展離散制造業生產制造系統模式和應用解決方案、提高制造過程可視化監控與產品質量追蹤水平、促進制造行業RFID技術應用標準規范形成、帶動我國RFID技術產業化發展等方面具有重要的理論意義和應用價值。

2系統目標

基于以上需求分析，提出以下系統總目標：充分利用RFID的技術優勢，結合總裝車間MES系統，解決企業現行ERP系統的計劃層與車間現場自動化系統過程控制層之間、LES（Logistic Execution System，物流執行系統）車間內部物流層面和MES系統生產控制層之間、車輛質量追溯系統和原有MES系統之間信息和管理的斷層問題，實現制造和質量的可視化和數字化管理。具體分解為以下幾個子目標：

（1）將RFID技術與生產線調度系統進行結合，在生產線調度自動化的基礎上實現生產線調度智能化。

（2）將RFID技術與融入生產車間的裝配工位之中，利用RFID標簽標識零部件進行數據采集，時刻掌握生產線物料消耗信息，無延遲拉動供應物流，進一步滿足JIT供貨模式的需求；對重要部件進行安裝記錄，為質量追溯系統提供翔實可靠的數據支持。

（3）將RFID技術與現場可視化系統相結合，向工位工人提供實時準確的裝配指導。

（4）將RFID技術與車間人員管理系統和質量追溯系統相結合，除了實現人員管理的功能，還可以對裝配操作進行記錄，實現裝配責任落實到人。

3 RFID技術在汽車總裝線上的應用方案

應用方案中共涉及到高頻（13.56MHz）超高頻（915MHz）兩種不同類型的RFID標簽，其中人員配備高頻RFID標簽，標簽內存放員工ID和基本信息；每個零部件料箱中放置一枚高頻RFID標簽，標簽內存放零部件號；每臺車輛上放置一枚超高頻RFID標簽，標簽內存放車輛唯一標識碼（VIN碼）。車輛標簽采用膠磁封裝，方便吸附于車體表面。

在車輛上線之前，工作人員將初始化的標簽安裝在車體前部引擎蓋上表面。

生產線員工需在工位上的高頻讀卡器上刷卡，完成上崗認證，系統記錄當前工位員工上崗狀態信息。

在車輛上線前，工作人員掃描車身VIN條碼，超高頻讀寫器將VIN碼信息寫入其天線場強范圍內的車輛RFID標簽，后續工位通過讀寫車身RFID標簽來完成生產線車輛監控和數據采集等工作。

在裝配工位，超高頻讀寫器讀取車輛標簽后，提示相應工位的零部件安裝信息。工作人員安裝相應零部件，并在高頻讀寫器上刷相應零部件料箱中的高頻RFID標簽。系統獲取相應車輛的部件安裝信息和工作人員信息以備后期質量跟蹤，系統向LES系統返回物料消耗信息，并刷新工位零部件安裝信息提示，直至該工位所有應裝部件全部安裝完畢。在向生產線工位供貨環節中，生產物流部門將零部件送達工位之后，系統更新零部件數量信息。

在下線工位，超高頻讀寫器讀取車輛標簽，系統檢查裝配信息，工作人員取下RFID標簽，循環使用。

4基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統

4.1系統功能模塊

基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統功能模塊主要分為車間生產管理、生產線可視化、RFID標簽管理、車間人員管理等四個功能模塊，具體功能結構如圖1所示：

圖1基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統功能模塊圖

車間人員管理：管理車間人員的基本信息，配置員工的工作崗位信息，為人員工作記錄和車輛零部件數采等功能提供相關基礎數據。

總裝車間生產管理：在計劃層面從ERP系統獲取粗粒度生產計劃，分解成為日生產計劃，指導車間生產。在整車生產過程中對車輛的每一個裝配步驟進行指導和監控，以規范整個生產流程，其中包括向裝配工人提供裝配作業指導，自動化整車裝配和物料消耗數據采集，提供精確到零部件信息、裝配人員信息、供應商信息的裝配記錄，向MES系統實時反饋工位物料的消耗數據。

生產線可視化：提供對生產線和車輛狀態信息的實時反饋，有利于管理人員實時掌握生產情況。

RFID標簽管理：負責人員標簽的發放和管理，在車輛標簽的循環使用中對標簽進行發放和回收，并針對車輛標簽進行資產管理。

4.2系統體系結構

本系統利用部署在車間服務器中的RFID軟件中間件對車間讀寫器網絡進行統一管理，有利于屏蔽RFID設備差異性、提高RFID讀寫器網絡的穩定性和效率，且RFID設備不依賴工位終端，無需對工位終端進行特殊配置，方便部署。基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統結構如圖2所示：

圖2基于RFID技術的汽車總裝制造執行系統體系結構圖