離散制造是以零配件組裝或加工為主的離散式生產(chǎn)活動(dòng)，由零件或材料經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)的裝配或加工過(guò)程，生產(chǎn)出最終的產(chǎn)品。離散制造企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備往往都是典型的數(shù)控設(shè)備或傳送帶流水線，以車間為單位，按照工作中心進(jìn)行成組布置。車間計(jì)劃調(diào)度部門(mén)根據(jù)客戶訂單、生產(chǎn)能力、庫(kù)存制定生產(chǎn)計(jì)劃，組織人員并安排生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行投料生產(chǎn)。

    離散制造生產(chǎn)過(guò)程普遍存在產(chǎn)品品種繁多、工藝復(fù)雜、個(gè)性化要求高等特點(diǎn)，反映在信息模型上就是信息量大、關(guān)聯(lián)和處理規(guī)格復(fù)雜。這些特點(diǎn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的信息采集、傳輸、處理等環(huán)節(jié)都提出了很高的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。憑借遠(yuǎn)距離無(wú)接觸識(shí)別和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量上的優(yōu)勢(shì)，射頻識(shí)別I疆ID技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造、交通、物流等領(lǐng)域。RFID還具備識(shí)別速度快、準(zhǔn)確性高、耐污染等特點(diǎn)，很適合應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的離散制造過(guò)程中。

    離散制造過(guò)程可以分為車間生產(chǎn)過(guò)程控制和現(xiàn)場(chǎng)制造執(zhí)行2部分。其中車間生產(chǎn)過(guò)程控制是離散制造過(guò)程的核心。主要強(qiáng)調(diào)的是生產(chǎn)計(jì)劃控制和執(zhí)行。本文將就離散制造過(guò)程的生產(chǎn)過(guò)程控制方面展開(kāi)討論，研究并開(kāi)發(fā)一種基于RFID離散制造車間生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)位于業(yè)務(wù)管理層和車間底層數(shù)據(jù)之間，強(qiáng)調(diào)制造過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的可執(zhí)行性和有效性�；�于RFID技術(shù)的車間制造過(guò)程數(shù)據(jù)采集和管理方法的總體目標(biāo)是在車間管理中能夠自動(dòng)、及時(shí)、準(zhǔn)確地采集制造過(guò)程數(shù)據(jù)，讓企業(yè)的管理人員及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握企業(yè)車間制造過(guò)程的運(yùn)作情況，使企業(yè)能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)市場(chǎng)的變化，以便盡量減少企業(yè)不必要的開(kāi)銷。

1 生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)研究

    1．1 離散制造業(yè)生產(chǎn)特征分析

    典型的離散制造業(yè)企業(yè)由于主要從事單件、小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品的工藝過(guò)程經(jīng)常變更，因此需要進(jìn)行良好的計(jì)劃。離散行業(yè)主要是按訂單組織生產(chǎn)，由于很難預(yù)測(cè)訂單在什么時(shí)候到來(lái)，因此采購(gòu)和生產(chǎn)車間制定計(jì)劃時(shí)就要借助生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。由以上分析可知，該控制系統(tǒng)需要控制的信息量大且種類多，信息之間的關(guān)系復(fù)雜，事務(wù)處理規(guī)則描述困難。主要表現(xiàn)為：(1)因單、小件較多，生產(chǎn)較為復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程較難控制；(2)生產(chǎn)數(shù)據(jù)多，且數(shù)據(jù)的采集、處理和檢索工作量大；(3)產(chǎn)品的種類變化較多，用到的外協(xié)件較多，車間生產(chǎn)設(shè)備和倉(cāng)庫(kù)要有足夠的柔性；(4)一般來(lái)說(shuō)，離散制造產(chǎn)品的加工周期較長(zhǎng)，加工等待時(shí)間較長(zhǎng)，引起加工總時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且時(shí)間不確定；(5)影響生產(chǎn)計(jì)劃的因素較多，信息形態(tài)復(fù)雜。

    1．2離散制造車間生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)分析

    生產(chǎn)過(guò)程控制，就是要確保企業(yè)產(chǎn)品在制造過(guò)程中按照規(guī)定的方法和順序始終處于受控狀態(tài)下進(jìn)行，這是企業(yè)質(zhì)量管理體系中最重要的一部分工作，有效實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的過(guò)程控制。生產(chǎn)過(guò)程控制是離散制造過(guò)程的核心，它包含了車間生產(chǎn)制造各個(gè)方面的信息，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要包括：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和管理、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、勞動(dòng)組織、質(zhì)量控制、成本控制、工藝反饋與改進(jìn)、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、定額核算、安全生產(chǎn)、車間的人員調(diào)配以及整個(gè)車間設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等整個(gè)車間生產(chǎn)過(guò)程涉及到的工作�？紤]到離散制造過(guò)程中產(chǎn)品復(fù)雜、生產(chǎn)數(shù)據(jù)多、加工周期較長(zhǎng)等特點(diǎn)，其生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)需滿足實(shí)時(shí)可靠、控制穩(wěn)定的要求。

圖1 生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

    1．3 RFID在離散制造過(guò)程中的應(yīng)用

    離散制造業(yè)制造過(guò)程中不僅具有傳統(tǒng)的制造流程，還具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)一工藝規(guī)劃一加工制造一動(dòng)態(tài)調(diào)度一信息反饋這個(gè)動(dòng)態(tài)的流程。因此離散制造業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)主要是面對(duì)車間管理人員、計(jì)劃人員提供計(jì)劃管理、資源管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)管理、車間作業(yè)管理等功能，而且要求實(shí)時(shí)地采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)并反饋回系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)，最后根據(jù)相應(yīng)的分析結(jié)果作出反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)離散制造業(yè)車間的無(wú)紙化作業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)化操作、自動(dòng)化派工、實(shí)時(shí)化監(jiān)控、科學(xué)化管理等目標(biāo)。由于RFID具有無(wú)接觸識(shí)別和快速存取數(shù)據(jù)的特性，其在實(shí)時(shí)跟蹤、調(diào)度、檢測(cè)方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，使用該技術(shù)可大大減少人員管理和紙質(zhì)管理的錯(cuò)誤率，十分適合離散制造系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)和控制的實(shí)時(shí)性要求。

    離散制造業(yè)生產(chǎn)線較復(fù)雜，生產(chǎn)結(jié)果與預(yù)期有誤差而影響交貨的情況時(shí)有發(fā)生，人為原因也會(huì)影響生產(chǎn)。將RFID標(biāo)簽貼在生產(chǎn)物料或產(chǎn)品上，可自動(dòng)記錄產(chǎn)品的數(shù)量、規(guī)格、質(zhì)量、時(shí)間、負(fù)責(zé)人等生產(chǎn)信息，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工記錄；生產(chǎn)主管通過(guò)讀寫(xiě)器可隨時(shí)讀取產(chǎn)品信息；其他相關(guān)人員能及時(shí)掌握生產(chǎn)狀況并根據(jù)情況調(diào)整生產(chǎn)安排；物料和產(chǎn)品離開(kāi)倉(cāng)庫(kù)前系統(tǒng)都將自動(dòng)記錄出入庫(kù)信息，并能實(shí)時(shí)追蹤物品所在地。RFID電子標(biāo)簽作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)移動(dòng)的載體，它在生產(chǎn)線上的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程中工人、工序、工件、工時(shí)的實(shí)時(shí)精確統(tǒng)計(jì)。從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)過(guò)程、便于質(zhì)量管理和追溯的目的。RFID技術(shù)的應(yīng)用將有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、透明化、可視化的管理。

2 基于RFID生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)作為離散制造過(guò)程的核心，連接著底層車間制造與上層管理系統(tǒng)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    2．1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

    車間生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)利用RFID技術(shù)采集車間生產(chǎn)過(guò)程信息，主要銜接上層決策系統(tǒng)ERP／MES與底層RFID設(shè)施層，對(duì)整個(gè)車間的生產(chǎn)進(jìn)行管理和控制。分析圖1，基于RFID離散制造車間生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)從模塊上劃分可分為：數(shù)據(jù)采集和處理模塊、生產(chǎn)計(jì)劃模塊、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控模塊、閉環(huán)實(shí)時(shí)控制模塊和信息管理模塊。該系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)采集和處理模塊、生產(chǎn)計(jì)劃模塊、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控模塊、閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)計(jì)劃引入、車間狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)閉環(huán)調(diào)度等功能，是整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分。而信息奩詢管理模塊提供必要的信息查詢和統(tǒng)計(jì)分析功能。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

    各模塊具體功能介紹如下：

    a．?dāng)?shù)據(jù)采集和處理模塊。

    數(shù)據(jù)采集和處理模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，主要負(fù)責(zé)采集物料加工數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)等。采集完成后．將原始數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)和過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。

    b．生產(chǎn)計(jì)劃模塊。

    生產(chǎn)計(jì)劃模塊是過(guò)程控制的前期準(zhǔn)備，在參考了數(shù)據(jù)采集模塊上傳的關(guān)于物料、加工設(shè)備、車間作業(yè)情況數(shù)據(jù)以及企業(yè)資源計(jì)劃的情況下，通過(guò)生產(chǎn)排程將生產(chǎn)任務(wù)生成生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，便于企業(yè)合理安排生產(chǎn)，使企業(yè)資源利用達(dá)到最大化，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本。

    c．生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控模塊。

    生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控模塊分為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障信息監(jiān)控和加工進(jìn)度監(jiān)控。通過(guò)此模塊，可以實(shí)時(shí)地觀察車間各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和加工進(jìn)度。當(dāng)出現(xiàn)機(jī)器損壞或物料大量堆積等故障信息時(shí)，可以及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，防止出現(xiàn)停產(chǎn)現(xiàn)象。

    d．閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)度模塊。

    閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)度模塊的作用是對(duì)監(jiān)控模塊返回的故障信息進(jìn)行處理。當(dāng)車間生產(chǎn)作業(yè)發(fā)生變化，例如設(shè)備運(yùn)行故障、物料短缺、新訂單插入、訂單交貨期提前等情況出現(xiàn)時(shí)，運(yùn)用閉環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)度模塊可以實(shí)現(xiàn)故障排除處理和生產(chǎn)計(jì)劃重排。e．信息查詢管理模塊。

    信息查詢管理模塊主要管理物料及設(shè)備信息、故障信息和產(chǎn)品完成進(jìn)度信息。通過(guò)此模塊可以了解所有加工工件的加工詳細(xì)信息，其中包括工件加工的開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、加工機(jī)器、加工工序、操作員等信息。同時(shí)還提供了對(duì)故障詳細(xì)信息的查詢，包括故障機(jī)器、故障原因、故障時(shí)間等信息。

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本文標(biāo)題：基于RFID離散制造業(yè)車間生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)（上）

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