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        基于物聯網技術的質量追溯系統
        基于物聯網技術的質量追溯系統
        編輯時間:2018-11-06 打印本稿
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        一、物聯網RFID技術

          物聯網(The Internet of Things,IOT)是指將物體通過傳感設備、通信手段實現全面互聯的網絡,包括物與物之間的互聯互通,也包括人與物之間的互聯互通。物聯網是應用信息通信技術的最新產物,可實現智能化的實時管理和控制,已成為國際新一輪信息技術競爭的關鍵點和制高點。據美國權威咨詢機構FORRESTER預測:到2020年,世界上物物互聯的業務,跟人與人通信的業務相比,將達到30:1。因此,“物聯網”被稱為是下一個萬億級的通信業務,將成為繼計算機、互聯網之后,世界信息產業的第三次浪潮。我國物聯網技術和標準的發展與國際基本同步,《國家中長期科技發展規劃綱要(2006-2020)》在重大專項、優先主題、前沿技術三個層面均列入傳感網的內容,正在實施的國家科技重大專項也將無線傳感網作為主要方向之一,對若干關鍵技術領域與重要應用領域給予資助。

          物聯網通過RFID技術、紅外傳感器、全球定位系統或激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物體與互聯網相連接,進行信息交換和通訊,以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網技術的關鍵在于數據采集環節,其中RFID技術是當前物聯網的主流應用形式。

          RFID系統是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目的。RFID系統通常由標簽、閱讀器和數據管理系統三部分組成(圖1)。標簽包含天線、芯片、調制器、編碼器以及儲存器等單元;閱讀器由天線、射頻收發模塊和控制單元等部分組成;控制模塊通常包含放大器、解碼和糾錯電路、微處理器、時鐘電路、標準接口以及電源電路等。

          RFID技術具有無線交換數據、數據讀寫無需接觸、標簽可小型化和多樣化、耐環境性、可重復使用、穿透性、數據的記憶容量大、安全性以及便于數據管理和分析等優點,目前典型應用于交通運輸、智能電網、電信運營、現代物流、制造業(實時監控,質量追蹤)、產品防偽、環境監控、食品藥品監管、館藏管理等領域。

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          圖1 RFID系統組成與工作原理圖

          二、現狀與需求

          隨著制造業信息化工程的實施,企業完成了由最初的MIS、CAx提升到MRPII/ERP、PDM/PLM等系統,這些系統基本覆蓋了產品設計、工藝設計與經營管理等過程,滿足了企業大部分需求。企業也從“甩圖板、甩圖紙、甩賬本”與“數字化樣機”等實施應用中受益匪淺。 然而,制造過程自動化與ERP(Enterprise Resource Planning)融合不夠,主要是生產過程控制和質量控制的應用深度不夠,制造過程的信息采集、處理、分析、展現等方面還需要進一步精細化,具體情況表現為:

          (1)數據共享與系統集成:各車間的協同作業和各業務部門數據不能共享,無法確保企業內部數據一致、準確,且仍需大量人工重復錄入。

          (2)生產數據采集:車間管理層需要對生產過程信息進行現場采集,及時掌握每個工單對應的操作者、機床設備、加工物料、額定工時、工位數據,以實現對產品生產過程跟蹤。

          (3)生產過程跟蹤:需要對關鍵零部件(如中墻板、羅拉、主軸等)加工過程中的設備運行狀態、加工時間、質檢情況、安裝狀況進行實時跟蹤。

          (4)質量分析與追溯:在數據采集基礎上進行質量統計分析,實時了解生產過程中的質檢信息,通過追溯某批零件使用的毛坯批次、子裝配中的零件批次以及每個零件具體批次的生產過程,找出影響加工質量的主要原因。

          由于企業現有信息系統還覆蓋不到生產制造的最前端,無法得到制造過程的全局數據以展現給決策者進行分析,導致企業缺乏供應鏈內的生產同步;缺乏評估生產績效和生產跟蹤的統計數據;無法及時動態調整資源規劃等。這些問題往往會造成生產線上出現諸如制造過量、庫存浪費、次品多、等待時間長、加工時效低以及大量的冗余移動作業等現象。為此,企業急需利用物聯網技術,來滿足生產跟蹤和可追溯性等諸多需求,進一步提高離散制造企業的信息化精密度。

          三、系統總體目標與架構

          基于物聯網技術的質量追溯系統是建立在企業制造執行系統UniMax MES(Manufacturing Execution System)平臺上,采用RFID技術實現生產過程數據采集,解決生產過程中的質量控制難題,同時運用精益化管理思想優化加工流程,形成完整的產品跟蹤和質量追溯系統。該系統的總體實施目標見表1。

          表1 系統總體實施目標

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          本系統總體架構包括“生產計劃”、“生產執行”和“質量管理”等3個業務模塊以及接口管理模塊,如圖2所示。

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          圖2 系統總體架構

          在系統硬件平臺部署中,充分考慮系統架構的可用性、數據安全性與擴展兼容性,采用系統集群技術,通過負載均衡和雙機熱備(一主一備雙機自動切換)方式實現系統高穩健運行。在車間層,采用多種數據采集終端,如手持RF、工控機終端、RFID等控制手段以及LED大屏展示看板,對車間進行綜合管控。

          該系統通過接口管理模塊和通訊協議實現與SAP(Systems,Application and Products in Data processing,德國企業管理解決方案軟件)/SFC(Shop Flow Control,車間控制系統)系統無縫集成,即通過不同類型接口從上層管理系統讀取數據,用作車間生產的參考依據;同時將收集到的生產和設備數據及時反饋到上層管理系統,作為分析與決策參考依據。

          四、系統主要業務模塊功能

          為了確保生產過程處于受控狀態,系統對直接或間接影響過程質量的因素進行重點控制(分析、診斷和監控),并制定實施控制,確保產品制造過程質量。本文以紡織機械典型控制零件之一中墻板為例(圖3),具體說明該系統業務功能與特點。

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          圖3 中墻板質量追溯系統業務流程

          1.生產計劃模塊

          車間層的生產計劃來源于外部系統(SAP/SFC)根據銷售訂單按照排產規則生成的生產計劃。生產計劃主要是參考SFC系統內下達的《月度生產進度要求》和《月份缺件清單》,結合SAP系統產生的《月度產品均衡裝配計劃》,來確定車間生產的主計劃,進而排出周生產計劃,最后確定生產班次、機床設備與操作人員。該系統通過數據接口模塊從外部系統導入生產工單,并同步調整更新外部系統的訂單以及撤單信息,以便及時調整車間實際業務、實時查詢或反饋現場信息。

          根據企業生產計劃的特點,系統通過數據庫自動定時獲取主生產計劃,然后在系統中自動編制排序生產計劃;也可通過訪問系統Web頁面手動導入Excel生產計劃或根據系統中已經維護的基礎數據,人工編制生產計劃。生產計劃模塊實現功能如下:

          (1)統籌生產計劃,實現生產計劃的統一規劃、可控和可追溯;

          (2)實現與外部系統(SAP/SFC)主機生產計劃的同步,提供生產計劃的導入功能;

          (3)提供生產計劃的實時查詢、導出Excel文件功能;

          (4)提供調整、拆分后生產工單的同步更新功能;

          (5)通過與外部系統的集成和信息交互,實現計劃調整和車間執行情況的快捷查詢(圖4)。

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          圖4 生產計劃調整與導出功能

          2.生產執行模塊

          中墻板需要經過六道工序,根據其材質與加工工藝特點,系統采用抗金屬RFID進行跟蹤(圖5)。按中墻板工藝路線,分別設置8個RFID的數據采集點和1個RFID寫入點。在中墻板的工藝起始點,設置RFID寫入點,寫入內容包括中墻板編號、寫入時間等信息。

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          圖5 中墻板加工工序與RFID采集點設置

          在中墻板生產過程中,系統采用無線固定RFID設備自動采錄生產加工信息。具體生產跟蹤流程(圖6)是:車間計調室根據生產計劃信息和操作人員信息下達生產指令后,在中墻板上線前進行產品初始化關聯;操作員在每塊中墻板上安裝RFID標簽,然后讀取RFID信息,關聯生產計劃和產品編號;在中墻板加工過程中,系統自動掃描RFID標簽,記錄產品編號、加工時間以及操作員信息;在所有工序完成后,觸發ERP報工和生成中墻板加工過程質量檔案。

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          圖6 中墻板生產跟蹤流程

          生產執行模塊具有以下特點:

          (1)生產過程關聯多樣化:支持初始工單關聯產品的生產;支持按產品類型進行生產,在生產過程中/完畢后進行工單關聯。

          (2)信息錄入靈活:支持單工位多工序報工;工作信息批量錄入。

          (3)報工方式靈活:支持RFID自動報工,同時支持手持終端報工。

          (4)信息查詢便捷:支持按人員、機臺、產品、時段、工序等進行實時信息查詢(圖7)。

        基于物聯網技術的質量追溯系統

          圖7 按中墻板加工工序查詢信息

          3.質量管理模塊

          質量管理主要記錄、跟蹤和分析產品及過程質量數據,用以控制產品質量,確定生產中需要注意的問題。質量管理模塊功能分兩部分完成,一部分是數據采集客戶端,主要進行質量數據的錄入(檢驗員在檢測零件時,通過布置在車間的數據采集終端或手持終端上報質檢結果);另一部分是系統Web頁面,主要進行質量數據的基礎信息維護,補錄未在客戶端及時錄入質量數據以及質量信息查詢等。

          質量管理模塊提供對質量基礎數據的維護,使質量數據格式標準化,便于進行質量數據錄入和查詢,具體功能如下:

          (1)數據錄入:支持各道工序產品檢驗結果信息的錄入,包括工序加工量、機臺型號、合格數量、報廢數量、操作者及檢驗者等。系統將信息自動計入相關操作者的質量檔案中,便于對生產質量進行總結評估。

          (2)信息查詢:通過用戶界面輸入姓名、工號、批次號、時段、型號、檢驗項目及處理方式等條件或組合條件,查詢加工量、合格量、報廢量、返修量等數據,方便管理者分析決策。

          (3)質量追溯:通過掃描加工后的中墻板RFID標簽,現場顯示器可顯示該中墻板型號、已加工工序、每道工序的操作者、合格或報廢信息。

          (4)報表統計:支持指定時段內(月、周、日)常規質量報表的定制與輸出,包括每個操作員及各型號中墻板各工序的加工數量、合格數量、報廢數量,以及車間日生產完成情況、月度廢品考核報表、班組或操作員生產合格率統計等報表,為生產績效管理提供基礎數據。

          (5)提供決策依據:管理者可實時跟蹤生產線主要指標,監控產品生產及質量情況,及時發現異常問題,方便生產調度。信息統計分析提供最新的實際制造過程結果報告,便于對當前生產績效進行評價與指導。

          五、結語

          該質量追溯系統基于網絡數據庫統一集中安全管理,通過規范并完善企業制造規范、制造工藝、制造資源、制造過程等基礎數據,利用RFID技術跟蹤產品生產過程中的加工、人員信息和產品安裝情況以及質量追溯信息,徹底解決了企業運營管理與實際生產執行過程中的協同問題,實現了生產計劃和生產制造系統之間的數據一體化集成管理,提高了企業生產經營管理與控制決策能力,在紡機制造行業尚屬首次應用。提升產品質量,提高設備效率,降低維護成本以及通過質量追溯完善售后服務,物聯網為我國現代制造業帶來創新模式和服務手段,將全面帶動制造業技術創新,提升制造業信息化的管理水平,加速我國制造業從“中國制造”向“中國創造”轉變。

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