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基于RFID技术的离散制造业MES设计与实现

[日期:2014-12-24] 来源:互联网  作者:沸腾网整理 [字体: ]

  离散制造业在制造业中占了比较大的比例,如何在离散制造业中实施信息化是目前大制造业背景下的瓶颈问题,离散制造业因其生产的特殊性、场景的复杂性、过程的易变性等因素,让MES在此行业当中的应用成为企业信息化研究中的热点。

  1.离散制造业与RFID技术

  1.1 离散制造业MES系统

  制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)是面向制造车间的先进管理技术,它针对位于企业计划层和工业控制层之间的执行层管理问题,研究如何将制造过程中的计划进度、产品过程控制、物料管理、质量监控、设备管理和成本管理等综合考虑,强调制造计划的执行和产品制造过程的控制,使生产现场的信息收集、传递、处理和反馈做到准确、及时、系统和科学,实现生产作业的优化调度和制造资源的动态重组,提高制造管理的透明性和敏捷性。

  离散制造业中不仅具有传统的制造业的流程,还具有产品设计→工艺规划→复杂调度→加工制造→(设计更改)→动态调度→信息反馈这个动态的流程,因此离散制造业MES系统主要面对车间管理人员、信息技术人员、企业管理人员、计划人员,提供计划管理、资源管理、报表统计管理、车间作业管理功能,而且要求实时地采集现场生产数据并反馈回MES系统,系统根据反馈的数据进行分析、统计,最后根据相应的规则最终实现离散制造业车间的无纸化作业、标准化操作、自动化派工、实时化监控、科学化管理的目标。为实现以上目标,本系统采用射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID),结合无线通信技术,采用基于RFID技术的数据采集终端(Intelligent Data Terminal,IDT)来实现车间生产数据的上传和下达。

  1.2 RFID技术

  RFID利用电磁波的感应或者传播来进行电子标签与阅读器之间的数据通信,电子标签分有源标签和无源标签2种。采用RFID技术解决离散制造业车间实时数据的采集,有如下优势:(1)体积小,非接触,形状多变,可重复使用;(2)惟一ID号,克隆、仿造困难,安全性高;(3)不怕污染,无需光线,识别方式灵活;(4)数据可改写、存储量大;(5)多标签同时识别,距离远,速度快。

  2.硬件及接口设计

  基于RFID的离散制造业MES系统由处于底层的IDT,通过无线网络与安置在车间的基站(Base Station,BS)进行通信,把数据信息传送到车间工作站,车间工作站通过企业网络把数据保存到数据库,然后通过接口程序传送到其他系统,为管理决策、数据深入挖掘提供可靠、准确、实时的数据支持。本系统由硬件系统、软件系统和接口程序构成。

  2.1 硬件系统设计

  硬件系统包括2个主要部分:IDT和BS。IDT的作用是用来采集离散制造业生产一线的实时数据。

  BS的主要作用是实现车间工作站运行的通信程序与终端之间的数据交互。

  2.2 接口程序设计

  接口程序把从车间现场采集到的实时数据传送到其他的系统当中,接口采用定时和触发2种方式对信息进行传递,利用中间件的设计思想,把接口程序设置在MES服务器端,其他程序调用接口程序。接口程序主要完成以下数据传递:用户信息、加工信息、加工设备信息、模具信息、工艺参数信息、工艺路线、产品信息、检验数据、报工数据等。

  MES系统针对位于企业计划层和工业控制层之间的执行层管理问题,因此企业现有的ERP系统、PDM系统等需要MES系统提供可靠、及时、准确的信息支持,针对上层管理系统对车间层的管理流程不提供直接和详细的支持问题,为了防止车间管理信息的“断层”,本系统采用通用数据接口程序,把分布在所有车间终端上采集的软性、硬性数据(美国国家标准协会(NIST)对MES定义)提交给上层管理系统,为企业决策提供数据支撑。接口程序采用中间件开发思想,集成MES和ERP系统的数据参数传递方式,采用定时和事件触发的方式对接口函数进行调用,运用Socket、队列、线程技术实现上层管理(ERP)与执行层(MES)数据交互。

  3.基于RFID的MES系统设计

  为了增强系统的可扩展性、可重构性、适应性、可配置性等良好的系统性能,在结构上采用分层的思想,把离散制造业MES系统分为4层来设计,同时采用基于外挂式通用辅助数据库设计思想,把所有的系统贯穿起来,对数据进行统一管理,保证了层间与层内的耦合性要求。

  3.1 系统框架结构

  系统分为MES车间层、MES管理层、接口层和现有系统层,层与层之间通过网络或者接口程序进行数据交互,实现整个企业数据流的上传和下达。

  3.2 IDT工作原理

  采用RFID技术开发的IDT用来采集现场数据,通信程序控制数据的收发,车间工作站通过基站对该频段的所有终端进行总线轮循,如果某个终端有操作,操作数据通过基站接收并做处理,通信程序响应终端操作。IDT的显示界面是通过界面代码来控制的,数据定义如下:

  开始符(1)地址(1)CID(1)STEP(1)INFOLEN(4)XXXX(INFOLEN长的信息内容)CHECK(4)结束符(1)如发送CID=0,STEP=0表示数据确认界面,“#1’0105’#$A#$A’0000019A’#2”:#1代表数据头,#2代表数据尾,‘0105’代表IDT地址,‘#$A#$A’是面向对象高级语言编译过的,表示CID=0,STEP=0,‘0000’代表信息内容,‘019A’表示校验。IDT把数据提交到车间BS,BS再把数据提交到通信程序,如果现在的界面代码是CID=3,STEP=0,那么上述字符串指令“#$D#$A”通过转换机制就是CID=3,STEP=0,通信程序先进行判断,然后对数据进行读取,最后判断收到数据正确与否。IDT的设计以离散制造业车间实时数据采集为背景,根据车间现场作业环境性能要求,所有数据内容的字符个数不能超过800。如frevstrin代表接收来的数据,Length(fRevString)是其长度,如果大于2048(转化为16进制就是800),就不再判断。当通信程序收到数据时,先找到数据串头部和尾部的位置,分别用变量i和j表示,那么i=pos(#1,fRevStfing);j=pos(#2,fRevString)。进而可以得到CID和蜘飞P地址,判断数据长度是否正确,提取数据内容和校验。如果收到的CID和STEP都是0,就不做任何处理,否则,找到相应的CID和STEP,对数据进行分析处理,然后再把对应的操作界面、处理结果、请求数据发回给IDT,这就完成了一个通讯过程。

  4.基于RFID的MES系统应用

  基于RFID技术的离散制造业MES系统,在传统的汽车配件企业已正常运行4年,在大型陶瓷设备制造企业、典型日资电梯制造企业等离散制造业企业的应用过程中,取得了良好的效果,得到了车间层员工的认可,达到了利用制造业执行系统提升企业竞争力、增加灵活性的目的。

  在7个典型离散制造业车间进行了系统测试,有700多个RFID数据采集终端。

  5.结束语

  在制造业信息化过程中,离散制造业由于生产工艺变更频繁、车间环境复杂、现场数据较难采集,因此实施难度较大。采用RFID技术、433M无线通信为硬件平台设计开发的离散制造业MES系统,结合面向对象编程语言开发的计划服务程序、通信程序、管理程序、接口程序,能满足离散制造行业对现场数据的实时采集与监控、车间作业计划的自动排产、生产现场的无纸化操作、物料的及时运转的要求。在多家具有代表性的大型离散制造企业推广应用以后,取得了良好的效果,在减少在制品、缩短生产周期、减少纸张及数据录入方面效果明显。

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