基于RFID技術的離散制造業MES設計與實現
http://www.debgrams.com 2010-09-30 14:01 來源：中國自動化學會專家咨詢工作委員會
引言：2006年，科技部發布了《關于推進“十一五”制造業信息化科技工程工作的若干指導意見》，指出制造業信息化是企業實現產品設計創新、制造模式創新、經營管理方式創新的重要手段，是打造優勢產業鏈、提升中小企業集群競爭力的有效工具，是制造業發展的必由之路。2008年3月召開的“兩會”期間，黨中央更是把信息與工業的融合提升到更高的層次，國務院新組建工業和信息化部，把信息化帶動產業化的工業改革更加深入推進。離散制造業在制造業中占了比較大的比例，如何在離散制造業中實施信息化是目前大制造業背景下的瓶頸問題，離散制造業因其生產的特殊性、場景的復雜性、過程的易變性等因素，讓MES在此行業當中的應用成為企業信息化研究中的熱點。
1離散制造業與RFID技術
1.1離散制造業MES系統
制造執行系統（ManufacturingExecutionSystem，MES）是面向制造車間的先進管理技術，它針對位于企業計劃層和工業控制層之間的執行層管理問題，研究如何將制造過程中的計劃進度、產品過程控制、物料管理、質量監控、設備管理和成本管理等綜合考慮，強調制造計劃的執行和產品制造過程的控制，使生產現場的信息收集、傳遞、處理和反饋做到準確、及時、系統和科學，實現生產作業的優化調度和制造資源的動態重組，提高制造管理的透明性和敏捷性。
離散制造業中不僅具有傳統的制造業的流程，還具有產品設計→工藝規劃→復雜調度→加工制造→（設計更改）→動態調度→信息反饋這個動態的流程，因此離散制造業MES系統主要面對車間管理人員、信息技術人員、企業管理人員、計劃人員，提供計劃管理、資源管理、報表統計管理、車間作業管理功能，而且要求實時地采集現場生產數據并反饋回MES系統，系統根據反饋的數據進行分析、統計，最后根據相應的規則最終實現離散制造業車間的無紙化作業、標準化操作、自動化派工、實時化監控、科學化管理的目標。為實現以上目標，本系統采用射頻識別技術（RadioFrequencyIdentification，RFID），結合無線通信技術，采用基于RFID技術的數據采集終端（IntelligentDataTerminal，IDT）來實現車間生產數據的上傳和下達。
1.2RFID技術
RFID利用電磁波的感應或者傳播來進行電子標簽與閱讀器之間的數據通信，電子標簽分有源標簽和無源標簽2種。采用RFID技術解決離散制造業車間實時數據的采集，有如下優勢：（1）體積小，非接觸，形狀多變，可重復使用；（2）惟一ID號，克隆、仿造困難，安全性高；（3）不怕污染，無需光線，識別方式靈活；（4）數據可改寫、存儲量大；（5）多標簽同時識別，距離遠，速度快。2硬件及接口設計基于RFID的離散制造業MES系統由處于底層的IDT，通過無線網絡與安置在車間的基站（BaseStation，BS）進行通信，把數據信息傳送到車間工作站，車間工作站通過企業網絡把數據保存到數據庫，然后通過接口程序傳送到其他系統，為管理決策、數據深入挖掘提供可靠、準確、實時的數據支持。本系統由硬件系統、軟件系統和接口程序構成。
2.1硬件系統設計
硬件系統包括2個主要部分：IDT和BS。IDT的作用是用來采集離散制造業生產一線的實時數據。
BS的主要作用是實現車間工作站運行的通信程序與終端之間的數據交互。
2.2接口程序設計
接口程序把從車間現場采集到的實時數據傳送到其他的系統當中，接口采用定時和觸發2種方式對信息進行傳遞，利用中間件的設計思想，把接口程序設置在MES服務器端，其他程序調用接口程序。接口程序主要完成以下數據傳遞：用戶信息、加工信息、加工設備信息、模具信息、工藝參數信息、工藝路線、產品信息、檢驗數據、報工數據等。
MES系統針對位于企業計劃層和工業控制層之間的執行層管理問題，因此企業現有的ERP系統、PDM系統等需要MES系統提供可靠、及時、準確的信息支持，針對上層管理系統對車間層的管理流程不提供直接和詳細的支持問題，為了防止車間管理信息的“斷層”，本系統采用通用數據接口程序，把分布在所有車間終端上采集的軟性、硬性數據（美國國家標準協會（NIST）對MES定義）提交給上層管理系統，為企業
決策提供數據支撐。接口程序采用中間件開發思想，集成MES和ERP系統的數據參數傳遞方式，采用定時和事件觸發的方式對接口函數進行調用，運用Socket、隊列、線程技術實現上層管理（ERP）與執行層（MES）數據交互。
3.基于RFID的MES系統設計
為了增強系統的可擴展性、可重構性、適應性、可配置性等良好的系統性能，在結構上采用分層的思想，把離散制造業MES系統分為4層來設計，同時采用基于外掛式通用輔助數據庫設計思想，把所有的系統貫穿起來，對數據進行統一管理，保證了層間與層內的耦合性要求。
3.1系統框架結構
系統分為MES車間層、MES管理層、接口層和現有系統層，層與層之間通過網絡或者接口程序進行數據交互，實現整個企業數據流的上傳和下達。
3.2IDT工作原理
采用RFID技術開發的IDT用來采集現場數據，通信程序控制數據的收發，車間工作站通過基站對該頻段的所有終端進行總線輪循，如果某個終端有操作，操作數據通過基站接收并做處理，通信程序響應終端操作。IDT的顯示界面是通過界面代碼來控制的，數據定義如下：
開始符（1）地址（1）CID（1）STEP（1）INFOLEN（4）XXXX（INFOLEN長的信息內容）CHECK（4）結束符（1）如發送CID=0，STEP=0表示數據確認界面，“#1’0105’#$A#$A’0000019A’#2”：#1代表數據頭，#2代表數據尾，‘0105’代表IDT地址，‘#$A#$A’是面向對象高級語言編譯過的，表示CID=0，STEP=0，‘0000’代表信息內容，‘019A’表示校驗。IDT把數據提交到車間BS，BS再把數據提交到通信程序，如果現在的界面代碼是CID=3，STEP=0，那么上述字符串指令“#$D#$A”通過轉換機制就是CID=3，STEP=0，通信程序先進行判斷，然后對數據進行讀取，最后判斷收到數據正確與否。IDT的設計以離散制造業車間實時數據采集為背景，根據車間現場作業環境性能要求，所有數據內容的字符個數不能超過800。如frevstrin代表接收來的數據，Length（fRevString）是其長度，如果大于2048（轉化為16進制就是800），就不再判斷。當通信程序收到數據時，先找到數據串頭部和尾部的位置，分別用變量i和j表示，那么i=pos（#1，fRevStfing）；j=pos（#2，fRevString）。進而可以得到CID和蜘飛P地址，判斷數據長度是否正確，提取數據內容和校驗。如果收到的CID和STEP都是0，就不做任何處理，否則，找到相應的CID和STEP，對數據進行分析處理，然后再把對應的操作界面、處理結果、請求數據發回給IDT，這就完成了一個通訊過程。
4.基于RFID的MES系統應用
基于RFID技術的離散制造業MES系統，在傳統的汽車配件企業已正常運行4年，在大型陶瓷設備制造企業、典型日資電梯制造企業等離散制造業企業的應用過程中，取得了良好的效果，得到了車間層員工的認可，達到了利用制造業執行系統提升企業競爭力、增加靈活性的目的。
在7個典型離散制造業車間進行了系統測試，有700多個RFID數據采集終端。
5.結束語
在制造業信息化過程中，離散制造業由于生產工藝變更頻繁、車間環境復雜、現場數據較難采集，因此實施難度較大。采用RFID技術、433M無線通信為硬件平臺設計開發的離散制造業MES系統，結合面向對象編程語言開發的計劃服務程序、通信程序、管理程序、接口程序，能滿足離散制造行業對現場數據的實時采集與監控、車間作業計劃的自動排產、生產現場的無紙化操作、物料的及時運轉的要求。在多家具有代表性的大型離散制造企業推廣應用以后，取得了良好的效果，在減少在制品、縮短生產周期、減少紙張及數據錄入方面效果明顯。
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