基于RFID的智能MES研发

李西， 王俊佳， 石宇强， 张敏， 梁春艳

（西南科技大学制造学院，四川绵阳621010）

基于RFID的智能MES研发

李西， 王俊佳， 石宇强， 张敏， 梁春艳

（西南科技大学制造学院，四川绵阳621010）

提出了基于无线射频技术（RFID）的智能制造执行系统（MES）的总体构架方案，以D公司为生产背景研究与开发了MES系统。将RFID技术应用到该公司MES的数据采集功能模块中，实现MES对生产数据高效地采集和对订单、在制品的实时追踪，并利用遗传调度算法和质量统计分析技术提高了MES的智能性。

MES；RFID；智能化

0 引言

制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是面向车间制造执行层的管理信息系统，MES在企业计划层和车间控制层之间起着承上启下的作用，使得车间制造过程透明化，提高企业生产效率。

MES是各种生产管理技术的集合，其主要特点体现在对车间的实时性管理上，其中生产数据实时、准确、快速地采集是实现其实时性管理的基础支撑。在某些恶劣的生产环境中，传统的手工录入和条形码等采集技术无法满足MES对数据高效采集的要求，RFID技术作为一种具有无接触式识别、快速识别、可多标签识别等特点的数据识别技术，可以实现MES对数据的高效采集。通过对实时生产数据的分析和处理，实现对生产订单和在制品的实时追踪。随着市场需求和生产模式的转变，目前很多制造企业都面临着比较复杂的生产结构，MES智能化发展是MES发展的必然趋势［1］。在实现对数据实时、准确、快速采集的基础之上，通过计算机逻辑运算、智能调度算法和质量统计分析等技术实现对生产过程的实时追踪、车间智能调度、产品质量追溯和产品质量问题预测等功能，从而提高MES的智能性。

1 基于RFID的智能MES总体构架方案

结合MES在企业三层企业集成模型中所处的位置，借助RFID识别技术，融入车间智能调度算法、产品质量统计分析等技术，在传统MES功能构架的基础上提出了如图1所示的基于RFID智能MES的总体构架方案。

图1 基于RFID的智能MES总体方案

构架包含ERP上层计划层、MES车间执行层、RFID数据采集层和PCS生产现场控制层。企业上层计划层是以ERP等系统为主的企业信息化管理层，该层主要是结合目前企业所拥有的生产资源，分析客户需求，制定长期的生产计划；MES车间执行层将从上层计划层获取的生产计划进行分解，通过对RFID等采集技术采集到的实时生产数据进行统计分析，结合车间生产资源和调度算法，向车间生产层传达详细的生产任务，并实现生产追踪、车间智能调度、产品质量管理、设备状态管理等功能；同时MES数据库通过服务接口实现与企业其他现有管理信息系统数据库进行数据共享，避免数据孤岛的出现；RFID数据采集层主要通过设备接口、各种传感设备和RFID等各种数据采集技术对生产数据进行实时采集；PCS控制层是一系列数据加工、DNC单元和柔性制造为代表的自动化技术集合，在该层主要通过PLC等实现对设备的控制和对设备加工参数的采集。

2 D公司基于RFID的智能MES研发

2.1 企业背景

图2 D公司MES总体功能构架

D公司主要加工汽轮机叶片，加工设备均为大型数据机床，自动化程度高。目前公司已有ERP系统、CAXA系统、质检系统等管理信息系统，但是对于车间层的加工情况尚处于未知状态，公司想通过MES提高车间信息化管理水平，从而提高生产效率，提高企业竞争力。

2.2 D公司MES总体功能构架

通过对D公司加工车间的生产现状和功能需求分析，采用Asp.net开发平台和SQL Server 2008数据库开发其MES系统。其总体功能构架如图2所示。

该功能构架主要包括生产资料管理、工艺制定、RFID数据采集、生产控制、生产状况查询、系统设置等功能。通过RFID和设备接口集成对生产现场生产数据进行实时采集，通过分析处理，实现对订单状态实时追踪、在制品加工状态实时追踪、设备状态实时监控、车间智能调度、产品质量追溯和管理等功能。

2.3 生产追踪功能模块

MES通过RFID识别技术采集现场生产数据，结合实时数据库和计算机逻辑运算，实现对生产订单和在制品加工的实时追踪。详细追踪流程如图3所示。

任务订单生成后，将具有唯一标识码的RFID电子标签贴附在在制品或者物料箱上，标签和产品一一对应，在产品加工过程中，通过读取电子标签信息获取产品信息，同时更改数据库产品加工状态，经过后台逻辑运算，借助电子看板和MES监控界面，实现对订单状态和在制品状态整个生产过程的实时追踪。其功能界面如图4所示。

图3 基于RFID的生产追踪流程图

图4 生产追踪界面

2.4 车间调度功能模块

结合D公司车间加工特点，设计了基于遗传算法的作业车间调度方法，以最小完工时间为目标函数，采取基于工序的编码方式，根据加工订单矩阵的导入，通过初始种群的生产、选择、交叉、变异的迭代顺序，获取优化后的车间调度方案，并绘制甘特图显示调度方案。基于遗传算法的车间调度流程如图5所示。其中虚线框图部门为遗传算法迭代一次的完整过程。通过FT06经典算例来验证了算法的有效性，调度界面如图6所示。

图5 基于遗传算法的车间调度流程

图6 车间调度界面

2.5 产品质量管理模块

在产品制造过程中，对产品所有工序进行系统地分析，找出对产品质量影响最大的关键工序，运用统计过程控制技术（Statistical Process Control，SPC）结合RFID采集的实时生产数据，绘制控制图，计算其过程能力，进行工序能力分析，实现对产品质量的实时监控和产品质量问题的预防。基于RFID数据采集的SPC质量管理流程如图7所示。通过对MES实时数据库数据的处理和分析，实现对有质量问题的产品进行质量追溯，其追溯流程如图8所示。通过质量追溯，发现产品质量问题的根源所在，通过改善措施从而提高产品质量。

3 结论

图7 基于RFID数据采集的SPC流程

图8 MES质量追溯流程

本文提出了基于RFID的智能MES的总体构架方案，结合D公司实际生产情况开发了其基于RFID的智能MES系统。该系统用RFID高效的数据采集特点弥补了MES对现场数据采集高效性的不足，提高了MES数据采集的实时性、快速性和精确性。通过对生产数据的处理分析，对产品从订单到成品整个过程进行实时追踪，并通过车间智能调度算法和过程控制技术提高了MES的智能性，从而提高了车间信息化管理水平。

［1］ 毕英杰.实现智能制造是MES未来的发展方向［N］.中国冶金报，2013-01-19（B04）.

［2］ 沈斌，周莹君，王家海.基于MES的RFID数据采集技术研究［J］.测控技术，2007，26（8）:12-14.

［3］ 陈健，王军.统计过程控制在产品质量管理中的应用研究［J］.淮阴工学院学报，2008，17（4）：56-58.

［4］ 曹成辉.基于混合遗传算法的MES车间调度系统研究［D］.上海：东华大学，2009.

［5］ 朱丽娜，许春停.面向离散型企业的MES技术研究［J］.机械设计与制造工程，2013，42（1）：49-52.

（编辑：黄 荻）

R&D of the Intelligent MES Based on RFID

LI Xi， WANG Junjia， SHI Yuqiang， ZHANG Min， LIANG Chunyan
（Institute of Manufacture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

A framework about the intelligent MES is put forward based on RFID.A MES is developed based on the background of company D.The technology RFID is used in data collection to trace the state of production.Genetic algorithm into workshop scheduling and statistical process control are used to improve the intelligence of MES.

RFID;MES;intelligent

TH 166

A

1002－2333（2014）04－0114－03

李西（1988—），男，硕士研究生，研究方向为工业工程、企业信息化管理；石宇强（1974—），男，副教授，硕士生导师，研究方向为工业工程、供应链与物流、制造系统优化、制造业信息化等。

2014-02-26