基于RFID的农机WIP跟踪管理系统研究与实现*

徐 航，袁逸萍，李 明

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐 830047 )

0 引言

随着“十二五”规划中“推进农业技术集成化、劳动过程机械化”政策目标的提出，农用机械的需求量不断加大，农机需求呈多样化趋势，农机型号的复杂程度越来越强，农机机型种类更新换代频繁。这造成了农机的生产过程中主要部件BOM结构多变，产生了在制品生产过程信息采集困难等问题。为了提升农机企业竞争力，企业对在制品跟踪管理效率的要求变得越来越高，企业急需改变车间信息采集方式[1-2]。

现阶段农机制造车间的在制品信息采集方式主要依靠填写纸质单据、条形码等手段，这些信息采集方式普遍存在着信息采集效率低、准确性差、数据容量小等缺点[3-4]，无法满足农机制造车间实时、精准跟踪制造过程信息的需求[5]。而且现阶段企业对在制品管理的研究，多数集中在库存控制等末端管理环节，较少涉及在制品车间流转过程[6-7]。基于以上研究背景，本文结合RFID信息采集方案，设计了从在制品车间作业计划制定到在制品进入库存的全过程制造信息采集模型，将采集得来的数据存入物流矩阵，并写入RFID电子卡片，通过生产状态实时反馈系统显示在制品生产状况，为生产管理部门提供了及时有效的在制品生产状态反馈数据，这对农机企业的生产进度控制、生产计划重排、投料计划制定有着极为重要的意义。

由于RFID是物联网技术中的核心非接触式信息获取技术，能够实现定向的批量读取标签信息，且适应特殊的工业环境，将RFID技术应用在离散车间在制品的生产管理中可有效改善在制品管理现状，提高在制品制造过程信息获取的效率及准确性[8-10]。

1 农机车间在制品管理现状

以某企业Y7系列玉米收获机在制品部件生产过程为例：玉米收获机偏置割台生产过程中，焊接、装配工艺流程复杂，涉及工位较多，其生产流程如图1所示。

图1 偏置割台生产流程图

当企业生产中若出现紧急查单、变更计划等情况，该在制品的实时状态、实时进度等信息无法及时跟踪反馈，导致生产管理部门无法对生产计划重新排程，在制品生产过程可控性差，造成此类问题的成因如下：

(1)缺少批量自动识别在制品信息，依靠经验、物料钢印判断物资规格效率低，错误多；

(2)在制品型号变化频繁，对应制造BOM无法及时生成，无法掌握组成新型号在制品的物料信息；

(3)无法跟踪在制品实时位置，手动记录在制品车间流转过程，信息记录不全,反馈慢；

(4)生产计划用来指导车间日常生产，线条粗略，无法实现车间级跟踪，缺少车间级作业计划；

(5)在制品边线库存、车间库存信息无法跟踪并及时反馈给物资供应部门重排投料计划，物料供应配合度差。

2 基于可重构BOM的车间作业计划制定

企业原有生产模式是用一个时间跨度很大生产计划指导车间日常生产，在制品生产状况的跟踪反馈只能精确到天，由于车间实际情况的动态变化，车间的实际生产将会逐渐偏离生产计划，一旦出现紧急查单生产等特殊情况，这种精度的生产状态跟踪反馈是远远不能满足重排企业生产计划的要求的。为对在制品生产过程有更精确的跟踪，企业需要制定线条更细的车间作业计划来指导车间生产。

同时由于农机机型的更新换代频繁，相同的农机在制品部件会出现多种变异功能类型，导致新型号的农机BOM生成变得复杂，无法获得准确的在制品物料构成数据。针对以上两个问题，本文提出了基于可重构BOM，来制定车间的日常作业计划。

2.1 可重构农机BOM结构

大型农用机械通常由多个带有功能属性的总装部件装配而成，每个大型功能部件又由不同的组件或零配件、元器件组装而成。不同的农机型号可能会包含相同的基础部件，但通用部件和功能部件一般会出现多种变异功能类型，从而包含不同的装配组件。以Y7系列的玉米收获机为例，该机型BOM可概括为四类主要部件：基础部件、通用部件、功能部件、附件部件等，如图2所示。

图2 农机部件组成示意图

可重构BOM设计是通过对产品结构的分析，将农机中相同或相似功能的单元抽离出来，再进行标准化的归纳，以模块化的形式单独的储存在数据表中，最后根据组成农机的部件结构，将模块重构成新型号产品BOM的一个过程。通过可重构的农机BOM结构，实现了同系列新型号农机产品 BOM的快速构建，使得组成农机的各类部件所包含的物料规格、数量的能够准确的计算出来，为在制品生产进度跟踪及物料需求计算提供了基础信息。

2.2 农机车间作业计划生成

车间作业计划是指在车间控制层，在企业管理部门下达的主生产计划的基础上，按照订单的紧急情况或车间制造资源的剩余情况，将零部件的生产计划，在时间上分解到一天的各个时间段，在空间上按照生产优先级分解到对应的班组与工位。在各个制造工位间，根据车间作业计划中在制品的工艺路线、流转工位等信息指导在制品完成生产加工，车间作业计划生成流程如图3所示。

图3 车间作业计划生成流程

在农机车间实际生产中，一方面应及时处理生产中发现问题，协调车间的实际生产向制定的车间作业计划靠近；另一方面执行车间作业计划时可结合RFID技术的实时信息采集特点，获得车间作业计划的实时执行情况(在制品生产进度情况、插单生产情况、作业需求变更情况，设备运行状况)，实现在制品跟踪功能，并将动态信息实时反馈至生产计划系统，根据新的车间实际情况重排更符合车间当前状况的车间作业计划。

3 车间WIP实时信息采集策略

3.1 RFID车间信息采集方案

如图4所示，RFID技术贯穿整个车间信息采集过程，从生产在制品的物料进入车间完成交接，到各种在制品加工完成进入仓库，RFID技术都起着重要作用。在整个信息采集的方案中主要包含三个主要模块：模块1是物料进入制造车间前的清点交接环节；模块2是物料在各生产工位之间的流转环节；模块3是在制品完成加工进入车间仓库暂存环节。

图4 采集方案流程图

模块1—这个环节主要涉及以下几个步骤：

(1)RFID采集入场物料投料计划单号信息；

(2)抽检物料质量；

(3)按作业计划单号RFID清点应接收物料数量；

(4)按作业计划要求，开始派料。

模块2—这个环节主要包括在制品实时状态的RFID数据采集和在制品实时位置的数据采集。

(1)加工状态信息采集：如图4所示，在每个工位上都设置了两个RFID读卡器，当读卡器A扫描到WIP信息，默认这批物料进入加工状态；当读卡器B扫描到WIP信息，默认加工结束。

(2)实时位置信息采集：当某工位的读卡器A扫描到WIP信息，默认物料处于该工位；当该工位的读卡器B扫描到WIP信息，默认WIP进入与之相邻工位间的在制品暂存区。

模块3—这个环节主要包括在制品入库前的质检，清点汇总，入库上架工作。

(1)入库质检：在制品加工完毕送至质检区，质检区RFID读卡器扫描获得在制品流转工位记录，质检员进行质检，并把质量问题记录在对应的流转工位上，等待返工处理。

(2)清点汇总：经过质检的在制品，由库管员汇总移除关联在该在制品上的所有RFID卡片，并清点核对在制品数量，为在制品重新发卡入库。

(3)入库上架：选择相应库位，通过手持RFID设备识别库位，将相应在制品信息与库位信息关联后，将在制品对应上架入库。

3.2 在制品实时信息采集模型

为获取在制品生产装配中的各种过程信息，本文构建了基于RFID信息采集的三个相互关联的车间在制品信息矩阵：在制品事件矩阵我MWIP、工位事件矩阵Mstation、在制品工位矩阵MWIP-station，这三个矩阵作为在制品信息的数据存储模型。

RFID信息采集系统与生产在制品的物料、制造车间的工位之间存在一定的对应关系，为描述这些关系，现作如下变量的定义：

(1)Card—RFID电子卡片集：CardX表示第x个RFID电子卡片的编码；

(2)Reader—RFID电子阅读器集：Readery表示第y个RFID电子阅读器的编码；

(3)Station—车间工位集：Stationi表示第i个车间工位的编码；

(4)WIP—在制品集：WIPj表示第j个在制品的编码；

(5)Work—车间作业计划集：Workt表示第t个车间作业计划的单号；

(6)Conditioni—在制品加工事件集：condition1～8表示8种在制品的事件，依次为：等待、正在装配、正在焊接、完成、质检、返修、报废、入库；

(7)Resource—车间制造资源集：resource1～3表示物料G、设备Ma、人员P。

这些集合在车间中存在如下的逻辑关系：关系①车间的所有工位或质检点都会安装一个地址可标识的RFID阅读器，在进入和离开工位的节点即:Stationi←1:2→Readery。

关系②每个车间作业计划可能包含多个在制品加工任务，每个在制品唯一绑定一个RFID卡片，即:Workt←1:n→WIPj←1:1→CardX。

当工位上的RFID阅读器对进入其扫描范围的在制品发生一次读卡事件时，可获得一条基础事件信息集=[RFID阅读器编码、RFID电子卡编码、读卡时间]，将此基础事件集记为：Eventa(tn)={Readery，CardX，tn}。

接着根据RFID阅读器与车间工位的对应表达式，在制品与RFID电子卡的对应表达式，可从基础事件Eventa(tn)中推理得到一条生产事件信息集=[车间工位编码、在制品编码、RFID卡中数据、读卡时间]，将此生产事件集记为：

Eventb(tm)={Stationi，WIPj，Dataj，tm};

使用部署在车间各处的RFID设备，虽然完成了对在制品各项信息的获取，但仍然不能实现在制品加工状态信息跟踪的功能，无法对加工进度进行查询。为了对采集得到的数据进行有效的分析、处理、储存，本文构建了以下三个车间在制品信息矩阵：

(1)在制品—事件矩阵：若车间作业计划Workt中包含有在制品j个，对应每个在制品在车间中可能发生的8种事件，该矩阵为一个j行8列的矩阵，矩阵中元素WIP(j,c8)表示第j个在制品在时刻T发生了condition8(入库)事件的次数，矩阵记为：

(1)

(2)工位—事件矩阵：若车间作业计划Workt中涉及的车间工位有i个，每个工位上可能发生的事件有8种，故该矩阵有i行8列,矩阵中元素Station(i,c2)表示第i个工位在T时刻发生了condition2(装配)事件的次数，矩阵记为：

(2)

(3)

借助该在制品实时信息采集模型，获取车间在制品实时加工信息的步骤如下：

Step1：车间某工位RFID阅读器获取一条绑定有在制品的RFID电子卡信息，获得一条基础事件集Eventa(tn)；

Step2：根据工位-阅读器对应规则、作业计划-在制品对应规则将基础事件Eventa(tn)转化为生产事件Eventb(tm)；

Step4：阅读元素Mcij.i所处的第i列所有元素，获取所有工位Stationi状态变化情况;

Step5：发现在WIP-Station矩阵中Mcij.i发生了一次累加变化，确认在制品进入工位Stationi;

Step6：获取Mcij.i元素包含的生产过程数据(工位编码、在制品状态、时刻数据)，并写入数据库在制品生产进度采集表中；

Step7：在系统生产跟踪反馈模块中，按所选时间频率实时反馈车间作业计划进度百分比、实时工位、实时工艺及加工状态，实时跟踪更新结束。

4 WIP跟踪管理系统实现

4.1 系统总体架构

图5 系统总体架构图

软件开发选用适用于工业环境的典型C/S系统架构，系统以 .NET Framework3.5平台作为软件开发基础，选用C#作为服务端编程开发语言，编程调试软件为Microsoft Visual Studio 2010。软件系统功能主要包括：可重构农机BOM、车间作业计划制定、在制品生产状态跟踪反馈、车间边线库管理等，系统总体架构如图5所示。

4.2 系统数据结构设计

系统数据服务器端选用Microsoft SQL SERVER 2008搭建底层支持数据库，提供数据管理、数据共享、数据维护和并发控制等功能，数据关系如图6所示。

图6 数据关系图

4.3 系统企业应用实例

以背景农机生产企业生产为例。按照订单需求，现需要生产以新型号的Y3A型玉米收割机。企业生产管理部下达农机部件生产计划到生产车间，车间控制层运用系统可重构BOM功能，明确该新型号玉米机BOM结构，获取在制品物料需求数据，预备生成车间作业计划，软件界面如图7所示。

图7 可重构BOM功能界面

车间管理部门明确该新机型BOM结构后，获取物料需求信息后，指导物资供应部门进行车间生产投料，同时分解生产计划，结合产品工艺路线等信息，生成车间作业计划，指导物料在车间工位、质检点之间的转移，软件界面如图8所示。

图8 车间作业计划功能界面

农机在制品生产过程中，在生产跟踪反馈界面设定生产跟踪反馈频率，对车间在制品实时状态、作业计划的进度完成等情况进行实时反馈，当计划部需要临时调整生产计划时，将当前跟踪获得的在制品实时状态及作业计划进度执行情况上传，作为生产计划调整的重要依据，同时新的生产计划下达后，重新分解计划，制定新的车间作业计划，使车间的生产能迅速调整到符合生产计划的要求，软件界面如图9所示。

图9 生产进度反馈功能界面

5 总结

本文对农机生产车间在制品信息采集及生产状态实时反馈问题进行了探索与研究。经过对企业实地调研，针对农机企业实际生产过程中车间的在制品生产反馈缺乏时效性，效率低等问题，研发了这套基于RFID的农机在制品实时跟踪管理系统，实现了在制品生产状态的实时跟踪，为农机企业计划管理部门提供了实时准确的在制品生产信息，增强了农机车间管理层对在制品生产进度掌控，有效提高了农机企业在制品管理效率。

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