基于RFID 的MES 在智能工厂中的应用

师 宁， 刘 辉， 陈容红

（1.北京电子科技职业学院汽车工程学院， 北京 100176；2.中国航空制造技术研究院装备中心食药机械产品部， 北京 100024）

0 引言

十九大报告中提出“从2020 年到2050 年，我国要从全面建成小康社会到基本实现现代化， 再到全面建成社会主义现代化强国， 这是新时代中国特色社会主义发展的战略安排”。制造业作为国民经济主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，在实现现代化的道路上必定要发挥重要作用。 “工业4.0” 自2011 年由德国率先提出之后，美国、欧洲以及我国都相继提出了相关的发展规划，到今年2021 年正好是“工业4.0”提出的第十个年头，在这十年里，智能制造得到了蓬勃的发展机遇，工业智能化不仅提高了工厂的生产效率，而且降低了生产成本，为企业带来更多利益。

当今全球经济竞争如此激烈，要让企业保持竞争力，只有加快企业信息化、 智能化进程， 让信息化推动工业化，来加速企业的智能化，实现社会生产力的持续发展。在企业信息化发展初期， 用的最多的信息管理系统就是企业资源计划（ERP），但是在实际应用中ERP 却没有达到起初预想的效果， 归其根源就在于它对生产车间的底层数据很难准确获取和控制， 为了解决企业管理层与生产现场之间的数据交换， 提高生产计划的实时性、 灵活性，美国先进制造研究中心AMRC Advanced Manufacturing Research） 最早在90 年代初提出了制造执行系统（Manufacturing Executing System）的概念[4]。

MES 的出现给制造业信息化带来了蓬勃的发展，但是MES 的基础是底层生产线及企业管理过程中产生地大量的基础数据，而这些数据必须通过先进的、可靠的数据采集技术才能准确实时获得和传输， 只有实时和准确地获取传输基础数据， 才能保证企业生产管理系统的可靠有效运行，才能实现对设备、物料、员工、产品及其生产过程等的有效监管和控制。所以，制造业底层车间的数据采集技术不仅是MES 的数据支持，也是制造业信息化建设的重要基础。

目前， 在底层车间数据采集技术中应用最为广泛的是条形码技术和RFID 技术（射频识别技术）。 其中，条形码易于制作，使用成本低、可靠性高、灵活实用，多用于近距离数据采集，但是数据存储量小、保密性差、抗恶劣环境能力差、使用周期短，在图书馆、物料管理等方便使用较多。 而RFID 是一种非接触式数据自动识别技术，读取速度快，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，标签数据存储量大、可多次读写、安全保密性高、可用在恶劣生产环境中[1]。

RFID 技术作为一种先进的自动识别数据采集技术，数据存储量大、可非接触式读写、可远距离识别、环境适应能力强，将其运用到MES 中，并结合条形码在制造业物料管理中的应用优势， 这不仅有效为系统提供数据支撑，而且极力地促进了信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术的结合[4]。 本文以我校“基于工业4.0 的数字化工厂实训室”设备为载体，介绍了基于RFID 技术的MES 管理信息系统在数字化工厂中的应用，该实训平台可以完成从下单、智能存储、产品追踪、生产及数据管理的全自动化过程。

1 MES 系统

2015 年国务院发布的中国制造2025，部署了全面推进制造业升级的战略， 这是我国实施制造业强国战略的第一个十年行动纲领。 作为制造车间的数字信息管理平台，MES 是实施中国制造2025 战略的关键支持工具，是实现数字化工厂的关键技术之一[5]。

介于管理层和控制层之间的MES 生产信息化管理系统，主要服务于企业的生产现场管理和调度指挥。它从生产计划开始，包括之后的生产统计、生产调度，再到产品跟踪、质量管理、设备管理，最后到生产的数据管理及采集、 通信接口及数据分析等整个生产及管理过程都离不开它的身影。它还通过网络联接使用统一的数据库，并同时强调制造过程的整体优化从而达到了完整的闭环生产，从而建立了一体化和实时化的全方位信息体系。 MES为用户提供一个反应快、有弹性、精细化的制造业环境，帮助企业降低成本、提高设备利用率、提高产品的质量和为企业考核都提供了可靠的依据[6]。

1990 年，制造执行系统（Manufacturing Executing System）最早由美国先进制造研究机构AMR（Advanced Manufacturing Research）提出，它将MES 定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”，它为操作人员/管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源（人、设备、物料、客户需求等）的当前状态。 AMR 还提出了MES 三层结构集成模型，见图1。

图1 MES 三层结构模型

该模型形象具体地描绘出了MES 在企业系统中具体对应的位置。

（1）计划层（ERP）：位于最顶层，它关注整个企业的管理和计划。 它根据市场和客户需求来制定企业生产计划，给下一层执行层下订单，告诉需要生产什么。 该层的主要任务是解决企业资源的合理利用， 完成生产计划的编制。 如ERP/MRP 等从生产管理的角度来看，属于企业的计划层。

（2）执行层（MES）：位于模型的中间层，它的主要任务是监控企业生产计划的执行，并动态管理生产过程。本层接收上层下达的计划任务并按此执行， 同时接收底层生产线反馈的结果，并根据接收信息来优化企业管理，解决生产过程中遇到的不确定性。通过MES 把ERP 与企业的生产现场控制有机地集成起来。

（3）控制层（（PCS）：位于模型的最底层，它执行上一层下达的指令，主要是对设备进行操作控制，并将操作状态与结果反馈给上一层。 主要包括典型的生产过程中的控制方法，比如PLC，DCS，SCADA，DNC 等，进而解决设备的控制过程中出现的问题来提高产品质量[1]。

除此之外，制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）也对MES 下了定义，它指出：“MES 能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。 当工厂发生实时事件时，MES能对此及时做出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理。 这种对状态变化的迅速响应使MES 能够减少企业内部没有附加值的活动， 有效地指导工厂的生产过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES 还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。 ”

在这个定义中，我们可以看到MES 不是用来解决某一个生产瓶颈，而是用来优化整个生产过程；同时可以实时采集生产过程中的数据， 并根据这些数据来分析、处理，给企业的生产管理的优化提供可靠的依据。在整个生产过程中，MES 通过实时采集的数据流与上层和下层进行信息交换，来实现企业信息全集成。

在此定义的基础上，MESA 也给出了MES 主要的功能模块，它包含了11 个内容[3]，见图2。

图2 MES 功能模型

从该模型中我们可以看出，MES 在整个企业信息系统集成中起着承上启下的作用，它涵盖了从采购、生产、维护、到运输与后勤、客户管理等企业的整个管理过程，能根据数据采集和分析， 对产品的整个生产过程进行及时优化管理，有效的指导了生产过程，提高了企业的生产效率及收益。 企业通过建立MES 管理信息化系统，可以为用户提供一个安全可靠、灵活高效的制造业生产环境，从而帮助企业节约成本、提高产品质量、优化生产管理及服务质量。

2 RFID 溯源技术

MES 系统主要运用在企业底层车间， 作用是对生产过程进行实时调度， 所以对生产控制底层的设备运行状态数据进行实时采集是MES 系统的基础。 在目前所有的数据信息采集技术中，RFID 技术通过射频信号来自动识别物体，并获取相关信息，同时与该产品进行绑定，进而实现对其的跟踪控制以及管理，为RFID 在离散企业生产现场的应用提供了技术支撑。 随着信息技术的发展，将RFID 与物联网技术有效的结合，可以实时采集生产车间的现场数据， 并把此数据通过指定路径传递给上层系统来处理，来完成对整个车间的生产现场的数据处理。以此来取代过去的手工记录方式， 并解决企业需投入很大的人力进行繁琐的统计录入工作的弊病。 所以，RFID 为MES 提供了可靠的数据依据。

RFID 是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术， 该技术被广泛应用在企业仓储管理系统当中。RFID 读取速度快，可靠性高，非接触识别，标签内容可以修改，而且可以多标签可同时读取，安全保密性较高。 随着RFID 技术与互联网、通讯等相关技术相结合，它已被应用于物流、供应链管理、工业自动化、公共信息服务、商业自动化、交通运输等众多领域，进而实现全球范围内信息共享，来降低企业成本，提高企业管理与运作效率[3]。

RFID 系统由射频标签（Tag）、识读器和计算机网络等三部分组成。 射频标签由可存储数据的芯片及天线构成，根据计算机网络的指令，保存在芯片中的数据可由识读器来进行读取或擦写工作。

表1 RFID 主要部件

RFID 系统的基本工作原理是电子标签进入天线磁场后，若接收到读写器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签），读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

图3 RFID 工作原理[2]

3 基于RFID 的MES 生产管理系统

智能工厂实训平台是我校引进的智能制造生产线实训，它可以实现多个产品共同生产，利用管理信息化系统根据生产指令控制系统进行产品的生产。 按照现代智能工厂的生产模式， 根据用户需求通过MES 系统软件，实现从毛坯件出库至成品入库全过程的生产及生产节拍的智能调度。该生产线整个生产过程全部实现自动控制，不需人工干预，生产过程中的每个环节均通过RFID 进行数据采集与记录，全程追踪产品的生产过程，从订单下发、物料传输，再到物料加工、物料入库等所有环节，生产管理系统记录每一个生产过程数据，可产品追溯[6]。 该生产线整个工艺流程，见图4。

（1）MES 方案结构。MES 上位系统采用B/S 的多层结构，采用浏览器操作应用系统，无须安装客户端程序，方便用户操作；使用IE6.0 以上的浏览器上网，都可以使用本系统处理业务；系统结构简便，维护量小；可以共享数据、多人协同工作；采用多层结构的服务器，将业务逻辑处理和WEB 服务分开，可以明显提高应用服务的性能。

图4 工艺流程

MES 下位系统采用C/S 结构， 主要应用于数据采集监控系统，保证数据的实时性；数据采用跟上位系统共享方式；实现立体仓库等附属自动设备的控制。

（2）MES 功能描述。 该智能生产线的MES 的包括用户管理、数据备份、设备维修等功能，具体见表2。

（3）RFID 自动跟踪系统。 RFID 自动溯源子系统由标准卡、电子标签、读写器、RFID 管理软件等组成，当工作站与工业4.0 可视化工厂联机运行时， 可以对生产过程中的工位和工序完成情况， 以及对产品的出入库及托盘信息进行及时记录，以便能实时的采集产品数据信息，通过与生产线联网通信，实现与生产线的信息交换。最终数据全部发送给总控制系统保存[6]，见图6。

表2 MES 总体功能

图5 MES 系统界面组成及监视画面

图6 RFID 读写卡一体机

把RFID 技术应用于MES 管理系统中，给MES 系统提供准确、可靠的数据信息。在仓库的入口和出口分别放置两个RFID 读写卡一体机， 在所有产品上贴上识别标签， 当由毛坯件出库时，RFID 读写卡一体机会采集到毛坯件出库信息， 并把给信息传递给MES 系统，MES 系统根据这些实时数据来优化整个生产过程， 进而提高管理效率和生产效率，来增加企业的核心竞争力。

图7 基于RFID 的MES 功能架构[3]

4 结论

企业通过建立MES 管理信息化系统，可以为用户提供一个安全可靠、灵活高效的制造业生产环境，从而帮助企业节约成本、 提高产品质量、 优化生产管理及服务质量。介绍了通过RFID 技术采集物品信息，为WES 提供数据基础，不仅为生产提供实时数据信息，同时也为产品的全生命周期管理提供了一个实时的移动数据库。 学生通过该平台的学习， 可以了解先进技术在智能制造中的具体应用，提高了学生多技术综合应用的能力，同时也培养了学生数字化和信息化思想。