RFID技术在文具企业智能精益制造平台的应用

龙志军

青岛昌隆文具有限公司 山东省青岛市 266555

1.引 言

目前，国内主要文具企业处于从人工和自动化结合的制造形式逐渐向智能制造升级的关键时期，ERP软件作为企业资源管理平台已经在文具企业得到较为广泛的应用。但ERP软件系统对于车间和制造现场的控制需要对制造现场的数据进行归集和分析之后才可以做出反应和决策，在执行层面的决策时，有一定的滞后，因此作为车间层面的制造信息执行系统，各类MES软件开始得到了逐步推广使用。

MES系统相对于ERP系统而言，行业从属性和流程定制化更为突出，因此一般的MES系统提供了企业建模平台，灵活适应不同行业的要求。并且在汽车、化工、机械制造等多个行业中，知名的MES软件提供商都会提供相应的典型建模方案或典型企业制造过程的标准流程，但对于文具行业，目前公开信息中鲜见相关案例。

文具行业属于轻工行业的细分门类，制造平台有其独特的不同维度多样性的特点。例如：从工艺过程分类来说存在多样性，属于精密机械加工、高分子材料应用、精细化工、模具设计与制造等多个行业的交叉渗透；从需求驱动模式分类来说也存在着多样性，同一类产品可能同时存在按单生产或按预测生产等多种形式；从生产排程来说同样存在多样性，特别是随着近几年电商销售渠道的拓展，对于交货期和灵活定制化要求方面提出了更高的要求。因此，不同维度的多样性对于MES系统的应用提出了较大的挑战。

精益制造是一种以最大限度地减少企业生产所占用的资源和减少浪费为主要目标的生产方式，精益制造力求均衡生产，主要通过拉动模式组织生产；推动完善整个供应链以零缺陷作为目标的质量保证体系。关于精益制造思想如何同企业的制造系统整合，文献[1]提出了通过创建精益生产系统模型的方式构建离散式制造平台的方案，但并未对具体的技术方案和流程布局进行阐述。本文结合文具行业多样性特点，拟通过物联网RFID技术应用的角度，对精益制造模式与ERP/MES系统结合进行具体的方案研究。

2.根据文具行业的制造过程特点确定ERP/MES系统架构和数据交互方案

如图1示，是一个典型的ERP/MES制造平台架构。

图1 ERP/MES制造平台集成架构

按照订单信息流的传递方向和节点控制，ERP/MES系统分为订单层、执行层、通讯层、控制层四层。来自客户的销售订单在ERP系统下达后，在ERP系统中经过物料资源计划和能力平衡后分解为生产工单集合，并传递到MES系统中进行生产工单的下达，通过通讯层的传输，直至控制层进行生产工单执行。在完成生产工单的整个过程中，完工信息、设备数据、物料数据、质量数据等各类数据不断地反馈至执行层和订单层，基于数据反馈的结果，生产工单的调度部门进行实时的资源调整或数据分析和改善等工作。

在执行过程中，对于多样性的客户需求生成的多个生产工单集合进行优化排程，是执行层中最核心的部分。如何确保排程的最优化，现场生产执行数据闭环反馈的实时性和准确性尤为重要。以制造蜡笔套装的某工厂为例，生产的产品有12色、36色、64色三种包装方式的蜡笔，主要有配料、成型、贴标、包装四个工序。在一般工厂中，成型模具资源和设备资源是受限的，不能做到所有颜色齐头并进，但最终的包装工序必须确保需求的所有颜色蜡笔齐套后才可以启动包装，因此各种颜色蜡笔的实时生产数据和质量数据采集及时性和准确性成为了包装工序启动和及时交货的重要瓶颈。对于这些在生产过程中产生的实时数据采集，可以通过条码或二维码扫描，智能终端录入等很多方法录入到系统中。但在实践中发现，以上数据采集和读入方法并不理想，原因是由于每天有多个不同颜色小批量订单的各种物料均需要数据采集和录入。如采用人工主动扫描录入的形式容易出现差错或遗忘，就算是采用自动光学扫描的形式，也会受到打印质量、光线、扫描位置和速度等环境影响，出现较多的误读问题。

随着RFID技术的不断提升，可读写RFID的识别精度和抗干扰能力有了较大提高，同时制造成本逐步下降，从软硬件方面具备了作为文具制造企业的数据交互方案的条件；并通过该项物联网技术的应用，实现在制品管理、质量管理、物料管理、工厂布局的标准化，从而保障MES系统运行所需数据采集的及时性和稳定性。

3.通过精益制造思想与MES制造执行系统整合重构文具智能制造平台

以下用蜡笔制造过程为例，进行精益制造模式与MES系统结合的规划。

蜡笔生产的主体工艺路线如图2示。

图2 蜡笔生产工艺路线

在该案例中我们假设该车间主要生产12色的蜡笔套装，有两套蜡笔配料成型贴标单元分别是A单元和B单元，可以同时进行两个颜色蜡笔的制造，待12色齐套后进行包装。

通过价值流图分析，产线平衡工作等精益工具的应用，发现蜡笔成型和贴标工序基本节拍一致，因此成型和贴标工序之间的在制品物流可以采用FIFO流动，其他工序工艺特点相差较大，节拍一致性较差，需要考虑设置物料超市用于平衡产能，确保齐套性。当客户需求形成补充看板时，MES系统分别给A单元和B单元下达看板拉动指令，开始通过拉动生产的方式实现生产，通过价值流图分析完成的蜡笔生产过程，示意图如图3。

图3 蜡笔生产过程价值流示意图

在这个拉动系统中最为突出的瓶颈就是多种颜色的蜡笔生产共用一个生产单元，在一段时间内只能每个单元中必须按颜色顺序生产，在这个按顺序逐色生产的过程，如果在制品物流信息和数据采集出现疏漏时会导致：

（a）增加了不必要的等待时间，造成浪费。

（b）下工序准备时间出现过长或太晚的问题。

（c）产线运维人员不能得到及时有效的通知或提醒。

（d）在制品数据不准确。

（e）排产或调度出现不合理的现象。

以上问题会影响到ERP/MES制造系统运行的可靠性。因此，对于工作单元层面的物流数据采集终端需要做好规划，避免问题产生，根据精益制造模式的需求，如果引入RFID终端进行数据采集，结合精益制造的要求，对于数据采集系统需要进行如下的规划：

规划各个生产工序精益看板单位批量、物流周转标准容器、物流周转工具、周转频次等信息。

对物流周转标准容器RFID可读写标签进行规划，对于生产工单、物料编码、物料型号、数量、颜色、重量等信息需要确认标签的内容、数量和位置。

评估MES软件逻辑,对于采集操作过程中的一些异常失误行为，例如重复读取、擦除异常、信号方向异常等常见的问题具有一定的判断容错能力并及时对操作者给予提醒。

对车间和仓库、人员、物流周转方案现场布局进行规划，既要满足精益制造的需要，又要分析RFID读写设备的定向采集和天线场强要求，设置合理的RFID采集通道，确保物流周转容器与RFID读写采集设备交互时不受到干扰。

评估工序操作终端的技术方案，确保实时有效的显示RFID读写设备采集在制品的数据信息和显示读写过程中的异常。采集终端既能够进行即时人机交互，满足MES系统的要求，通过应用集成接口，数据实时上传到MES系统，接收显示生产工单及质量标准和作业标准等信息。

评估与工序操作终端相连接的RFID读写采集设备的技术方案，其中较为重要的是RFID读写采集设备需支持多标签读写。由于生产、物流、质量、计划等模块对于采集信息的多样性要求，在物料周转容器上可能会有多个标签贴附，因此系统软硬件和物流周转过程应支持多标签读写。

蜡笔制造工艺主体部分属于高分子材料成型过程，因此RFID读写设备和标签需要适应高温、粉尘、有机气体等生产环境中正常工作。特别是RFID标签对车间温度和周转过程中环境的适应性，需要根据车间现场的测试确定。

在进行数据采集系统规划时，RFID设备工作的稳定性至关重要，特别是同一物流周转容器有多个不同功用的RFID标签时。系统稳定性需要从硬件和软件两个方面进行评估，硬件方面的技术指标，包括工作频率、存储器容量、发射功率、读写速率和读写距离、搭配标签材质类型等，都属于需要根据企业的现场布局反复筛选和评估的关键指标；在软件方面，需要重点评估数据校验和防冲突算法，数据校验指的是通过编码格式和判断逻辑用于多标签识读时区分和纠错，防冲突算法主要用于解决RFID设备工作时，多标签信息读取时可能出现信息处理冲突问题，可选算法例如时分多路的ALOHA算法或二进制树确定性算法等[2]。由于不同的算法对于读取延时和系统稳定性有较大影响，因此在评估时需要重点论证和测试。

根据系统规划和精益价值流图分析，对车间和仓库进行了重新布局和设计,每个蜡笔生产单元布局示意图，如图4示。

图4 蜡笔生产单元布局示意图

在蜡笔价值流运营过程中，当成品仓库出现补货拉动需求时，电子看板通过MES系统转化为生产工单下达到包装工序，下达后的流程如下：

包装工序则根据需求下达超市配送清单，拣配相应规格的已贴标各色蜡笔和包装物到生产现场。当拣配物料通过RFID采写通道离开超市时，RFID读写设备读取蜡笔和包装物物流周转容器标签，记录数量、规格等信息，并自动进行超市物料出库信息记录。

出库的物料到达包装工序生产现场后在指定通道通过RFID读写设备读取标签，自动进行工单匹配，物料齐套性和防呆防错检查，在MES系统形成记录写入到工单中并启动生产。

完成包装后的成品蜡笔置于指定的物流标准容器中，并用生产现场的操作终端进行完工确认，当该容器通过指定RFID采写通道时，自动将报工的看板、规格、数量等信息写入到容器标签上。需要注意的是在该环节中除了对产出进行完工确认外，还需要对投入的物料消耗进行确认，对存在消耗蜡笔和包装物料的物流周转容器的状况进行校验，对于所盛放物料已用尽的物料周转容器标签清零返回上工序，对于有余数的物料周转容器则更新数量记录并退回超市。

完成完工确认信息写入的成品就可以进入成品待检区，通过指定的RFID采写通道进入待检区后，RFID读写设备读取容器标签数据自动在MES系统中生成检验批，等待FQC检验。

完成检验并合格的成品蜡笔通过指定通道的RFID读写设备读取标签信息并自动入库后，即可进入成品超市用于销售订单发货。

其他各工序的生产拉动方案原理同包装工序，其中需要注意的是成型工序和贴标工序采用的是FIFO流动策略，因此在这两个工序之间所记录的工序信息需要根据工序间流动的特点进行规划。除了通过RFID的方式进行批次数据读写的方案，也可以通过物料自动传送及相应视觉、称重检测和记录等方式进行工序信息的采集。随着精益制造过程的不断改善，可以在完成可靠性测试后，引入AGV物流系统实现物料的自动传输，部分RFID读写设备的位置也随着生产流程的改进，需要进一步的增加、合并或变更。

文具行业的特点是客户的需求有时候会存在多样性，因此有一些突发的个性化定制需求会导致超市中各色蜡笔的数量不能满足客户的需求，在进行拉动需求信息流动时，会出现不同颜色的多个需求逐级向下的连续性拉动现象出现。通过RFID读写设备的实时采集信息成为了MES生产工单排程非常有力的数据保障，结合有限能力排产模块可以实现最优化的生产工单排产，最大程度的减少过程中的等待时间。

经过一段时间的系统运行后，通过RFID数据采集读写系统会获得大量的质量、工艺、产能、物料等数据。企业通过定期对这些数据进行梳理和分析，可以进一步的对产线平衡、设备维保、ERP/MES系统排程、人员安排、质量控制、车间布局等各项进行标准化和优化。

4.结束语

本文以蜡笔生产为例，通过精益制造、ERP/MES信息管理执行系统与物联网技术相结合，进行了文具智能制造平台升级的应用的探索和研究。目前国内文具企业都面临着市场竞争日趋激烈，客户需求多样性，各项成本压力逐步增加的状况，因此制造平台智能化升级是企业发展的必由之路。通过精益制造模式对生产流程的数据信息流进行标准化，驱动MES系统的生产执行，同时充分有效的应用以RFID技术作为代表的物联网技术，二者相辅相成，能够成为文具行业智能制造平台升级的有力保障。