蔣 磊，郭 宇

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

基于RFID技術(shù)的車間物料管理方法的研究

蔣 磊，郭 宇

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

為解決傳統(tǒng)離散制造車間物料管理的弊端，將RFID技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)離散制造業(yè)，合理配置物料，利用RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)獲取物料信息。結(jié)合物料管理方案建立了系統(tǒng)框架，闡述了系統(tǒng)運(yùn)行模式，分析了物料信息變化過程并建立了數(shù)據(jù)模型。通過對(duì)物料管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了物料管理效率的提高。

RFID;車間;物料管理;信息采集;實(shí)時(shí)監(jiān)控

傳統(tǒng)離散制造業(yè)車間，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀況復(fù)雜，物料放置混亂，管理不規(guī)范，常常出現(xiàn)物料丟失、缺損、供應(yīng)滯后等問題，對(duì)物料信息記錄和傳遞的手段大多依靠手工記錄、紙質(zhì)傳遞，從而導(dǎo)致效率低下、容易出錯(cuò)等后果。如何解決這些問題，中外學(xué)者也進(jìn)行了一些相關(guān)研究［1－8］。在國(guó)外，C.Saygin［2］提出利用RFID對(duì)庫存進(jìn)行管理，利用RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)物品進(jìn)行跟蹤。GeorgeQ.Huang［3］等用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間物料追蹤，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了物料傳遞過程的透明化。在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)的張映鋒［4］等提出利用RFID技術(shù)對(duì)制造資源進(jìn)行配置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過程實(shí)時(shí)信息進(jìn)行獲取與追蹤的方法。上述研究在一定程度上解決了制造車間數(shù)據(jù)采集的問題，但是對(duì)物料的管理并沒有做太細(xì)致的說明，尤其是對(duì)物料動(dòng)態(tài)變化的信息管理問題，以上研究并未提出一個(gè)明確的管理方法。本文在C.Saygin，GeorgeQ.Huang及張映鋒等人的研究基礎(chǔ)上，利用RFID技術(shù)對(duì)物料靜態(tài)屬性信息以及動(dòng)態(tài)制造信息進(jìn)行全面有效的管理，實(shí)現(xiàn)車間物料信息的實(shí)時(shí)反饋。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

為了解決上述問題，結(jié)合離散制造車間物料管理需求，建立基于RFID技術(shù)的離散制造車間物料管理系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

物料管理系統(tǒng)主要是針對(duì)從物料進(jìn)入原料庫開始到最終加工成為成品并存放入成品庫的全過程的管理，整個(gè)過程不僅要獲取物料的屬性、加工工藝等固有信息，還要知道與之相關(guān)聯(lián)的制造信息，如工人工號(hào)、機(jī)床編號(hào)、刀具編號(hào)等，并對(duì)這些信息實(shí)施有效管理。

系統(tǒng)包括物料信息采集、物料信息存儲(chǔ)、信息實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息統(tǒng)計(jì)分析等功能模塊。系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)RFID讀寫器自動(dòng)獲取物料屬性信息及制造信息。系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的物料信息并加以分析，找出管理問題。除此之外，系統(tǒng)的監(jiān)控功能可以跟蹤物料流轉(zhuǎn)的全過程，實(shí)時(shí)展現(xiàn)原材料、工件等在車間的位置分布情況。

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行模式

結(jié)合系統(tǒng)各個(gè)功能模塊，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的高效穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)車間物料管理的透明化和自動(dòng)化，系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖2所示。

當(dāng)原材料進(jìn)入車間時(shí)，物料管理員對(duì)物料進(jìn)行標(biāo)識(shí)并記錄物料的編號(hào)、名稱、材料、規(guī)格等信息。除此之外，物料管理員還要為物料配置相應(yīng)的電子標(biāo)簽，確保物料的唯一性。完成電子標(biāo)簽配置后，物料管理員會(huì)通過RFID讀寫器在電子標(biāo)簽中寫入物料編號(hào)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與物料一一關(guān)聯(lián)。然后物料管理員將關(guān)聯(lián)后的物料放入車間物料存放區(qū)。標(biāo)識(shí)完成后，物料管理員會(huì)通知工人根據(jù)物料單領(lǐng)取相應(yīng)物料。在物料運(yùn)送的過程中，車間關(guān)鍵位置所安置的RFID讀寫器能夠監(jiān)控物料的出入庫及當(dāng)前的位置信息，并自動(dòng)獲取物料的屬性和正在進(jìn)行的制造數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳入物料管理系統(tǒng)，物料管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過網(wǎng)絡(luò)將信息派發(fā)給車間工人，這些信息使工人能夠?qū)崟r(shí)掌握當(dāng)前物料狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

2 物料信息分析及建模

物料管理一直是離散制造車間的一個(gè)重要并且困難的問題，原因在于物料是制造車間的加工對(duì)象，從它進(jìn)入車間到最終加工完畢，是處在一個(gè)不斷變化的過程中。隨著加工進(jìn)程的進(jìn)行，物料的形狀、質(zhì)量、外觀都不是一成不變的。換句話說，離散制造車間的物料是動(dòng)態(tài)的物料，對(duì)這種動(dòng)態(tài)的物料是很難用固定的信息去描述的，對(duì)動(dòng)態(tài)物料進(jìn)行建模，有助于我們更直觀地了解物料的動(dòng)態(tài)特性，更好地對(duì)其進(jìn)行管理。

2.1 物料信息變化流程

物料的信息描述可分為兩種:(1)對(duì)屬性信息的描述，包括物料編號(hào)、物料名稱、供應(yīng)代號(hào)、資料號(hào)、工藝卡號(hào)等。(2)對(duì)制造信息的描述，包括工序名稱、加工數(shù)量、加工尺寸、報(bào)廢數(shù)量以及與物料相關(guān)聯(lián)的機(jī)床編號(hào)、工人工號(hào)、刀具編號(hào)等。這些信息會(huì)隨著制造過程的進(jìn)行而改變。物料信息模型如圖3所示。

圖3 物料信息模型

2.2 車間物料流轉(zhuǎn)過程建模

物料從最初的原材料到最終的成品，是按照既定工藝，經(jīng)過多道工序?qū)崿F(xiàn)的，所以說物料的流轉(zhuǎn)過程是物料、制造要素和加工工藝的交互。

可以用2個(gè)矩陣表達(dá)物料在車間的流轉(zhuǎn)過程:

式中:Mmaterial矩陣的每一行代表不同制造階段物料(或者叫中間品)的屬性信息;ID表示物料的編號(hào);Name表示物料的名稱;MN表示物料的材料牌號(hào);IN表示物料的資料號(hào);TN表示物料的工藝卡號(hào)。Mtechnic描述與物料相關(guān)聯(lián)的制造工藝，每一行元素是對(duì)工藝參數(shù)、加工條件等信息的表示;n表示加工工藝參數(shù)的個(gè)數(shù)，這些參數(shù)包括對(duì)設(shè)備類型的要求(車床、銑床或其他)，對(duì)刀具的要求，對(duì)加工條件的要求(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度)等等;m表示整個(gè)加工過程需要的工序數(shù)。Mtechnic中的元素aij=(Conformance)(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)，Conformance表示工藝參數(shù)是否符合要求。

當(dāng)aij(Conformance)=0時(shí)，可能因?yàn)榧庸べ|(zhì)量問題導(dǎo)致物料報(bào)廢。

2.3 物料流轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控

要實(shí)現(xiàn)物料流轉(zhuǎn)的全過程監(jiān)控，需要在物料流轉(zhuǎn)途徑中恰當(dāng)?shù)奈恢冒仓肦FID讀寫器。物料在車間的派送路徑并不唯一，但是可以確定物料的最終目的地(工位或倉儲(chǔ))，在目的地(工位或倉儲(chǔ))安裝RFID讀寫器，就可以獲取物料是否到位的狀態(tài)信息。

為了實(shí)現(xiàn)物料監(jiān)控的精細(xì)化，本文提出利用雙RFID讀寫器系統(tǒng)對(duì)工位物料的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。分別在工位的待加工區(qū)和已加工區(qū)安裝RFID讀寫器。當(dāng)物料進(jìn)入待加工區(qū)，說明物料到位，等待加工;當(dāng)物料離開待加工區(qū)時(shí)，說明物料已裝夾，開始加工;當(dāng)物料進(jìn)入已加工區(qū)域時(shí)，說明加工完畢。圖4給出了物料流轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控模式圖。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 開發(fā)環(huán)境

物料管理系統(tǒng)基于B/S(Browser/Server)體系架構(gòu)，利用 Microsoft.NET平臺(tái)開發(fā)。開發(fā)環(huán)境:Microsoft Visual Studio 2005。開發(fā)工具:VB.NET、ASP.NET、Oracle 9i數(shù)據(jù)庫。

3.2 運(yùn)行環(huán)境

a.服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境:Windows 2003 Server、IIS 6.0。

b.客戶端運(yùn)行環(huán)境:要求安裝.NET Framework 2.0及以上和IE 6.0及以上的計(jì)算機(jī)。

3.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

a.系統(tǒng)管理。

針對(duì)不同角色的用戶，配置不同的權(quán)限，用戶憑借有效的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)。用戶登錄界面如圖5所示。系統(tǒng)管理可對(duì)系統(tǒng)密碼、用戶權(quán)限進(jìn)行配置，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)管理界面如圖6所示。

b.物料信息管理。

物料管理系統(tǒng)用以對(duì)物料的信息進(jìn)行管理，可以查看物料的相關(guān)屬性和具體工序的加工參數(shù)，如工序名稱、加工時(shí)間、設(shè)備類型等等，達(dá)到物料信息的可追溯性。物料信息管理如圖7所示。

c.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以對(duì)一段時(shí)間機(jī)床的利用效率和加工合格率進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)曲線可以反眏這段時(shí)間內(nèi)物料的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖4 物料流轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控模式圖

圖5 用戶登錄界面

圖6 系統(tǒng)管理界面

圖7 物料信息管理

圖8 數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)束語

本文將RFID技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)離散制造業(yè)，對(duì)車間制造要素進(jìn)行配置，通過車間物料管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了物料管理的實(shí)時(shí)化和透明化?；赗FID技術(shù)的物料管理方法能夠解決傳統(tǒng)離散制造車間物料管理混亂、效率低下、容易丟失等問題，對(duì)傳統(tǒng)離散制造車間管理效率的提高有很大幫助。相對(duì)于張映鋒等人的研究，本文從物料在車間的流轉(zhuǎn)過程入手，分析了物料的信息類型及變化過程，通過采集物料信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是由于離散制造車間制造工藝比較復(fù)雜，如何將RFID電子標(biāo)簽與物料進(jìn)行合理地綁定是亟待解決的難題，后續(xù)研究可從這些方面展開。

［1］胡友明，杜潤(rùn)生，楊叔子.制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2002，24(3):23 －27.

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A Study of Material Management Method for Workshop Based on RFID Technology

JIANG Lei，GUO Yu
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)

In order to solve the problems of material management of traditional discrete manufacturing workshop，RFID technology is applied to traditional discrete manufacturing industry，the material is allocated reasonably，the material information is collected by the using of RFID.The system framework is built combining with the material management plan，the system operation mode is expounded，the material information model is built.According to the developing and using of the material management system，managerial effectiveness is raised.

RFID;Workshop;Material Management;Information Acquisition;Real Time Monitoring

TP391

A

2095－509X(2013)05－0023－05

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.006

2013－01－06

“十二五”國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目;南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金資助項(xiàng)目(kfjj120119)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

蔣磊(1985—)，男，新疆伊犁人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)制造。