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RFID技術在汽車發動機裝配線的應用研究
作者：劉光富 張岳君
來源：《RFID技術與應用》
日期：2009-03-06 16:14:34
摘要：以某汽車制造企業發動機裝配線為研究對象，介紹了無線射頻技術（Radio Frequency Identification，RFID）及其具體應用，提出并構建了基于RFID技術的制造執行系統（manufacturing executive system，MES），設計了相關功能模塊，并且論證了RFID的應用與企業效益之間的內在關系。
1 引言
汽車發動機裝配主要采用流水線作業方式。沒有采用RFID技術以前，要想全面而準確地獲取發動機在裝配過程中的信息十分困難，條形碼技術雖然解決了部分問題，但在實際操作過程中，信息流通前后脫節嚴重，不能滿足裝配線的實際需求。而且在產品檢測不合格時，條形碼很難快速地找出故障原因，造成資源的巨大浪費。
因此，在發動機裝配過程中，急需一種識別技術以解決條形碼的不足。隨著科技的發展，RFID作為一種非接觸式自動識別技術，實現信息的快速流通，滿足裝配線的實際需求，而且它還具備故障識別功能，能快速地找出產品不合格的原因，因此，能很好的解決發動機裝配過程中出現的問題。該項技術在發動機裝配線上有很好的應用前景，許多汽車制造企業也都相繼開始實施RFID技術。
2 RFID系統的基本組成部分
RFID技術通過射頻信號自動識別目標對象并獲得相關數據，主要由電子標簽、讀寫器和控制器（中間件）三部分組成。
2.1 電子標簽
電子標簽核心主要由存儲容量較小的芯片組成。包含待識別物體的身份代碼信息或技術參數等信息的內部存儲器，則安裝在待識別物體的恰當部位。電子標簽與條形碼相比主要的優勢：1）更大的信息存儲空間，并為以后的信息擴展提供可能。2）產品信息動態存儲。在整個產品裝配的周期里，這些信息可以自動提示工人或加工設備已經完成和未完成的作業內容，從而提高生產效率。3）經過二次封裝，適應震動、化學腐蝕、潮濕和灰塵等惡劣環境。4）信息讀寫時標簽不一定要在天線的可視范圍內，因此可以嵌入載體、容器、乃至產品中，使用十分方便。
2.2 讀寫器
主要包括讀寫裝置主機、天線和自動識別軟件等。通常安裝在待識別物體通過的通道或必須的數據采集點上。讀寫裝置采集到的信息包括待識別物體身份代碼信息，如產品型號、產品序號、制造時間，以及其它需加載信息。在發動機的裝配過程中，主要應用讀寫器非接觸式識別和快速讀寫的特點。非接觸式識別可避免人工介入，減少錯誤，實現裝配線信息輸入的自動化；快速讀寫可減小裝配線的節拍時間，提高生產效率。
2.3 控制器（中間件）
控制器是RFID應用框架中相當重要的一環，是用來管理讀寫器與PC/PLC、服務器或網絡接口模塊的通訊接口。控制器負責實現與RFID硬件以及配套設備的信息交互和管理，同時作為一個軟硬件集成的橋梁，完成與上層復雜應用的信息交換。控制器與MES系統連接并通過并行端口、串行端口或通訊總線訪問電子標簽，也可以通過編輯程序直接利用電子標簽儲存的數據來實現過程控制。
3 RFID系統在發動機裝配線上的應用
3.1 RFID系統的需求分析
RFID技術應用之前，裝配線上主要使用條形碼技術，產品信息存儲在PLC或PMC數據庫里，對網絡通信速率，可靠性要求很高，需要高性能的PLC、大容量的數據庫和高效的PMC主機。在實際操作過程中會導致以下問題：
1) 在裝配過程中，各環節信息都由手工輸入，容易會出現錯誤，使工作步驟不能正產銜接，影響生產流程和節拍時間；
2) 若發現產品缺陷，由于紀錄數據不完全，導致不能查詢到需對產品缺陷負責相關工位；
3) 生產部門與物流部門信息交流不暢，零部件配送效率低下；同時制成品會產生大量庫存放在現場，影響生產和現場物流；
4) 管理人員不能直接了解生產線生產狀況，不能根據生產的實際情況及時調整作業計劃，解決生產中的實際問題缺乏可靠依據。應用了RFID技術以后以上問題就能迎刃而解：它能動態的存儲每個工位作業內容的信息；對生產線上實現并行管理，使需求計劃更加及時準確；實現JIT，減少時間和資源的浪費；通過與制造執行系統（MES）無縫融合，追蹤每個產品的加工信息，跟其他部門進行有效交流，帶來了可觀的間接效益；更為重要的是，它提高ERP/MRPII的魯棒性，把生產過程中的數據存儲在標簽中，可以減少網絡架設的成本，部分地點和部門甚至不需要終端的延伸，信息系統發生災難時，生產過程數據也能夠得以保全。
3.2 RFID系統在裝配線上的應用原理
裝配線是個循環系統，讀寫器和工位PC機由MES控制。如圖1所示，每個工位的讀寫器在托盤到達之前讀出標簽內容。工位PC機連接MES，來決定哪些零件組裝到發動機上，工作站的PC機屏幕顯示操作人員需要完成的作業。作業完成后，操作員按下完成按鈕，由MES來判斷所有作業是否完成并進入下一工位。
3.3 RFID技術與自動化技術
關于RFID技術如何在無人工作站與機器設備進行對話，實現工工作站的完全自動化可以參考文獻[2]，FBC(Functionality Based Control)和S³(Scheduler, Selector and Synchronizer)的結合（圖2）為這種技術的實現提供了很好的構架，不僅使機器設備高度柔性化，而且簡化了中央數據庫及信息系統的邏輯關系，便于維護。
3.4 RFID技術應用的主要操作流程
1) 電子標簽初始化。
① 工人在0工位PC機中輸入即將生產的發動機型號和產量信息；
② 工位PC機獲得待裝配缸體的唯一編號，并控制鉆刻機在發動機缸體上刻下鋼體編號，打印機根據編號打印出相應條形碼；
③ 讀寫器讀取電子標簽的ID號信息，將條形碼上的信息輸入電子標簽中，完成電子標簽的初始化；
④ 寫入了產品信息的電子標簽與托盤一起上線。為防止RFID系統不能正常工作而影響生產，條形碼作為預防措施隨托盤一起前進。
2) 讀寫電子標簽信息。
① 待加工產品輸送至裝配工位附近，限位開關自動卡住托盤，讀寫器獲得數據信息并傳輸至MES。
② 根據每個電子標簽內容，工位PC機屏幕顯示該工位應安裝部件的名稱、型號，并提示工人進行正確操作；
③ 完成作業后，工人在PC機上進行確認，將已完成的作業信息反饋給MES；
④ 讀寫器在電子標簽內寫入該工位完成的作業信息后，下放限位開關，托盤遞送至下一工位。根據標簽內所存儲的不同加工信息，產品將遞送至相關的后續工位。
3) 提取電子標簽信息。
① 發動機檢測不合格，自動進入返修區。讀寫器提取已寫入信息，與MES存儲的相關產品規格進行比較，在返修工位PC機上顯示故障原因、相關工位、解決方案等；
② 進入返修程序。返修完成后，標簽內寫入相關維修信息。
4) 清空電子標簽信息
① 讀寫器讀取標簽內信息并存儲至產品數據庫；
② 電子標簽信息清零，以便于循環使用。
4 MES功能模塊設計
MES連接了ERP/MRPII等上層應用軟件和工廠車間的現場生產（圖3），是兩者進行有效溝通的橋梁。沒有實施RFID技術以前，ERP/MRPII把生產計劃數據傳到車間后，并不能有效控制每個產品的實際生產過程，有時會由于信息不準確出現脫離實際的錯誤決策。導入了RFID技術以后，使ERP/MRPII準確控制車間的生產成為可能。相應的，必須對相關的MES功能模塊進行升級，實現與新技術有效融合。相關模塊包括：
4.1 生產計劃和生產作業管理
生產計劃模塊可以利用EPR/MRPII接口構件，滾動獲得生產計劃，結合生產作業所需資源，自動生成車間作業計劃，實現計劃的及時調整。
生產作業管理模塊通過RFID對標簽的信息讀取，提供實時生產情況查詢，為計劃調整提供依據，還可以在工位PC機顯示屏上動態顯示裝配產品的信息和加工要求。
將生產計劃和生產作業管理結合在一起，以體現計劃與管理的整體效應，實現及時對比。
4.2 現場數據采集
依靠RFID DCS和其他設備通信接口構件與現場設備進行交流，并運行由接口開發構件組成的各個接口或鍵盤，給現場操作人員提供信息輸入接口，幫助系統擁有第一手信息，將所需的與生產相關的信息全部收集在內。
4.3 物料跟蹤查詢管理
通過RFID技術實現對物料的個體/批次在生產線上推移、傳遞、消耗和轉化等信息的采集、跟蹤、整理、分析和共享。
4.4 在制品（WIP）跟蹤查詢
使管理人員迅速及時了解生產線生產情況，實時監控產品質量和生產效率，后臺連接到相應數據庫，防止故障堆積，幫助降低在制品數量。
4.5 質量監控和績效管理
對發動機質量信息進行全面管理，實現質量信息采集自動化，對于統計過程中發現的問題及時處理，并盡快找到質量問題解決方案。
4.6 產品生命周期檔案
除了滿足品質保證、統計分析、庫存管理等要求之外，還可以讓消費者追溯產品質任何一個生產步驟，任何一個零部件信息，即使是特別處理的加工手續也不例外。
5 RFID硬件設備選型
RFID硬件設備主要是電子標簽和讀寫器，兩者選型主要從以下幾個方面來考慮：工作的可靠性；良好的性價比；識別的距離；識別的頻率；系統的可擴展性；產品提供及維護的便捷性；是否有成功的應用案例。
最終，選擇了遠望谷公司的電子標簽XCTF-5013：可讀寫，存儲容量64位，工作頻率UHF 902-928 MHz，符合標準ISO 18000-6B，讀寫距離0～10m。讀寫器為XCRF-500系列。
6 實施RFID技術的前景
RFID技術給企業帶來的效益并非電子標簽與讀寫器的總和，單單靠這兩種設備獲得的只是比條形碼更有效的讀寫手段，不能給企業帶來長久的競爭力，不能引發企業本身的根本性轉變和創新。
RFID技術的引進是企業在連續改進過程中的一個階段，要實現這種根本性的轉變和創新除了有效的數據采集之外，更要靠對企業本身軟件系統的升級，整合企業現有的各種資源，優化流程，挖掘信息的有用價值，只有這樣方能把RFID技術的價值發揮至極，給企業帶來更高的效益。
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汽車發動機裝配主要采用流水線作業方式。沒有采用RFID技術以前，要想全面而準確地獲取發動機在裝配過程中的信息十分困難，條形碼技術雖然解決了部分問題，但在實際操作過程中，信息流通前后脫節嚴重，不能滿足裝配線的實際需求。而且在產品檢測不合格時，條形碼很難快速地找出故障原因，造成資源的巨大浪費。
因此，在發動機裝配過程中，急需一種識別技術以解決條形碼的不足。隨著科技的發展，RFID作為一種非接觸式自動識別技術，實現信息的快速流通，滿足裝配線的實際需求，而且它還具備故障識別功能，能快速地找出產品不合格的原因，因此，能很好的解決發動機裝配過程中出現的問題。該項技術在發動機裝配線上有很好的應用前景，許多汽車制造企業也都相繼開始實施RFID技術。
2 RFID系統的基本組成部分
RFID技術通過射頻信號自動識別目標對象并獲得相關數據，主要由電子標簽、讀寫器和控制器（中間件）三部分組成。
2.1 電子標簽
電子標簽核心主要由存儲容量較小的芯片組成。包含待識別物體的身份代碼信息或技術參數等信息的內部存儲器，則安裝在待識別物體的恰當部位。電子標簽與條形碼相比主要的優勢：1）更大的信息存儲空間，并為以后的信息擴展提供可能。2）產品信息動態存儲。在整個產品裝配的周期里，這些信息可以自動提示工人或加工設備已經完成和未完成的作業內容，從而提高生產效率。3）經過二次封裝，適應震動、化學腐蝕、潮濕和灰塵等惡劣環境。4）信息讀寫時標簽不一定要在天線的可視范圍內，因此可以嵌入載體、容器、乃至產品中，使用十分方便。
2.2 讀寫器
主要包括讀寫裝置主機、天線和自動識別軟件等。通常安裝在待識別物體通過的通道或必須的數據采集點上。讀寫裝置采集到的信息包括待識別物體身份代碼信息，如產品型號、產品序號、制造時間，以及其它需加載信息。在發動機的裝配過程中，主要應用讀寫器非接觸式識別和快速讀寫的特點。非接觸式識別可避免人工介入，減少錯誤，實現裝配線信息輸入的自動化；快速讀寫可減小裝配線的節拍時間，提高生產效率。
2.3 控制器（中間件）
控制器是RFID應用框架中相當重要的一環，是用來管理讀寫器與PC/PLC、服務器或網絡接口模塊的通訊接口。控制器負責實現與RFID硬件以及配套設備的信息交互和管理，同時作為一個軟硬件集成的橋梁，完成與上層復雜應用的信息交換。控制器與MES系統連接并通過并行端口、串行端口或通訊總線訪問電子標簽，也可以通過編輯程序直接利用電子標簽儲存的數據來實現過程控制。
3 RFID系統在發動機裝配線上的應用
3.1 RFID系統的需求分析
RFID技術應用之前，裝配線上主要使用條形碼技術，產品信息存儲在PLC或PMC數據庫里，對網絡通信速率，可靠性要求很高，需要高性能的PLC、大容量的數據庫和高效的PMC主機。在實際操作過程中會導致以下問題：
1) 在裝配過程中，各環節信息都由手工輸入，容易會出現錯誤，使工作步驟不能正產銜接，影響生產流程和節拍時間；
2) 若發現產品缺陷，由于紀錄數據不完全，導致不能查詢到需對產品缺陷負責相關工位；
3) 生產部門與物流部門信息交流不暢，零部件配送效率低下；同時制成品會產生大量庫存放在現場，影響生產和現場物流；
4) 管理人員不能直接了解生產線生產狀況，不能根據生產的實際情況及時調整作業計劃，解決生產中的實際問題缺乏可靠依據。應用了RFID技術以后以上問題就能迎刃而解：它能動態的存儲每個工位作業內容的信息；對生產線上實現并行管理，使需求計劃更加及時準確；實現JIT，減少時間和資源的浪費；通過與制造執行系統（MES）無縫融合，追蹤每個產品的加工信息，跟其他部門進行有效交流，帶來了可觀的間接效益；更為重要的是，它提高ERP/MRPII的魯棒性，把生產過程中的數據存儲在標簽中，可以減少網絡架設的成本，部分地點和部門甚至不需要終端的延伸，信息系統發生災難時，生產過程數據也能夠得以保全。
3.2 RFID系統在裝配線上的應用原理
裝配線是個循環系統，讀寫器和工位PC機由MES控制。如圖1所示，每個工位的讀寫器在托盤到達之前讀出標簽內容。工位PC機連接MES，來決定哪些零件組裝到發動機上，工作站的PC機屏幕顯示操作人員需要完成的作業。作業完成后，操作員按下完成按鈕，由MES來判斷所有作業是否完成并進入下一工位。
3.3 RFID技術與自動化技術
關于RFID技術如何在無人工作站與機器設備進行對話，實現工工作站的完全自動化可以參考文獻[2]，FBC(Functionality Based Control)和S³(Scheduler, Selector and Synchronizer)的結合（圖2）為這種技術的實現提供了很好的構架，不僅使機器設備高度柔性化，而且簡化了中央數據庫及信息系統的邏輯關系，便于維護。
3.4 RFID技術應用的主要操作流程
1) 電子標簽初始化。
① 工人在0工位PC機中輸入即將生產的發動機型號和產量信息；
② 工位PC機獲得待裝配缸體的唯一編號，并控制鉆刻機在發動機缸體上刻下鋼體編號，打印機根據編號打印出相應條形碼；
③ 讀寫器讀取電子標簽的ID號信息，將條形碼上的信息輸入電子標簽中，完成電子標簽的初始化；
④ 寫入了產品信息的電子標簽與托盤一起上線。為防止RFID系統不能正常工作而影響生產，條形碼作為預防措施隨托盤一起前進。
2) 讀寫電子標簽信息。
① 待加工產品輸送至裝配工位附近，限位開關自動卡住托盤，讀寫器獲得數據信息并傳輸至MES。
② 根據每個電子標簽內容，工位PC機屏幕顯示該工位應安裝部件的名稱、型號，并提示工人進行正確操作；
③ 完成作業后，工人在PC機上進行確認，將已完成的作業信息反饋給MES；
④ 讀寫器在電子標簽內寫入該工位完成的作業信息后，下放限位開關，托盤遞送至下一工位。根據標簽內所存儲的不同加工信息，產品將遞送至相關的后續工位。
3) 提取電子標簽信息。
① 發動機檢測不合格，自動進入返修區。讀寫器提取已寫入信息，與MES存儲的相關產品規格進行比較，在返修工位PC機上顯示故障原因、相關工位、解決方案等；
② 進入返修程序。返修完成后，標簽內寫入相關維修信息。
4) 清空電子標簽信息
① 讀寫器讀取標簽內信息并存儲至產品數據庫；
② 電子標簽信息清零，以便于循環使用。
4 MES功能模塊設計
MES連接了ERP/MRPII等上層應用軟件和工廠車間的現場生產（圖3），是兩者進行有效溝通的橋梁。沒有實施RFID技術以前，ERP/MRPII把生產計劃數據傳到車間后，并不能有效控制每個產品的實際生產過程，有時會由于信息不準確出現脫離實際的錯誤決策。導入了RFID技術以后，使ERP/MRPII準確控制車間的生產成為可能。相應的，必須對相關的MES功能模塊進行升級，實現與新技術有效融合。相關模塊包括：
4.1 生產計劃和生產作業管理
生產計劃模塊可以利用EPR/MRPII接口構件，滾動獲得生產計劃，結合生產作業所需資源，自動生成車間作業計劃，實現計劃的及時調整。
生產作業管理模塊通過RFID對標簽的信息讀取，提供實時生產情況查詢，為計劃調整提供依據，還可以在工位PC機顯示屏上動態顯示裝配產品的信息和加工要求。
將生產計劃和生產作業管理結合在一起，以體現計劃與管理的整體效應，實現及時對比。
4.2 現場數據采集
依靠RFID DCS和其他設備通信接口構件與現場設備進行交流，并運行由接口開發構件組成的各個接口或鍵盤，給現場操作人員提供信息輸入接口，幫助系統擁有第一手信息，將所需的與生產相關的信息全部收集在內。
4.3 物料跟蹤查詢管理
通過RFID技術實現對物料的個體/批次在生產線上推移、傳遞、消耗和轉化等信息的采集、跟蹤、整理、分析和共享。
4.4 在制品（WIP）跟蹤查詢
使管理人員迅速及時了解生產線生產情況，實時監控產品質量和生產效率，后臺連接到相應數據庫，防止故障堆積，幫助降低在制品數量。
4.5 質量監控和績效管理
對發動機質量信息進行全面管理，實現質量信息采集自動化，對于統計過程中發現的問題及時處理，并盡快找到質量問題解決方案。
4.6 產品生命周期檔案
除了滿足品質保證、統計分析、庫存管理等要求之外，還可以讓消費者追溯產品質任何一個生產步驟，任何一個零部件信息，即使是特別處理的加工手續也不例外。
5 RFID硬件設備選型
RFID硬件設備主要是電子標簽和讀寫器，兩者選型主要從以下幾個方面來考慮：工作的可靠性；良好的性價比；識別的距離；識別的頻率；系統的可擴展性；產品提供及維護的便捷性；是否有成功的應用案例。
最終，選擇了遠望谷公司的電子標簽XCTF-5013：可讀寫，存儲容量64位，工作頻率UHF 902-928 MHz，符合標準ISO 18000-6B，讀寫距離0～10m。讀寫器為XCRF-500系列。
6 實施RFID技術的前景
RFID技術給企業帶來的效益并非電子標簽與讀寫器的總和，單單靠這兩種設備獲得的只是比條形碼更有效的讀寫手段，不能給企業帶來長久的競爭力，不能引發企業本身的根本性轉變和創新。
RFID技術的引進是企業在連續改進過程中的一個階段，要實現這種根本性的轉變和創新除了有效的數據采集之外，更要靠對企業本身軟件系統的升級，整合企業現有的各種資源，優化流程，挖掘信息的有用價值，只有這樣方能把RFID技術的價值發揮至極，給企業帶來更高的效益。
瀏覽者下載本網站資料，僅限用于個人學習研究使用，不得用于任何商業用途，瀏覽者沒有獲得RFID世界網或各自的版權所有者明確的書面同意下，轉載要注明原稿來源、如有惡意修改使用傳遞,如一旦發現將追究責任！
