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学习资料收集于网络，仅供参考制造业在制品实时跟踪与监控系统解决方案浩海易通科技（北京）有限公司2008年6月目录1.背景和需求32.系统目标42.1功能目标42.2预期效果53.总体方案63.1 系统整体结构63.2 系统网络结构83.3 系统功能结构93.4功能模块简介124.系统支撑技术164.1 精益生产技术164.2 条码识别技术164.3 RFID射频识别技术175.总结216项目实施计划 221.背景和需求目前，国内制造业普遍认识到信息化对企业发展的重要性，许多企业引进国外先进管理思想和方法，并开发了ERP/MES/DCS/CAD/CAM/CAPP/PDM等信息管理系统，这些系统目前已在数字化程度较高的企业内发挥出了重要的作用，为企业带来了可观的经济效益。但是我国传统制造业由于普遍存在环境比较恶劣、信息化基础薄弱、生产效益不高等不足现象，因此在制造业尤其是传统制造业实施信息化是当前迫切需要解决的任务。同时，即使在实施了ERP的企业，也需要对车间级的生产信息进行采集与管理，以达到对生产进行“事前预测计划、事中分析控制、事后跟踪管理” 的目的。MES虽然引用了先进的车间生产管理的理念与方法，但要在传统的机械加工为主的离散制造业应用，仍需解决车间信息采集与管理系统间的信息断层问题。目前绝大多数企业对生产过程的监控还是通过管理人员到车间现场了解情况，然后把数据人工输入EXCEL中进行记录、统计形成车间报表，工作量大并且效率低，无法实时跟踪在制品加工状态，数据不能共享，造成过多重复工作。因此，企业迫切需要对产品的制造过程进行全程跟踪与管理，实现从签定合同设计生产入仓发货的生产全生命周期的监控，满足生产精细化管理需要以及客户交货期需要，并实现质量的跟踪追溯；这也是提高企业的竞争力，加强成本控制，用准确的产品数据来支撑信息系统，同时解决生产过程的物料使用进行实时监控与记录，杜绝物料浪费、在制品积压等问题。2.系统目标以离散制造业生产企业为对象，面向精益生产与6S管理模式，利用RFID、电子看板等技术识别物料身份、记录加工状态，实现车间在制品实时监控、质量追溯功能，提高产品品质，减少和避免积压，提高企业效率。2.1功能目标l 工位电子看板：通过与MES集成，将计划指令直接下达到工位，各工位操作人员将生产实绩信息及时反映到管理系统中；l 加工过程数据采集：整合条码、RFID等数据采集设备实时采集生产实况的各种信息，形成完整的生产过程记录，为质量管理与追溯提供依据；l 加工状态可视化监控：管理系统通过条码、RFID系统实时了解产品、设备、原料以及人员的状况，从空间、时间维度更为形象地反映生产信息，从而实现了生产过程的可视化监控；l 关键工序管理：按照关键工序、强制检验点的特殊要求，利用RFID系统捕捉相关信息，围绕关键工序进行必要的生产调整，从而实现对生产过程的区别对待控制与管理；l 现场信息实时校验：依据现场条码、RFID等数据采集系统的有用信息，通过核对实际作业中的操作人员、质检人员、工序、物料、设备、工具的正确性，实现现成信息的实时校验。对于设定的工艺要求不符的资源配置进行报警，提醒管理系统进行相应调整；l 产品质量可追溯：以产品数据为核心，建立产品追踪体系。追溯成品与生产设备、时间、员工的双向追踪；l 生产预警与报警：根据统计学原则和特殊质量保障原则实现生产管理的预警；对于生产现场的设备、工序、人员、物料等出现的突发事件进行报警，降低企业生产事故发生率和企业损失。l 在制品出入库管理：利用条码或RFID电子标签对在制品身份进行唯一标示，通过在在制品出入库时读取在制品信息，能够实现对在制品出入库的实时管理，从而更为准确、方便地对在制品库存流动情况进行管理。2.2预期效果系统实施所达到的预期效果包括：l 通过条形码和RFID等自动识别和数据采集手段代替手工处理信息提高管理效率和增强企业的应变能力；l 信息系统将向底层自动化扩展。通过RFID向系统输入大量底层实时数据，使得信息系统势必不断向底层自动化扩展，提高装配过程的灵活性；l 弥合企业生产系统中计划与执行时间的间隙。应用条形码或RFID等自动识别和数据采集手段的信息系统能及时获取生产的实时数据，实现在制品的全程自动跟踪，并通过网络信息传递通道将数据和应用无缝集成起来，为企业管理层提供决策支持，弥合了计划下达和生产执行之间的间隙，减少计划的盲目性；l 安全库存和制造批量的观念发生变化。条码或RFID在工厂和仓库中的应用将使得上游工序（或企业）的来料、下游工序（或企业）的需求完全透明，从而实现准时制（JIT）和批量定制（MC）生产方式。学习资料3.总体方案3.1 系统整体结构系统方案的总体结构图如图1所示。整个系统大体分成生产执行层、数据通信层和管理控制层三部分。图1 系统总体结构图1. 生产执行层生产执行层由工业现场设备终端和条形码、RFID数据采集系统两部分组成，包括的物理设备有条码扫描仪（扫描枪）、RFID读写器设备、射频天线、RFID电子标签以及现场信息显示、录入终端、RFID打印设备、贴标设备等。从空间位置的角度讲，主要涉及用于在制品生产的作业车间现场、用于存储在制品的仓库等区域。生产执行层完成底层数据采集、数据传输、数据提交和指导生产。条码扫描仪（或扫描枪）：条码扫描仪是基于条码识别技术的数据采集系统的主要设备，主要用于扫描的各类条码信息和跟踪的数据。RFID读写器设备：读写器是RFID数据采集系统的核心部件，主要完成电子标签数据的采集与传输。根据工业现场空气、噪声等物理环境和电磁环境的实际情况，RFID读写器需要具备一定的防尘、防潮、防噪声和电磁隔离的能力，保证在工业现场复杂环境下工作的可靠性和安全性。另外，结合现场空间布局和实际应用的特点，还需要考虑读写器的读取距离、读取范围、反应灵敏度和精确性等方面因素。射频天线： 读写器在一定程度上决定了射频天线的某些性能参数。天线的性能参数和空间布置直接影响到标签识别的效果，进而影响整个RFID数据采集系统的性能。工业现场的电磁环境复杂程度对射频天线的可靠性和有效范围影响很大。另外，还需要根据现场实际情况确定天线数量和安装方式、安装位置和角度。RFID电子标签：RFID电子标签的选择要根据在制品的实际特点。特别值得一提的是用在金属等导体材料的在制品上的电子标签与非金属在制品标签的区别。在金属在制品的条件下，常规的RFID智能标签在金属环境下会出现屏蔽现象，必须采用特殊的金属标签才能满足项目的应用适应需要。其次要综合考虑标签成本与性能指标。由于实际生产中电子标签的使用数量巨大，因此要尽量降低标签采购成本；同时又要兼顾标签性能、使用寿命等因素，争取实现整体效益的最大化，在此我们一般采用重复使用型标签。现场信息显示、录入终端：现场信息显示、录入终端设备集电子看板与现场信息录入设备于一身，实现零配件批号生成与管理以及生产计划、生产工艺、生产状态信息、生产设备信息、质量分析信息的在线实时查询、显示、录入，实现车间的无纸化作业。 RFID打印设备、贴标设备：打印机从控制电脑处接收和执行打印指令。根据一个生产过程的记录，打印机指令信息打印在标签表面，并将指令信息写入芯片中，然后将标签粘贴在在制品货包装上。2. 数据通信层数据通信层是联系管理控制层和生产执行层的中间部分，实现管理层与执行层之间的数据通信与信息交互。主要的物理设备包括企业内部网（Intranet）和通信服务器。企业内部网：结合企业生产车间现有网络环境，数据通信层通过千兆以太网实现管理层与执行层的连接，并实现两者之间基于TCPIP协议的数据传输和信息通信。通信服务器：主要处理上下层之间的数据通信与实现，负责这些数据的接收、过滤和整合、数据解析等，是系统中间件的载体。3. 管理监控层管理监控层主要完成生产管理及调度和数据存储，并响应由底层传输过来的数据终端的命令请求，或者通信层请求转发到底层数据终端的指令。管理控制层包含数据库服务器、管理服务器和上层管理计算机三部分：数据库服务器：主要存放生产执行层采集的实时数据，用于对整个生产状态的实时监控。管理服务器：主要存放对企业生产管理所需的各类信息，用于对生产实施日常管理和企业整体的计划决策管理；数据服务器和管理服务器通过网络接口联入局域网络。上层管理计算机：是生产管理人员用于生产管理的综合平台，主要用于对生产状态的实时监视和生产指令的下达。3.2 系统网络结构系统采用浏览器服务器 BS（browserserver)三层网络结构，如图2所示。图2 系统网络结构图整体结构分为用户表示层、功能层和数据层：1、表示层：由基于WEB浏览器的客户端组成。用户通过WEB应用界面与系统进行人机交互，完成信息的采集录人或数据显示；2、功能层：由WEB应用服务器执行事务处理逻辑。WEB服务器采用Http协议回应各用户PC发送的请求，并收集底层数据提交给用户来实现用户的应用要求；3、数据层：通过数据库服务器执行数据处理逻辑，为系统提供底层数据支持。BS结构同CS结构相比，具有以下优点：1、非常容易实现多用户监控；2、开发环境与应用环境分离，便于系统的管理与升级；3、应用环境为标准的浏览器，简化了传统系统中较为复杂的GUI的开发，降低了对用户的培训、安装和维护等费用；4、易实现跨平台的应用。3.3 系统功能结构整个在制品实时跟踪与监控系统功能结构如图3所示。图中虚线框内的部分为本项目所需完成的部分，主要包括生产现场设备终端、RFID数据采集系统和系统中间件三部分组成。1. 生产现场设备终端生产现场设备终端主要完成生产现场信息的录入/显示的功能。其功能可分解如下：图3 车间生产管理系统功能结构图l 加工过程中实时信息反馈当在制品到达某一工位时，工人利用条码扫描枪或RFID读写器读取在制品上的条码或RFID电子标签信息，读取的信息在设备终端自动显示，并根据该信息自动与系统服务器端数据库内对应的在制品信息进行核对，当确认准确无误后对数据库信息进行更新。加工完成后，工人将完成情况录入到设备终端，具体信息包括完成数量、完成结果等。同时，记录该工序完成时间和完成情况，自动更新系统信息，作为生产实时监控与在制品跟踪的依据。l 电子看板与实时信息显示生产管理层在生产过程中所下达的实时指令和信息，将以消息通知的方式，直接在特定工位的设备终端上实时显示，从而提高了车间生产对特殊情况的快速反应能力，并且保证了管理层信息及时传达到生产环节。l 在制品库存/出入库管理设备终端应用在在制品仓库内，主要完成对在制品库存信息的管理、出入库登记等工作。此时的设备终端通常采用计算机来完成。l 预警与报警功能设备终端将根据实际生产要求提供不同等级的报警功能。报警等级可分为严重级、较重级和轻微级，具体代表的含义有企业确定。当生产过程或车间出现问题时，加工人员可以通过设备终端提供的报警功能，根据实际情况选择相应的报警级别向管理系统进行及时报警。生产监控人员通过系统监控界面及时了解信息，作出相应的事件处理反应。2. 数据采集系统以条形码和RFID为代表的数据采集系统是实现生产现场信息实时获取的主要硬件设备。通过生产车间专用数据采集终端，可以将生产计划与生产工艺直接下达到工序指导生产。基于条码的数据采集系统应用较为广泛，且具有一次投入低等优点，比较适合于对工业现场环境较为理想的企业采用。RFID数据采集系统具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签非可视、标签内数据可加密、存储数据容量大等优点，非常适合在制造业应用。系统利用条形码或RFID标签对在制品、加工人员等生产要素进行惟一标示，利用在车间的各个工位和其他数据采集区域布置条码扫描枪或RFID读写系统等数据采集终端，实现对生产过程中的上述信息的实时采集。这些信息经过工业以太网传输和系统中间件过滤处理后，为生产管理控制层提供生产实时数据，从而实现对生产的实时管理和监控。3. 系统中间件所谓系统中间件，是指介于前端数据采集系统和后端数据库与管理和监控系统中间，提供程序管理、资料过滤与汇集、事件管理、安全管理以及网络管理等机制的软件模块。换句话说，中间件提供了一个双向透明接口，对底层设备的精确控制和实时数据采集以及对上层应用软件及数据库等提供需要的底层数据，使上层应用软件屏蔽了底层硬件的复杂性和多样性，能在不同硬件环境下更为方便地实现相同功能的软件。3.4功能模块简介在制品实时跟踪与监控系统构建在Internet/Intranet上，使各协作单元在任何时间、地点通过此信息平台，即可访问其所需的信息，同时通过网络安全机制及用户权限的设置，不同用户所能查询和修改的信息也不同。系统既可以作为一个独立的管理系统运行，也可以与MRPII、ERP等上层管理信息系统相关联，为其适时准确地提供生产现场的基础数据。系统为模块化结构，由八个主功能模块构成：系统管理、基础数据、路径定义、跟踪转移、库存管理、质量控制、实时监控和统计分析。各功能模块的关系及详细功能划分如图4所示。主要功能模块说明如下：1、基础数据管理模块基础数据模块是系统运行的基础，为系统其它功能模块提供必要的执行数据。基础数据主要包括零件基本信息、产品BOM结构、节点组织配置、设备数据、工艺路线、人员信息等。对于零件信息和产品BOM，要能够打印相应的物料编号条码，或将信息写入RFID电子标签，为在制品跟踪过程的快速数据采集提供信息的载体。2、路径定义模块为了兼顾敏捷制造过程的使用要求，便于柔性的加工流转业务过程重构，系统提供了在制品转移路径定义工具。通过GUI界面配置在制品在流转过程中所经过的各加工节点（企业、部门、工段等）与在节点之间的正常流动顺序，以建立某类零部件生产过程的在制品转移路径。依据定制的转移路径进行在制品跟踪与管理，可以加强各个加工环节之间的交互作用和协同紧密程度，并有利于供应链环境下系统的复用性和通用性。图4 在制品实时跟踪与管理系统功能结构图3、跟踪转移模块模块主要包含在制品跟踪、在制品转移以及员工完工等功能。在制品跟踪子模块以在制品跟踪单为依据，从生产投料到产出，按工艺路线对每一道工序加工、工序完工、工序自检进行状态跟踪、数据采集并在工序间自动转移；在制品转移子模块包括在制品转出与在制品接收，用以完成各加工节点之间的在制品转移，并实现节点间在制品任务即时消息通知，以提高各个节点的敏捷响应能力。在制品跟踪与在制品转移均需要节点在制品库存模块的支持，动态对库存进行操作、更新。另外，员工完工子模块用以维护员工工作量及计划任务的完成情况，可以根据在制品跟踪的动态进行自动累计。4、库存管理模块在制品库存反映的是任意时刻各库存状态的在制品在某一节点的储备量，它是进行在制品跟踪与管理的基础。库存管理模块主要包括了在制品库存信息维护与库存查询、在制品库存盘点与盈亏查询等功能。盘点是保持在制品库存记录准确性的有效方法，在进行在制品盘点时可以选择按物料盘点或是按节点单元盘点。5、质量控制模块质量控制包括废品通知管理、返工通知管理与返修通知管理。主要由质量部门应用此模块，对各个在制品加工节点之间的物料转交进行质量把关，避免将有质量问题、质量缺陷的产出品转移到下一个节点；同时将跟踪过程中的质量问题通知相关部门，将质量数据反映给决策管理层作统计分析之用，以便在可能的条件下及时做出调整，以减少废品、不合格品的产出率。质量信息也是由生产现场的计算机终端进行采集。6、统计分析模块主要包括节点在制品台帐、总体在制品台帐、节点生产日（月）报以及在制品分布情况年统计。利用节点在制品台帐可以统计本节点在固定时间段内的加工工时、加工数量、交付的合格在制品、产生的废次品等情况；总体在制品台帐可以根据不同的条件组合对在制品相关数据进行综合统计；节点生产进度报告实现对在制品的节点入库、节点出库、库存量及其资金占用情况的统计；在制品分布情况统计针对各节点管理层，统计在制品的整体波动、变化趋势，为做出下一步的生产调整提供参照依据。7、系统管理模块系统管理模块用于对在制品跟踪与管理系统的使用及安全性维护，主要操作对象是系统管理员。由系统管理员按照用户群的类别创建不同级别的系统角色并分配角色的系统操作二级（系统菜单级与页面按钮级）权限；对系统用户的注册、用户的角色分配与用户信息维护。此外，模块还包括对系统服务器的数据库安全备份与还原等功能。8、实时监控模块实时监控模块用于对在制品在整个生产过程中的时间、空间、工序位置、人员、设备等诸多信息进行实时的监督与控制，从而实现对整个生产情况的实时管理。实时监控模块主要利用生产现场底层数据采集系统所采集的实时信息，通过对其进行过滤、分析、整合处理，以模型的方式显示在后台监控系统，从而实现生产现场的可视化。同时，生产管理人员能够根据生产监控系统显示的实时信息，通过发送消息到电子看板，或通知生产调度人员进行调整等方式，对生产进行及时的调整和管理。4.系统支撑技术4.1 精益生产技术精益生产是“消耗较少的人力、空间、资金和时间，制造最少缺陷的产品，以精确的满足客户的需要”。精益生产采用灵活的生产组织形式，根据市场需求的快速变化，准确调整生产，消除闲置库存、多余工序等不增值的各种浪费，实现低成本、高效率、高品质的生产，最大限度地使顾客满意。在生产作业管理方面，精益生产管理模式主要采用“看板管理”进行实时控制。将生产过程中传统的送货制改为取货制，后道工序根据“市场”进行生产，根据本道工序的在制品短缺量从前道工序取相同量的在制品，从而实现全过程的拉式生产。同时将品质管理融入生产过程，变为每一个员工的自主行为。精益化生产的目标是最低的库存量、最准确的库存数目、最集约化的仓储和生产流程、零缺陷的产品，这需要有一种实时信息纽带对各个业务过程进行精确控制，能够对每一个订单、每一产品进行跟踪。条码、RFID技术的应用能把产品生命周期中各阶段的信息有效地联接在一起。利用条码、RFID作为信息传递的纽带，使得精益生产的可视化和反应速度大大提高。4.2 条码识别技术条形码自动识别技术是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新兴技术。其核心内容是利用光电扫描设备识读条码符号，从而实现机器的自动识别，并快速准确的将信息录入到计算机进行数据处理，以达到自动化管理的目的。利用条码技术有效地解决了数据录入和数据采集的瓶颈问题，帮助企业极大地提高生产作业效率和管理水平。条码在在制品跟踪与管理上的应用主要包括以下优势：1、实时、精确地统计和查询生产数据，为生产调度等提供依据；2、快速、准确地跟踪和管理在制品的生产过程，并能在计算机上显示出来，能使我们找到生产中的瓶颈；3、产品的生产工艺在生产线上能及时、有效的反应出来，减少了人工跟踪时繁重的业务处理量和处理时间；4、提供完整的品质跟踪手段，对检验中的不合格产品，能记录下是人为问题还是零件问题，提供实用的分析报告。应用条码进行在制品信息采集的硬件结构如图5所示。每个节点的任意工位计算机终端均配置一个条码阅读器。扫描的各类条码信息和跟踪的数据，将在生产现场局域网内计算机终端上显示；局域网通过各节点服务器与企业Intranet或Internet连接，并最终将跟踪情况向系统服务器提交。图5 应用条码采集的系统物理结构4.3 RFID射频识别技术RFID作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，已成为企业和社会信息化的重要技术之一。图6 读写器工作原理一个典型的RFID系统一般由RFID标签、读写器以及计算机系统等部分组成。其中RFID标签中一般保存有约定格式的编码数据，用以唯一标识标签所附着的物体。作为一种新型的数据采集工具，RFID有着其他技术与设备无法相比的技术特点：（1）标签的体积小、容量大、可重复使用、具有抗污染能力；（2）支持快速扫描、多目标批量识别；（3）穿透性强、覆盖面广，支持非可视识别和对高速移动物体的识别，并可实现目标的定位于跟踪；（4）数据内容可加密保护，安全性强。RFID独特的技术特点使其在物流、制造、公共服务等行业领域已逐步与条码并存或取代条码，成为新一代身份识别和数据采集应用技术。（表1给出RFID技术与条码技术的对比）表1 RFID技术与条码技术的对比射频识别（RFID）条码信息载体EEPROM （电可擦写ROM）纸、塑料薄膜、金属表面信息量大 小 读写性能读/写只读读取方式无线通信 CCD 或激光束扫描 人工识读性不可 受约束 保密性好 无 智能化有 无 环境适应性很好 不好 光遮盖没有影响 全部失效 方向位置影响没有影响 很小 识别速度很快 低 通信速度很快 低 读取距离远 近 使用寿命很长 一次性 国际标准有有 成本较高 低 多标签识别能 不能 RFID技术在制造行业特别是制造业生产现场所体现出的技术优势可总结为以下几方面：（1）质量控制。在制造生产线上，产品的质量是由分布在若干处的一些测试岗位来检测的。在生产结束时，产品验收之前必须要用该工件所有先前收集到的数据明确地表达其质量。利用产品上的射频标签可以很方便地做到这一点，因为在整个生产过程中所取得的质量数据已经随产品走下了生产线。（2）数据安全。通过一定的校验算法来保证射频标签中存储的数据，从而确保读出数据的准确。错误的数据会被发现并被忽略掉。（3）灵活性。RFID实时数据采集的特点能够更加灵活地控制产品的生产。利用布置在生产现场的RFID数据采集终端实时获取生产过程中的人员、工件、模具、工装、物料、设备等的状态信息，可以实现生产管理系统对车间生产情况的实时监控，并且能够根据生产实际情况随时对现场资源和作业流程进行适当的调整，从而大大增加了产品生产和管理的灵活性。（4）对环境条件要求不高。射频识别系统完全不怕灰尘、潮湿、油污、冷却剂、粉屑、有害气体、高温以及在生产环境中产生的类似影响。玻璃或塑料标签通常满足IP67保护类型的要求，即完全防尘和防水。即使在尘土特别多或者特别脏的环境条件下，由于扫描器光学镜头很快就污染的原因从而无法使用的条形码，射频识别系统却可以胜任。运用RFID技术，可以改善传统生产模式，实现制造业对产品全程控制和追溯，也就是将RFID技术贯穿于生产全过程，形成企业的闭环管理。可以达到：l 产品身份终生化：RFID是产品的身份证，产品从原材料的构成到本身的身份信息，始终与电子标签进行绑定，无论产品到了哪儿，出了什么问题，都能够对它的构成和生产情况进行质量跟踪。l 产品计划最优化：由于是对产品全生命周期进行管理，因此在生产、销售的任何环节，都可以实时的知道库存和生产情况，也可以据此合理安排生产计划，达到生产、销售时间的最优。l 生产信息实时化：由于在生产工位、仓库等环节有信息显示终端，因此，生产计划和生产工艺可以下达到工位工序或设备旁，工人可以实时掌握自己的生产加工任务，避免跨工序作业。同时，产品生产质量信息、库存信息可以实时