基于物联网技术的质量追溯系统

　　一、物联网RFID技术

　　物联网(The Internet of Things，IOT)是指将物体通过传感设备、通信手段实现全面互联的网络，包括物与物之间的互联互通，也包括人与物之间的互联互通。物联网是应用信息通信技术的最新产物，可实现智能化的实时管理和控制，已成为国际新一轮信息技术竞争的关键点和制高点。据美国权威咨询机构FORRESTER预测：到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30:1。因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务，将成为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。我国物联网技术和标准的发展与国际基本同步，《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》在重大专项、优先主题、前沿技术三个层面均列入传感网的内容，正在实施的国家科技重大专项也将无线传感网作为主要方向之一，对若干关键技术领域与重要应用领域给予资助。

　　物联网通过RFID技术、红外传感器、全球定位系统或激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术的关键在于数据采集环节，其中RFID技术是当前物联网的主流应用形式。

　　RFID系统是利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的。RFID系统通常由标签、阅读器和数据管理系统三部分组成(图1)。标签包含天线、芯片、调制器、编码器以及储存器等单元;阅读器由天线、射频收发模块和控制单元等部分组成;控制模块通常包含放大器、解码和纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源电路等。

　　RFID技术具有无线交换数据、数据读写无需接触、标签可小型化和多样化、耐环境性、可重复使用、穿透性、数据的记忆容量大、安全性以及便于数据管理和分析等优点，目前典型应用于交通运输、智能电网、电信运营、现代物流、制造业(实时监控，质量追踪)、产品防伪、环境监控、食品药品监管、馆藏管理等领域。

　　图1 RFID系统组成与工作原理图

　　二、现状与需求

　　随着制造业信息化工程的实施，企业完成了由最初的MIS、CAx提升到MRPII/ERP、PDM/PLM等系统，这些系统基本覆盖了产品设计、工艺设计与经营管理等过程，满足了企业大部分需求。企业也从“甩图板、甩图纸、甩账本”与“数字化样机”等实施应用中受益匪浅。 然而，制造过程自动化与ERP(Enterprise Resource Planning)融合不够，主要是生产过程控制和质量控制的应用深度不够，制造过程的信息采集、处理、分析、展现等方面还需要进一步精细化，具体情况表现为：

　　(1)数据共享与系统集成：各车间的协同作业和各业务部门数据不能共享，无法确保企业内部数据一致、准确，且仍需大量人工重复录入。

　　(2)生产数据采集：车间管理层需要对生产过程信息进行现场采集，及时掌握每个工单对应的操作者、机床设备、加工物料、额定工时、工位数据，以实现对产品生产过程跟踪。

　　(3)生产过程跟踪：需要对关键零部件(如中墙板、罗拉、主轴等)加工过程中的设备运行状态、加工时间、质检情况、安装状况进行实时跟踪。

　　(4)质量分析与追溯：在数据采集基础上进行质量统计分析，实时了解生产过程中的质检信息，通过追溯某批零件使用的毛坯批次、子装配中的零件批次以及每个零件具体批次的生产过程，找出影响加工质量的主要原因。

　　由于企业现有信息系统还覆盖不到生产制造的最前端，无法得到制造过程的全局数据以展现给决策者进行分析，导致企业缺乏供应链内的生产同步;缺乏评估生产绩效和生产跟踪的统计数据;无法及时动态调整资源规划等。这些问题往往会造成生产线上出现诸如制造过量、库存浪费、次品多、等待时间长、加工时效低以及大量的冗余移动作业等现象。为此，企业急需利用物联网技术，来满足生产跟踪和可追溯性等诸多需求，进一步提高离散制造企业的信息化精密度。

　　三、系统总体目标与架构

　　基于物联网技术的质量追溯系统是建立在企业制造执行系统UniMax MES(Manufacturing Execution System)平台上，采用RFID技术实现生产过程数据采集，解决生产过程中的质量控制难题，同时运用精益化管理思想优化加工流程，形成完整的产品跟踪和质量追溯系统。该系统的总体实施目标见表1。

　　表1 系统总体实施目标

　　本系统总体架构包括“生产计划”、“生产执行”和“质量管理”等3个业务模块以及接口管理模块，如图2所示。

　　图2 系统总体架构

　　在系统硬件平台部署中，充分考虑系统架构的可用性、数据安全性与扩展兼容性，采用系统集群技术，通过负载均衡和双机热备(一主一备双机自动切换)方式实现系统高稳健运行。在车间层，采用多种数据采集终端，如手持RF、工控机终端、RFID等控制手段以及LED大屏展示看板，对车间进行综合管控。

　　该系统通过接口管理模块和通讯协议实现与SAP(Systems，Application and Products in Data processing，德国企业管理解决方案软件)/SFC(Shop Flow Control，车间控制系统)系统无缝集成，即通过不同类型接口从上层管理系统读取数据，用作车间生产的参考依据;同时将收集到的生产和设备数据及时反馈到上层管理系统，作为分析与决策参考依据。

　　四、系统主要业务模块功能

　　为了确保生产过程处于受控状态，系统对直接或间接影响过程质量的因素进行重点控制(分析、诊断和监控)，并制定实施控制，确保产品制造过程质量。本文以纺织机械典型控制零件之一中墙板为例(图3)，具体说明该系统业务功能与特点。

　　图3 中墙板质量追溯系统业务流程

　　1.生产计划模块

　　车间层的生产计划来源于外部系统(SAP/SFC)根据销售订单按照排产规则生成的生产计划。生产计划主要是参考SFC系统内下达的《月度生产进度要求》和《月份缺件清单》，结合SAP系统产生的《月度产品均衡装配计划》，来确定车间生产的主计划，进而排出周生产计划，最后确定生产班次、机床设备与操作人员。该系统通过数据接口模块从外部系统导入生产工单，并同步调整更新外部系统的订单以及撤单信息，以便及时调整车间实际业务、实时查询或反馈现场信息。

　　根据企业生产计划的特点，系统通过数据库自动定时获取主生产计划，然后在系统中自动编制排序生产计划;也可通过访问系统Web页面手动导入Excel生产计划或根据系统中已经维护的基础数据，人工编制生产计划。生产计划模块实现功能如下：

　　(1)统筹生产计划，实现生产计划的统一规划、可控和可追溯;

　　(2)实现与外部系统(SAP/SFC)主机生产计划的同步，提供生产计划的导入功能;

　　(3)提供生产计划的实时查询、导出Excel文件功能;

　　(4)提供调整、拆分后生产工单的同步更新功能;

　　(5)通过与外部系统的集成和信息交互，实现计划调整和车间执行情况的快捷查询(图4)。

　　图4 生产计划调整与导出功能

　　2.生产执行模块

　　中墙板需要经过六道工序，根据其材质与加工工艺特点，系统采用抗金属RFID进行跟踪(图5)。按中墙板工艺路线，分别设置8个RFID的数据采集点和1个RFID写入点。在中墙板的工艺起始点，设置RFID写入点，写入内容包括中墙板编号、写入时间等信息。

　　图5 中墙板加工工序与RFID采集点设置

　　在中墙板生产过程中，系统采用无线固定RFID设备自动采录生产加工信息。具体生产跟踪流程(图6)是：车间计调室根据生产计划信息和操作人员信息下达生产指令后，在中墙板上线前进行产品初始化关联;操作员在每块中墙板上安装RFID标签，然后读取RFID信息，关联生产计划和产品编号;在中墙板加工过程中，系统自动扫描RFID标签，记录产品编号、加工时间以及操作员信息;在所有工序完成后，触发ERP报工和生成中墙板加工过程质量档案。

　　图6 中墙板生产跟踪流程

　　生产执行模块具有以下特点：

　　(1)生产过程关联多样化：支持初始工单关联产品的生产;支持按产品类型进行生产，在生产过程中/完毕后进行工单关联。

　　(2)信息录入灵活：支持单工位多工序报工;工作信息批量录入。

　　(3)报工方式灵活：支持RFID自动报工，同时支持手持终端报工。

　　(4)信息查询便捷：支持按人员、机台、产品、时段、工序等进行实时信息查询(图7)。

　　图7 按中墙板加工工序查询信息

　　3.质量管理模块

　　质量管理主要记录、跟踪和分析产品及过程质量数据，用以控制产品质量，确定生产中需要注意的问题。质量管理模块功能分两部分完成，一部分是数据采集客户端，主要进行质量数据的录入(检验员在检测零件时，通过布置在车间的数据采集终端或手持终端上报质检结果);另一部分是系统Web页面，主要进行质量数据的基础信息维护，补录未在客户端及时录入质量数据以及质量信息查询等。

　　质量管理模块提供对质量基础数据的维护，使质量数据格式标准化，便于进行质量数据录入和查询，具体功能如下：

　　(1)数据录入：支持各道工序产品检验结果信息的录入，包括工序加工量、机台型号、合格数量、报废数量、操作者及检验者等。系统将信息自动计入相关操作者的质量档案中，便于对生产质量进行总结评估。

　　(2)信息查询：通过用户界面输入姓名、工号、批次号、时段、型号、检验项目及处理方式等条件或组合条件，查询加工量、合格量、报废量、返修量等数据，方便管理者分析决策。

　　(3)质量追溯：通过扫描加工后的中墙板RFID标签，现场显示器可显示该中墙板型号、已加工工序、每道工序的操作者、合格或报废信息。

　　(4)报表统计：支持指定时段内(月、周、日)常规质量报表的定制与输出，包括每个操作员及各型号中墙板各工序的加工数量、合格数量、报废数量，以及车间日生产完成情况、月度废品考核报表、班组或操作员生产合格率统计等报表，为生产绩效管理提供基础数据。

　　(5)提供决策依据：管理者可实时跟踪生产线主要指标，监控产品生产及质量情况，及时发现异常问题，方便生产调度。信息统计分析提供最新的实际制造过程结果报告，便于对当前生产绩效进行评价与指导。

　　五、结语

　　该质量追溯系统基于网络数据库统一集中安全管理，通过规范并完善企业制造规范、制造工艺、制造资源、制造过程等基础数据，利用RFID技术跟踪产品生产过程中的加工、人员信息和产品安装情况以及质量追溯信息，彻底解决了企业运营管理与实际生产执行过程中的协同问题，实现了生产计划和生产制造系统之间的数据一体化集成管理，提高了企业生产经营管理与控制决策能力，在纺机制造行业尚属首次应用。提升产品质量，提高设备效率，降低维护成本以及通过质量追溯完善售后服务，物联网为我国现代制造业带来创新模式和服务手段，将全面带动制造业技术创新，提升制造业信息化的管理水平，加速我国制造业从“中国制造”向“中国创造”转变。