第一章、 背景分析

　　1.1. 項(xiàng)目背景

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，國內(nèi)制造業(yè)普遍認(rèn)識到通過物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合企業(yè)信息化MES等管理系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID標(biāo)簽等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)制造裝配線生產(chǎn)過程的工序?qū)崟r跟蹤和數(shù)據(jù)采集，從而提高車間制造過程的可視化和可控化水平，增加企業(yè)生產(chǎn)效率。生產(chǎn)過程可視化和可控化是生產(chǎn)計(jì)劃制定和產(chǎn)品按時交貨的重要參考因素。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造管理的數(shù)字化、生產(chǎn)過程可視化和可控化所發(fā)揮出的重要作用，為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　三一重工作為全球工程機(jī)械制造商50強(qiáng)、全球最大的混凝土機(jī)械制造商、中國企業(yè)500強(qiáng)、工程機(jī)械行業(yè)綜合效益和競爭力最強(qiáng)企業(yè)、福布斯“中國頂尖企業(yè)”，中國最具成長力自主品牌、中國最具競爭力品牌、中國工程機(jī)械行業(yè)標(biāo)志性品牌、亞洲品牌500強(qiáng)。引進(jìn)了國外先進(jìn)管理思想和方法，并開發(fā)了SAP、MES等信息管理系統(tǒng)，這些系統(tǒng)目前已在產(chǎn)品制造管理中內(nèi)發(fā)揮出了重要的作用，為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　目前三一重工已建成覆蓋全國8大產(chǎn)業(yè)園，并且正積極采用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)提升三一重工在生產(chǎn)制造等各個環(huán)節(jié)的效能提升，本案即為利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，采集關(guān)鍵工序/工位信息，實(shí)現(xiàn)對車身公司三大工藝(焊裝、涂裝、總裝)生產(chǎn)線的即時報工。

　　1.2. 現(xiàn)狀分析

　　我國傳統(tǒng)制造業(yè)由于普遍存在信息化基礎(chǔ)薄弱、生產(chǎn)效益不高等問題，因此在制造業(yè)尤其是傳統(tǒng)制造業(yè)實(shí)施信息化是當(dāng)前迫切需要解決的任務(wù)。如何對車間級的生產(chǎn)信息進(jìn)行采集與管理，以達(dá)到對生產(chǎn)進(jìn)行“事前預(yù)測計(jì)劃、事中分析控制、事后跟蹤管理” 的效果成為制造業(yè)信息化的方向之一。

　　目前三一重工湖南汽車制造有限責(zé)任公司的生產(chǎn)過程的監(jiān)控還是通過管理人員到車間現(xiàn)場了解情況，然后對數(shù)據(jù)人工輸入進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)形成車間報表，工作量大并且效率低，無法實(shí)時跟蹤在制品加工狀態(tài)，數(shù)據(jù)不能共享。存在以下問題：

　　工藝轉(zhuǎn)換時(上/下工)，三大工藝之間的在制品的工序信息耦合不緊密。

　　對在制品當(dāng)前所在工位、工步等信息的跟蹤無法做到全程、及時和自動化。

　　對各在制品的實(shí)作工時無法實(shí)時、精確掌握，制約計(jì)劃排產(chǎn)的實(shí)效性，同時也無法開展價值工程。

　　由于非實(shí)時跟蹤在制品的生產(chǎn)過程及裝配進(jìn)程，導(dǎo)致作業(yè)調(diào)度、線邊物料配送的時效性差。同時也制約對裝配物料的齊套性查驗(yàn)，進(jìn)而影響倉庫、配套廠家和供應(yīng)鏈的生產(chǎn)配送效率，對JIT生產(chǎn)模式形成制約。

　　可追溯差，缺乏對整車的宗譜的跟蹤與追溯，包括裝配時間、操作工人、工時、裝配零部件等信息，影響質(zhì)量管控及售后服務(wù)效率和質(zhì)量。

　　關(guān)重件等信息采集需要工人手工掃碼，效率相對低下。且條碼在使用過程中易受油污影響，易脫落而無法讀取信息。對特殊幾何特征的關(guān)重件，條碼掃描不方便。

　　關(guān)重件和主機(jī)的裝配容易出現(xiàn)誤裝的情況，無法在裝配前進(jìn)行匹配性驗(yàn)證，缺乏相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制和有效的解決方案。

　　通過MES終端報工，需要解屏保和身份驗(yàn)證，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)一次性為多個產(chǎn)品報工，導(dǎo)致報工任務(wù)積壓，報工不及時。

　　生產(chǎn)過程的非實(shí)時性跟蹤，使計(jì)劃人員無法及時、準(zhǔn)確的掌握生產(chǎn)計(jì)劃的完成情況。

　　1.3. 系統(tǒng)功能目標(biāo)

　　本項(xiàng)目擬采取無線射頻識別(RFID)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)在制品的全過程實(shí)時跟蹤和自動報工。通過該項(xiàng)目的實(shí)施，可以達(dá)到以下目標(biāo)：

　　1、 在制品全過程實(shí)時狀態(tài)跟蹤。準(zhǔn)確了解在制品的位置和狀態(tài)信息。

　　2、 與MES和PLC集成，實(shí)現(xiàn)在制品的三大工藝之間轉(zhuǎn)換時的信息無縫耦合。

　　3、 為裝配線全線三維作業(yè)指導(dǎo)和物流等業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。

　　4、 通過采用讀寫器實(shí)時觸發(fā)報工方法，減少報工時間和提高報工準(zhǔn)確率。

　　5、 通過對裝配線在制品生產(chǎn)過程的跟蹤和實(shí)時監(jiān)控，了解在制品的加工和裝配過程，減少異常處理時間，提高準(zhǔn)時完工率和交貨率。

　　6、 對在制品的宗譜(整車及其部件的歷史加工/來源信息)進(jìn)行跟蹤管理，便于開展質(zhì)量溯源。

　　7、 將采集到的生產(chǎn)過程信息與SAP、MES等業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成，驅(qū)動物料管理、配送管理、生產(chǎn)調(diào)度、計(jì)劃排程、質(zhì)量管控、售后服務(wù)等業(yè)務(wù)模塊高效高質(zhì)運(yùn)行。

　　8、 RFID采集設(shè)備能夠適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜的工況環(huán)境。

　　1.4. 預(yù)期效果

　　系統(tǒng)實(shí)施所達(dá)到的預(yù)期效果包括：

　　通過條RFID等自動識別和數(shù)據(jù)采集手段代替手工處理信息提高管理效率和增強(qiáng)企業(yè)的應(yīng)變能力;

　　信息系統(tǒng)將向底層自動化擴(kuò)展。通過RFID向系統(tǒng)輸入大量底層實(shí)時數(shù)據(jù)，使得信息系統(tǒng)勢必不斷向底層自動化擴(kuò)展，提高裝配過程的靈活性;

　　彌合企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中計(jì)劃與執(zhí)行時間的間隙。應(yīng)用RFID等自動識別和數(shù)據(jù)采集手段的信息系統(tǒng)能及時獲取生產(chǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在制品的全程自動跟蹤，并通過網(wǎng)絡(luò)信息傳遞通道將數(shù)據(jù)和應(yīng)用無縫集成起來，為企業(yè)管理層提供決策支持，彌合了計(jì)劃下達(dá)和生產(chǎn)執(zhí)行之間的間隙，減少計(jì)劃的盲目性;

　　安全庫存和制造批量的觀念發(fā)生變化。RFID在工廠和倉庫中的應(yīng)用將使得上游工序(或企業(yè))的來料、下游工序(或企業(yè))的需求完全透明，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時制(JIT)和批量定制(MC)生產(chǎn)方式。

　　第二章、 系統(tǒng)方案

　　2.1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)方案的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整個系統(tǒng)大體分成管理執(zhí)行層、數(shù)據(jù)通信層和數(shù)據(jù)采集層三部分。

　　1. 生產(chǎn)執(zhí)行層

　　數(shù)據(jù)采集層由設(shè)備終端和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成，包括的物理設(shè)備有RFID手持設(shè)備、耐高溫/耐腐蝕RFID電子標(biāo)簽等。

　　主要涉及用于在制品生產(chǎn)的總裝、電泳等工位現(xiàn)場。生產(chǎn)執(zhí)行層完成底層數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)提交和指導(dǎo)生產(chǎn)。

　　RFID讀寫器：讀寫器是RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，主要完成電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)交互。

　　RFID電子標(biāo)簽：RFID電子標(biāo)簽的選擇要根據(jù)在車身制品的實(shí)際特點(diǎn)決定。在本案中使用為特定的高溫抗金屬標(biāo)簽以保證在本案條件下可以正常工作。

　　整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、系統(tǒng)運(yùn)算等部分組成。

　　現(xiàn)場信息顯示：現(xiàn)場信息可通過MES終端機(jī)、電子看板等設(shè)備顯示，實(shí)現(xiàn)零配件批號生成與管理以及生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)狀態(tài)信息、生產(chǎn)設(shè)備信息、質(zhì)量分析信息的在線實(shí)時查詢、顯示、錄入，實(shí)現(xiàn)車間的無紙化作業(yè)。

　　RFID標(biāo)簽發(fā)卡設(shè)備：發(fā)卡器從控制電腦處接收和執(zhí)行寫入指令。根據(jù)一個生產(chǎn)過程的記錄，然后將標(biāo)簽懸掛在或安裝在制品設(shè)備上。

　　2. 數(shù)據(jù)通信層

　　數(shù)據(jù)通信層是聯(lián)系管理控制層和生產(chǎn)執(zhí)行層的中間部分，實(shí)現(xiàn)管理層與執(zhí)行層之間的數(shù)據(jù)通信與信息交互。主要的物理設(shè)備包括企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Intranet)和通信服務(wù)器。

　　企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)：結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)車間現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)據(jù)通信層通過千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)管理層與執(zhí)行層的連接，并實(shí)現(xiàn)兩者之間基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸和信息通信。

　　3. 管理監(jiān)控層

　　管理監(jiān)控層主要完成從中間件到生產(chǎn)管理及調(diào)度和數(shù)據(jù)存儲的一系列過程，并響應(yīng)由底層傳輸過來的數(shù)據(jù)終端的命令請求，或者中間件發(fā)到底層數(shù)據(jù)終端的指令。管理控制層包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管理服務(wù)器和上層管理計(jì)算機(jī)三部分：

　　中間件技術(shù)：中間件是指介于前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和后端數(shù)據(jù)庫與管理和監(jiān)控系統(tǒng)中間，提供程序管理、資料過濾與匯集、事件管理、安全管理以及網(wǎng)絡(luò)管理等機(jī)制的軟件模塊。

　　中間件提供了一個雙向透明接口，對底層設(shè)備的精確控制和實(shí)時數(shù)據(jù)采集以及對上層應(yīng)用軟件及數(shù)據(jù)庫等提供需要的底層數(shù)據(jù)，使上層應(yīng)用軟件屏蔽了底層硬件的復(fù)雜性和多樣性，能在不同硬件環(huán)境下更為方便地實(shí)現(xiàn)相同功能的軟件。

　　數(shù)據(jù)庫服務(wù)器：主要存放生產(chǎn)執(zhí)行層采集的實(shí)時數(shù)據(jù)，用于對整個生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。

　　管理服務(wù)器：主要存放對企業(yè)生產(chǎn)管理所需的各類信息，用于對生產(chǎn)實(shí)施日常管理和企業(yè)整體的計(jì)劃決策管理;

　　數(shù)據(jù)服務(wù)器和管理服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)接口聯(lián)入局域網(wǎng)絡(luò)。

　　上層管理計(jì)算機(jī)：是生產(chǎn)管理人員用于生產(chǎn)管理的綜合平臺，主要用于對生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)視和生產(chǎn)指令的下達(dá)。

　　系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　2.2. 系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)使用在總裝的18個工位區(qū)域，通過掃描報工實(shí)現(xiàn)對車間生產(chǎn)進(jìn)度的實(shí)時監(jiān)控。

　　業(yè)務(wù)流程描述：

　　1、 系統(tǒng)在制品上線前，在發(fā)卡工作站簽發(fā)RFID標(biāo)簽卡，標(biāo)簽內(nèi)寫入該在制品的訂單號、規(guī)格型號、制造流程等基本信息。在制品標(biāo)簽隨車走。

　　2、 在制品到達(dá)某一工位后，通過固定式閱讀器讀取在制品到位時間，并開始查驗(yàn)配件信息，包括配件數(shù)量與規(guī)格型號。同時，讀寫器往在制品標(biāo)簽內(nèi)寫入當(dāng)前工位的操作信息，包括裝配工人信息、開工時間、報工時間等，并將相關(guān)信息傳遞給MES、SAP等業(yè)務(wù)系統(tǒng);

　　3、 在在制品或部裝件上安裝過程中，如果遇到如配件問題，設(shè)備故障等，通過工位按鈕向指定人員反饋，紅燈亮;直到問題解決為止。

　　4、系統(tǒng)自動報工。當(dāng)前工位所有工作完成時，可選用以下方式報工：

　　(1)、通過工控按鈕一鍵確認(rèn)報工。

　　(2)、按鈕報工。按一下工位確認(rèn)按鈕系統(tǒng)確認(rèn)此工序完成。

　　(3)、MES終端報工。身份驗(yàn)證，解除屏保，報工確認(rèn)。

　　2.3. 方案關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

　　本方案中，涉及的關(guān)鍵技術(shù)/產(chǎn)品和難點(diǎn)包括以下幾個方面：

　　物聯(lián)網(wǎng)集成管理平臺：

　　快速定制，通過接口腳本適配各類行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng);

　　支持主流RFID讀寫器產(chǎn)品，對上層提供Http,Soap,JMS等協(xié)議支撐，提供Web Service接口;

　　提供對RFID讀寫器的監(jiān)控，配置和管理。

　　提供靈活擴(kuò)展的框架，支持ALE規(guī)范的升級和快速集成新的RFID讀寫器;

　　掛載標(biāo)簽精確定位模塊，支持高精度標(biāo)簽定位;

　　提供標(biāo)簽數(shù)據(jù)自動生成模塊;

　　提供企業(yè)級運(yùn)行品質(zhì)，穩(wěn)定，高效，安全，可管理，可擴(kuò)展。

　　分布式讀寫器技術(shù)：

　　支持低成本大規(guī)模遞增式組網(wǎng);

　　超大容量讀寫器單元，超傳統(tǒng)50倍以上;

　　有線無線結(jié)合的靈活組網(wǎng)模型;

　　讀寫器控制單元可獨(dú)立部署在核心機(jī)房便于集中維護(hù);

　　控制單元支持硬件升級;

　　單讀寫器可控制超過2000個射頻節(jié)點(diǎn);

　　可通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分散覆蓋。

　　連續(xù)、精確、實(shí)時射頻定位技術(shù)：

　　追蹤價值目標(biāo)，可確定覆蓋范圍內(nèi)的細(xì)微活動;

　　低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化的有源標(biāo)簽碰撞算法節(jié)電一半;

　　精確定位，世界領(lǐng)先的射頻定位算法;

　　可自動記錄箱體的堆場擺放位置;

　　僅需按特定算法部署少量定位讀寫器;

　　需強(qiáng)有力的算法研究力量支持;

　　RFID標(biāo)簽封裝技術(shù)：

　　在倒裝芯片封裝過程中，伴隨著鍵合界面的演變和I/O互連的實(shí)現(xiàn)，力、熱、流體、振動、超聲等多物理場的復(fù)合作用成為影響封裝可靠性、效率和電氣/機(jī)械聯(lián)結(jié)性能的主要因素。封裝過程中的多物理場作用具有多參數(shù)時-空耦合、強(qiáng)非線性及不確定性等特點(diǎn)，其作用機(jī)理十分復(fù)雜。高性能低成本的RFID封裝工藝依賴于人們對熱、力、流體等多物理場作用下封裝界面形成機(jī)理的揭示，以及微小物體精密操作、基于視覺引導(dǎo)的精確定位、高速高精運(yùn)動控制、多物理參數(shù)在線精密測量及耦合控制、光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)等理論方法和關(guān)鍵技術(shù)的突破。

　　本案中的核心難點(diǎn)之一為耐高溫、耐腐蝕、抗電脈沖的RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)，標(biāo)簽設(shè)計(jì)需要主要需要滿足以下關(guān)鍵指標(biāo)：

　　耐高溫：工作溫度(-200C～800C)，保存溫度(-200C～2400C)，持續(xù)溫度60’。

　　耐腐蝕：酸堿強(qiáng)度為3≤PH≤12

　　抗電場：主要是能夠在在電場中移動或保存時，RFID標(biāo)簽的性能不被電場強(qiáng)度所破壞。

　　工業(yè)級別：能夠在灰塵、潮濕、油污、冷卻劑、粉屑、有害氣體等環(huán)境下工作，滿足IP66保護(hù)類型的要求，即防塵和防水。