基于 RFID 的車間制造信息管理系統研究與開發

發布時間：2023-01-03 13:26

第一章緒論 1

1.1引言 1

1.2論文研究背景 2

1.2.1我國制造業發展現狀及趨勢分析 2

1.2.2離散制造業特點 3

1.2.3我國離散制造業的信息化研究現狀 4

1.2.4國內外RFID技術研究現狀 5

1.2. 5離散制造過程管理問題分析 8

1.3論文研究目的及意義 9

1.4論文研究內容及論文結構 9

1.5本章小結 10

第二章射頻識別RFID

2.1自動識別技術 11

2.1.1概述 11

2.1. 2自動識別技術分類與比較 11

2.2RFID系統的組成與應用 13

2.2.1RFID系統組成 13

2.2.2RFID系統應用介紹 15

2.3RFID系統的工作原理 16

2.4RFID在制造業應用模式 16

2.5RFID應用于制造生產的技術優勢 17

2.6本章小結 18

第三章系統需求分析 19

3.1生產管理特征及其信息管理系統特點 19

3.1. 1生產管理特征及發展趨勢 19

3.1.2制造業信息管理系統特點研究 19

3. 2離散制造車間生產過程控制系統分析 21

3.3信息管理系統的可行性與必要性 23

3.3.1系統建設的必要性和可行性 23

3.3.2RFID在系統中的應用分析 24

3.4本章小結 25

第四章系統設計 26

4.1系統整體框架和功能模型設計 26

4.1.1系統整體框架 26

4.1.2系統功能模型設計 27

4.2制造過程數據采集和處理方法 29

4.2.1RFID數據采集系統的設計 30

4.2.2制造過程數據處理方法 31

4.3系統開發軟件介紹及數據庫設計 32

4.3.1編程軟件工具介紹 32

4.3.2數據庫設計 32

4.4系統詳細設計 37

4.4.1基礎數據管理模塊 37

4.4.2信息采集模塊 37

4.4.3在制品管理模塊 40

4.4.4訂單跟蹤模塊 43

4.4.5倉庫管理模塊 44

4.4.6綜合查詢模塊 44

4.4.7統計分析模塊 45

4.5本章小結 45

第五章系統實現 46

5.1引言 46

5.2系統運行實例 46

5.2.1用戶登錄 46

5.2.2基礎數據管理 47

5.2.3信息采集 49

5.2.4訂單跟蹤 51

5.2.5庫房管理 52

5.2. 6綜合查詢 53

5.2.7統計分析 53

5.3系統運行平臺 54

5.3.1實驗平臺簡介 54

5.3.2系統運行環境 56

5.3.3信息采集流程 60

5.4本章小結 61

第六章總結與展望錯誤！未定義書簽。

6.1全文總結 62

6.2研究展望 62

參考文獻 64

致謝 67

在學期間的研究成果及發表的學術論文 68

圖清單

圖1.1 論文研究流程圖 10

圖2.1 RFID系統結構圖 14

圖2.2 RFID閱讀器 14

圖 2.3 RFID 標簽 15

圖2.4應用RFID技術的生產線 17

圖3.1生產管理中的MES 21

圖3.2 生產過程控制系統組成結構圖 22

圖3.3 系統功能模塊圖 23

圖4.1 系統總體架構圖 26

圖4.2 MESA提出的MES功能模型 27

圖4.3 ISA SP95功能模型 28

圖4.4基于RFID車間制造過程 29

圖4.5 數據采集和處理流程 30

圖4.6 RFID系統應用架構圖 31

圖4.7部分實體E-R圖 33

圖4.8總體E-R圖 33

圖4.9 數據表間關系圖 36

圖4.10 標簽閉環利用 38

圖4.11 標簽編碼規則 39

圖4.12 生產數據采集流程 40

圖4.13 在制品轉移圖 41

圖4.14 在制品狀態監控流程圖 42

圖5.1 用戶登錄界面 46

圖5.2 信息管理系統主界面 47

圖5.3 基礎數據管理界面 48

圖5.4 工藝模塊管理界面 49

圖5.5 數據采集界面 50

圖5.6 質量檢驗數據采集界面 51

圖5.7 定單跟蹤界面 52

圖5.8 倉庫管理界面 52

圖5.9 生產進度查詢界面 53

圖5.10 統計分析界面 54

圖5.11 仿真實驗平臺 55

圖5.12 ZLG系列讀卡器 55

圖5.13貼有RFID標簽的物料 55

圖5. 14制造單元控制板實物圖 56

圖5.15 PIC18F458主控制單元 57

圖5.16 系統通信結構圖 58

圖5.17 串口通信模塊 59

圖 5.18 RFID接口端口 59

圖5.19 串行接口 59

圖5.20 CAN總線控制單元 60

圖5.21 讀卡應答流程 60

表清單

表 2.1 自動識別技術 12

表 2.2 幾種識別技術對比 13

表4.1 訂單信息表 34

表4.2 零件信息表 34

表4.3 工藝路線表 35

表4.4 生產加工記錄表 35

表4.5 倉庫管理模塊功能列表 44

表4.6 綜合查詢模塊功能列表 44

表4.7 統計分析模塊功能列表 45

表5.1 S50系列射頻卡主要參數 57

縮略詞

縮略詞英文全稱中文全稱

MRP Material Requirements Planning 物料需求計劃

MRP II Manufacture Resource Planning 制造資源計劃

ERP Enterprise Resource Planning 企業資源計劃

JIT Just In Time 準時制造生產

OPT Optimized Production Technique 最優生產技術

CIMS Computer Integrated Manufacture System 計算機集成制造系統

AM Agile Manufacturing 敏捷制造

MES Manufacturing Execution Systems 制造執行系統

BOM Bill of Material 物料清單表

RFID Radio Frequency Identi行cation 無線射頻識別

API Application Programming Interface 應用程序接口

CRM Customer Relationship Management 客戶關系管理

OPM Order Point Method 訂貨點法

MIS Management Information System 信息管理系統

CAN Controller Area Network 控制器局域網

AGV Automated Guided Vehicle 自動引導運輸車

ARM Advanced RISC Machine 高級精簡指令集處理

SPI Serial Peripheral Interface 串行外設接口

MCU Micro Controller Unit 微控制單元

第一章緒論

制造業是國民經濟和社會發展的物質基礎，是國家綜合實力的重要體現。隨著科學技術的進一步發展，特別是以數字技術和計算機技術為代表的信息科技的普及和飛速發展，當今世界已邁入信息化的時代。那么，將制造業與信息化相結合，利用信息化技術帶動傳統制造業，已是我國制造業發展的必然方向［1］。胡錦濤總書記在黨的十七次全國代表大會上的報告中明確提出：發展現代產業體系，大力推進信息化與工業化融合，促進工業由大變強，振興裝備制造業。現如今，人們對產品的外觀、質量、功能等的要求不斷提高，需求的產品構造越來越復雜。反映在生產制造上，就是需要記錄的生產數據越來越多，因此生產企業要求處理的信息數量也越來越大，速度也越來越快［2］。為了讓生產管理者能夠及時掌握準確可靠的信息，和在執行之后能夠給予真實的反饋，必須建立一個功能齊全和高效的生產管理信息系統。采用以高性能傳感器為基礎，以計算機為主的技術設備，通過各種總線通信網絡，與各種信息終端相連接，利用完善的通信網，溝通各方面的聯系，保證迅速、準確且及時地收集生產情況和下達指令。如何在生產過程中實現信息高效的識別和獲取；如何有效地利用這些信息；如何將上層的指令信息迅速且準確地下達給底層設備；如何為公司的管理者和客戶提供實時的車間制造生產信息。本章將就這些問題展開論述，提出本論文的選題意義及主要研究方向。

1.1引言

隨著世界經濟一體化的進程，新一輪世界產業結構調整的推進和信息技術的飛速發展，企業面臨的市場競爭環境發生了本質性的變化，如顧客需求功能的多樣化，技術革新不斷加速，產品生命周期不斷縮短，市場競爭日益激烈等。中國的制造企業想要在現代市場競爭中立于不敗之地，必須要通過改進生產管理模式，提升自身的競爭力，快速響應客戶需求，必須要實現產品的“保質、保量、及時、有競爭力的價格、供貨到位”［3］。而企業要增強產品質量提升和快速響應市場的能力，勢必要加強其信息化程度。企業要充分利用信息化技術，將產品需求信息、客戶信息、生產信息有機地結合起來，才能夠實現對市場的實時反饋，生產出有競爭力的產品。

企業是國民經濟的基礎，是實施信息化帶動工業化的主體。企業信息化即應用先進的企業管理理念，利用通行的計算機網絡技術去管理企業現有的設計、制造、生產、管理和經營，時刻為企業的“三層決策”系統（戰術層、戰略層、決策層）提供準確而有效的數據信息，以便企業對市場需求做出迅速的反應，其本質其實是加強企業的“核心競爭力”［4］。在企業生產中，產品制造過程是將原材料或半成品轉變為成品的全部過程。它包括產品決策、分析、設計、毛坯制造(在鍛壓車間或鑄造車間進行)、零件的機械加工、零件的熱處理、機械裝配、產品調試、檢驗和試車、油漆包裝等一系列相關聯的勞動過程的總和［5］。企業的產品制造過程是整個企業參與市場競爭的基礎，是決定企業競爭力的關鍵。因此，車間制造過程管理的信息化在企業信息化過程中具有舉足輕重的作用和地位，是實現企業信息化的重要一步。

1.2論文研究背景

制造業信息化就是用計算機信息化技術裝備制造企業。制造業信息化的內涵是將信息技術、自動化技術、現代管理技術與制造技術相結合，帶動產品設計方法和理論的革新、企業管理模式的革新和企業間合作關系的革新，實現產品制造信息化、生產制造過程智能化、制造裝備數控化，全面提升企業的核心競爭力［6］。

隨著制造業信息化程度地加深，生產管理發生了重大變革，生產管理理論也不斷革新，具有代表性的如物料需求計劃(Material Requirements Planning, MRP)、制造資源計劃(Manufacture Resource Planning, MRPII)、企業資源計劃(Enterprise Resource Planning, ERP)、準時制造生產方式(Just In Time, JIT)、最優生產技術(Optimized Production Technique, OPT)、計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacture System, CIMS)、敏捷制造(Agile Manufacturing, AM) 等相繼出現。MRP、ERP等更多地從企業的計劃性上管理，缺乏對車間生產的管理和控制。為了改善生產計劃的生產車間適應性和底層信息流動性,提升生產作業計劃的實時性,學者們提出了制造執行系統(Manufacturing Execution Systems, MES)的概念。目前，制造業信息化發生了很大變化,發展態勢是：集成和協同是制造業信息化發展的主旋律；綠色制造成為制造業信息化發展的重要特征；智能制造加速了制造業信息化的發展；網絡化制造加快改變了企業的運作方式［7-9］。

在實現制造業信息化過程中,首要解決的是如何采集生產現場大量數據的問題,只有將生產過程中的大量現場數據完整、及時的傳送到數據中心,才能實現對車間設備,制造過程,生產計劃等的實時監控和管理。由此可見，準確、實時的數據采集及其管理系統在MES中起著極其重要的作用,是企業信息化的重要基礎。

1.2.1我國制造業發展現狀及趨勢分析

目前中國制造業正迅速崛起,類似于二次工業革命時的美國和20世紀60年代的日本,中國正逐步成為世界制造中心。當前,隨著以互聯網為代表的計算機和網絡技術的深入運用,制造技術也從以機器為特征的傳統制造,向與信息化技術結合的新制造模式邁進。制造業信息化已是大勢所趨,被廣泛認同為是提高制造企業競爭力的必要方式。

隨著我國信息化的進程,特別是在市場經濟影響下,企業管理機制、組織結構及市場行為的巨大轉變引發了對先進管理模式、管理思想以及管理手段的需求。制造業需要通過信息化技術提升自身的管理水平和市場競爭力。從國際經濟發展形勢看，實施信息化可使制造業應對經濟全球化的巨大挑戰，提高我國制造業的國際競爭力；從國內經濟發展形勢看，實施信息化是以信息化帶動工業化，促進傳統產業結構調整和優化升級的必然選擇［10］。我國制造業信息化建設還處于初級階段，有很多中小企業尚不具備利用現代信息技術處理信息的能力，雖然不少企業己經使用了 ERP系統，但是實際應用情況并不樂觀，在已擁有信息系統的企業中，其信息系統的業務功能、系統功能還不夠完善，信息資源的整合能力還相對薄弱。信息系統軟件開發不夠成熟、功能僵化、運行不穩定也極大地影響了企業信息化的建設。

1.2.2離散制造業特點

隨著科技水平的飛速發展，當今社會的產品需求已經進入一個多樣化的時代。客戶需求日益多樣化和個性化，已促使企業越來越多地選擇多品種小批量的生產方式。

多品種小批量生產最大的優點就是能夠靈活地適應市場變化、較好地滿足用戶多樣化個性化的需求，增強企業的市場競爭力。但另一方面由于品種規格較多、工藝離散程度較高，這種模式下的生產管理與組織難度極大。伴隨著市場競爭的日益激烈和客戶需求周期的日趨縮短，有必要對多品種小批量的離散制造方式下的生產管理進行專門的研究［11-12］。

相比于流程制造工業，離散制造業的生產過程管理要更加復雜。離散制造業主要具有如下特點：

(l)產品結構復雜離散型制造企業的產品結構復雜，零部件較多，其產品一般是由固定個數的零件或部件構成，這些零部件之間關系明確并且固定。

(2)工藝流程復雜

20 世紀 80 年代中期，隨著客戶對產品需求多樣化的轉變，制造企業的生產模式也開始由少品種大批量的剛性生產向多品種小批量的柔性生產轉變。因此，制造生產設備的布置也由按產品布置轉變為按工藝布置。例如，按車、銑、刨、磨、鉆等工藝過程，或者按照典型工藝流程來安排機床的位置。每個產品的工藝流程可能都不一樣，而且可以進行同一種加工工藝的機床有多臺，因此，車間生產對工藝水平要求較高，需要進行物料的合理調度以及半成品的搬運。

(3)自動化程度低正是由于離散制造生產的工藝流程復雜，產品的質量和生產率基本上依賴于工人的技術水平，自動化也主要集中在單元機上，例如數控機床、柔性制造系統等。因此，離散制造業的自動化水平還相對較低。

(4)生產調度復雜由于典型的離散制造業企業主要從事單件小批量生產，產品的工藝流程經常變更，并且，對于某件具體的產品，常常存在幾種實現路徑可以選擇，因此額外地增加了生產調度和協調的復雜性［13］。

由以上分析可知：離散制造業中,多品種小批量生產由于品種規格較多、工藝流程復雜, 生產管理和組織的難度極大,這就迫切需要一個能滿足實際生產需求的信息管理系統。

1.2.3我國離散制造業的信息化研究現狀

最近十多年來,國家相關部門積極部署了一系列國家重點科技項目,極大地促進了我國制造業信息化技術的發展與應用。然而由于我國工業化起步較晚,制造業總體水平與發達國家相比仍存在很大差距。隨著制造業競爭環境和發展空間的擴大,用信息化技術提升制造業的競爭力水準已經成為我國制造業發展和參與國際競爭的必然選擇。

由于市場競爭更加激烈,客戶需求多樣化和個性化發展,離散制造生產方式越來越趨向于面向客戶訂單的準時化生產方式,這些變化都使得離散制造具有小批量、多品種、生產流程復雜且不易確定、實時性要求高等特點。如何在依據客戶個性化的需求,實時準確地掌握庫存狀況、生產設備的使用狀態等情況的基礎上,來實現生產制造的準時化、準確化和管理的精細化, 己成為離散制造業的研究和發展方向［14-16］。目前,離散制造業信息化的理論研究和應用成果主要集中在車間自動化和企業管理信息系統兩個方面。

在車間自動化方面,主要實現了離散制造企業中基于控制器的生產制造設備控制系統和基于網絡的車間整體控制系統。

在企業管理信息系統方面，研究熱點是企業資源計劃ERP系統，它是由MRP/MRPH發展而來,主要功能是在統計分析庫存、生產設備、原材料和人員等生產資源信息的基礎上,按照訂單制定生產計劃。決定ERP系統性能的重要指標之一是資源信息統計的準確性［17］。

目前車間控制系統主要集中在生產設備的控制上,而無法對庫存、原材料、在制品、工作人員等現場生產相關資源進行精確跟蹤和控制。另外由于離散企業生產過程的復雜性，很多ERP 系統也無法對生產過程進行實時的信息采集和信息管理，因此，上層ERP系統與底層車間控制系統之間存在一定的信息斷層。

MES 作為車間控制系統與生產計劃系統之間的橋梁，能夠實現車間和企業等各類信息在

MES 層中的融合與處理，并通過信息集成手段來形成優化控制、優化調度和優化決策等的判斷或指令。MES—方面能夠將企業計劃層的生產計劃信息和工藝流程等生產指導信息下達到制造現場各工位；另一方面又能實時地采集和處理生產數據并提交至計劃層。然而，我國離散制造業 MES 方面的研究和應用還相對較少，其主要原因是離散制造企業車間管理繁雜，管理水平比較低，制造現場的數據采集和處理手段較為落后，還無法實現對生產過程和生產資源進行實時準確地識別和跟蹤，不能滿足MES在質量監控、車間作業調度和生產過程控制等方面的要求［17-19］。

我國離散制造企業信息化建設水平目前只處于一般事務處理和簡單生產信息管理階段，主要存在以下問題:

(1)缺乏有效的信息系統集成。當前，我國離散制造業沒有將多個信息管理系統進行有效集成，各個信息系統都獨立工作，沒有實現信息共享。離散制造車間內出現了工藝管理、數據采集、生產調度、過程監控等一些相互獨立的系統，這些系統之間缺乏數據共享，從而出現功能重疊、數據矛盾等一系列問題。由此造成了車間制造信息在水平方向阻斷，所帶來的后果是嚴重地制約著車間內各系統間的協調，阻礙了各系統的發展，降低了離散制造業信息化的整體作用。

(2)制造過程信息斷層。制造過程管理主要包括生產統計、生產作業計劃調度，人員調配、在制品管理，質量控制，在制品加工進度的跟蹤與控制等內容。由于企業的業務管理系統無法得到實時準確的生產現場信息，無法把握生產車間的真實情況，制定計劃的準確性和可行性難以得到保證。所以，實時跟蹤和訂單生產監控，實現信息的實時傳遞已經成為每個企業關注的重點。

(3)缺乏實時有效的數據采集手段。正是由于我國離散制造業自動化程度較低，數據采集手段落后，導致了信息采集缺乏實時性和準確性，從而無法給企業計劃層提供實時準確的數據，影響了企業生產計劃的制定。因此，利用先進的數據采集手段對生產過程中的現場數據進行采集和處理，是實現實時跟蹤和訂單監控的關鍵。

124國內外RFID技術研究現狀

離散制造業中，企業管理水平大多較為落后，很多生產現場數據仍然是手工采集，這種數據采集方式效率比較低下，準確性也不高，并且存在一定的滯后性，而無法實現實時跟蹤。目前，在生產過程數據采集方面的研究主要是集中在條形碼技術和無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術。

RFID技術是一種近些年才興起的數據采集技術，同時也是目前最受重視的自動識別和數據采集技術。射頻是上世紀90年代興起的一種自動識別技術，它的基本原理是利用射頻傳感信號和空間藕合傳輸特性，實現對標識物體的自動識和跟蹤。射頻技術具有精度高、適應環境能力強、抗干擾性強及可重復利用等諸多優點，目前己被廣泛應用于商業自動化、工業自動化和運輸控制管理等眾多領域［20-23］。

(1)國外RFID技術研究現狀

國外在 RFID 技術方面的研究較早也比較成熟。美國、德國、英國、瑞典、日本、瑞士、南非等發達國家目前均有比較成熟且先進的RFID系統。在這些應用系統中，低頻近距離RFID 系統主要是 125kHz 和 13.56MHz 系統；高頻遠距離 RFID 系統主要是 UHF 頻段(即 902MHz- 928MHz)915MHz、2.45GHz和5.8GHz。其中UHF頻段的RFID應用系統在北美已經得到了很好的發展；而歐洲的射頻應用則以有源的2.45GHz系統為主。5.8GHz射頻系統在日本和歐洲都有較成熟的有源RFID系統。預計在未來的五到十年中，RFID的應用領域會從工商業、零售業、移動跟蹤、安全管理延伸到供應鏈管理、醫藥醫療、國防等領域。

從國際范圍來看，美國是全球最大的射頻技術應用國。美國已經在 RFID 標準的設定、相關技術的開發及RFID應用領域走在了世界的前列。目前，美國的交通、身份識別、車輛管理、倉儲管理及生產線自動化控制等領域已經開始使用RFID技術。物流方面，包括沃爾瑪、寶潔、強生等在內的100多家企業承諾應用RFID。美國政府積極推動RFID技術的應用。美國食品及藥物管理局(FDA)建議全國的制藥商從2006年起利用RFID來跟蹤易造假的藥品；美國社會福利局(SSA)在2005年年初開始使用RFID技術追蹤SSA的各類文件手冊［24］。在RFID產業方面, 目前Intel、TI等美國的集成電路廠商都在積極投入RFID領域相關芯片的開發。

歐洲的RFID應用標準緊隨美國主導的EPCglobal標準。在系統應用方面，歐洲和美國基本處于同一階段。在 RFID 產業方面，歐洲的例如 Philips、STMicroelectronics 等廠商在積極開發廉價的 RFID 芯片。在實際應用方面，歐洲在交通、身份識別、倉儲管理及生產線自動化控制等領域與美國基本處在同一階段。而且目前，歐洲眾多大型企業紛紛在進行RFID的應用實驗。

在瑞士，國家鐵路局全國所有旅客列車上安裝了 RFID自動識別系統，這樣調度員可以實時掌握整個火車的運行情況，既利于管理，又極大地減小了事故發生的可能性；德國的BMW 公司將RFID自動識別系統應用于汽車整車生產線的生產過程控制中。英國在應用RFID項目數量上位居世界第二。英國航空公司正在進行RFID的實驗計劃，使用某些智能型的RFID在掃瞄射頻卡的同時改變該卡的記錄內容，而無需重新換貼另一個新標簽，旅客報到也不再需要用掃瞄條碼器，這樣可達到簡化流程的好處。

日本雖然已經提出RFID方面的UID標準，但主要是本國廠商的支持，想成為國際標準還要走很長的路。日本是一個制造強國，研究電子標簽時間也較早，政府也大力發展RFID技術。日本的新東京國際機場從2001年10月起，開始進行行李箱加附RFID的試驗；2004年7月，日本的經濟產業省METI將RFID應用于七大產業：消費電子、音樂、書籍、服裝、制藥、建筑機械和物流。從日本最近研究RFID相關產業的動態來看，同行業相結合的基于RFID的產品及其解決方案正集中出現，這RFID在日本各行業應用的推廣奠定了堅實的基礎。

韓國政府也高度重視RFID產業的發展，但到目前為止，韓國在RFID標準的建立上仍模糊不清。韓國主要是通過國家的長期發展計劃，再同企業合作來推動RFID的發展，主要是由產業部和通信部來推動RFID的發展。韓國在2004年3月提出IT839計劃以來，RFID重要性又進一步加強。雖然目前RFID在韓國沒有得到太多的應用，但值得關注的是在韓國政府高度重視下，眾多關于RFID的應用實驗已經展開。與日本類似，韓國也出現了將RFID進行開放系統測試。在2005年3月，韓國政府耗資7.84億美元建立RFID研發中心，主要進行電子標簽技術包括射頻卡研發以及生產，用于幫助韓國企業確立在世界RFID市場上的地位。

澳大利亞將RFID產品應用于機場旅客行李箱的管理，發揮了出色作用，并在各領域中使用，如在圖書館標識圖書，在醫院標識患者及儲藥等。澳大利亞還有別于其他國家的一點是：法律要求必須對家養牲畜、賽馬等進行標識。他們在食品相關行業也進行了應用，例如標識魚類產品、番茄等［25-30］。

（2）國內RFID技術研究現狀

中國是最近幾年才引入的RFID技術。政府在1993年制定了一個金卡工程實施計劃，是旨在推動我國國民經濟信息化進程的國家級工程，此后各種自動識別技術試驗與應用發展十分迅猛。進入21世紀，RFID產業受到了政府部門和相關研究機構的高度重視，各類支持政策逐步出臺，支持力度也逐步加大；同時政府也大力推動RFID在各行業的應用。2004年RFID在中國已經有了實際的應用。

關于射頻卡技術研究和產品開發方面，我國已經能夠自主研發低頻、高頻及微波RFID電子標簽和讀寫器的技術能力以及系統集成能力。我國與國外先進RFID產品研發方面的差距是芯片開發。盡管在標簽芯片設計及開發方面不夠成熟，但國內還是有多個成功的低頻RFID標簽芯片面市。目前國內在RFID方面的應用主要集中在低頻階段，特別是13.56MHz的RFID標簽及其應用系統，在國內已得到了廣泛應用［31-33］。

在身份識別方面，RFID電子標簽可以嵌入到身份證、工作證、護照等各類證件中，用于人員的身份識別，也是目前RFID技術應用最成熟的領域之一。在國內這方面的主要應用有：第二代居民身份證，這可以說是國內最大的應用RFID的項目之一；共青團中央青年卡；在校學生購票優惠卡等。

在公共交通管理方面，是國內應用RFID技術最早，也最成功的領域之一。目前為止，國內應用主要涉及有電子車票和不停車收費等。在不停車收費系統中，特別是在高速公路自動收費的應用上，RFID技術可以解決原來管理混亂、收費繁瑣以及停車排隊引起的交通擁堵等諸多問題。這方面的應用要求電子標簽能夠遠距離、快速識別，所以多使用工作在UHF或微波頻段的標簽。典型應用有：國內許多大城市（如北京、上海），使用RFID電子標簽作為地鐵、公交的電子車票；深圳在車流量極大的皇崗海關和文錦渡海關，使用了 UHF頻段的射頻系統來提高其工作效率。另外，許多城市都正在建設應用RFID技術進行高速公路上的不停車收費管理系統。

在物流管理方面，這是RFID技術應用的另一個重要領域。RFID系統可以對物流整個過程進行監控和管理，確保物品在運輸過程中不被誤送，減少物流成本，提高運輸效率。另外，由于 RFID 技術具有防偽特性，可以對特殊物品（如危險品）物流管理進行嚴格控制。典型應用有：郵局郵包分揀；煙花爆竹管理；液化氣鋼瓶管理等。

在國內，不同頻段的射頻系統發展很不均衡：13.56MHz電子標簽發展較為成熟，應用廣泛，也正在向更多的領域發展；UHF頻段電子標簽的應用還處于剛起步階段，這與國內目前的市場需求有關［34］。在身份識別、防偽和電子票據等領域，需求特點是工作距離近、有一定安全加密要求、成本要求不太高，這些都是13.56MHz電子標簽應用的領域，也是其發展較快的原因。在商業供應鏈管理、不停車收費、倉儲管理等領域，需求特點是工作距離遠、快速識別、成本要求較高，這些領域都將是UHF、微波頻段電子標簽的應用領域，但由于技術、成本等各方面原因，這方面射頻技術的發展還較慢。

1.2.5離散制造過程管理問題分析

對于離散制造業的制造執行系統及其數據采集問題，國內外很多學者和研究機構進行了相應的研究，但是我國離散型制造業MES系統的應用尚處在初級階段。離散制造業自身的行業特性以及離散制造企業內部管理和信息技術落后決定了底層數據的采集具有一定的難度。由于車間制造設備的種類繁多，先進設備和老式機床并存，機床之間的通訊接口并不一樣，造成了大多數設備與信息化系統集成較為困難，一般的生產現場數據采集手段很難滿足MES的應用需求。另外，由于大部分離散制造企業是面向訂單生產，生產過程中時有出現臨時插單、材料短缺等問題，因此生產作業計劃的變更非常頻繁，而且重點設備制造周期將決定了產品的生產周期［35-37］。

我國離散制造業生產制造過程管理面臨的主要問題有:

(1)針對離散制造業特點，尚無完整、系統的制造過程管理系統解決方案以及成熟的軟硬件產品。

(2)生產過程數據采集實時性差。作為面向車間生產過程的實時信息系統，實時性是系統功能的基本體現。然而目前在國內，大多數離散車間的生產過程現場數據主要依靠人工收集和管理，通常是通過紙張來記錄生產信息，等到將所有信息收集完成后，再把數據送至車間管理層，錄入計算機，導致生產數據具有明顯的滯后性，而且難以保證準確性，效率低下，反應不了當前的生產狀況。

(3)集成性還有待解決。由于工廠數據模型的不統一，MES與企業其它生產相關的信息系統之間缺乏必要的集成，由此導致作為企業計劃層和底層控制層橋接作用的MES將無法充分發揮其功能。

因此，離散型制造業車間制造過程信息管理系統的開發和應用重點有以下三個方面：

(1)制造過程管理功能:包括數據采集和處理、作業計劃與動態調度、制造過程跟蹤、物料管理、質量管理等方面。

(2)與條碼、RFID等信息采集設備集成。

(3)與其他信息管理系統集成。

1.3論文研究目的及意義

通過以上分析，我國離散制造企業面臨激烈的國內外市場競爭，將制造技術、信息技術及現代管理技術有機融合是提升競爭力的最佳選擇。當前，以ERP為代表的計劃層信息管理系統和以過程控制系統PCS為代表的自動化控制系統，已為制造業大規模應用，但忽略了兩者之間的有效配合，這使得兩種系統無法進行信息交互，因此，面向車間的制造過程管理系統是解決這一問題的有效選擇。

針對國內離散制造業生產現場信息采集實時性、可靠性差，以及與計劃層溝通困難的問題，本論文研究了一種基于RFID的車間制造過程信息管理系統。論文在研究了面向離散制造業生產執行系統的基礎上，分析生產車間過程控制系統整體框架和功能模塊，建立了一整套適合離散型制造業車間生產過程控制的信息管理系統。

多品種小批量生產最大的優點是能夠靈活地適應市場變化、較好滿足用戶多樣化需求，增強企業的市場競爭力。但由于品種規格較多、工藝離散程度高，該模式下的生產組織與管理難度極大。伴隨著客戶需求周期的日益縮短，十分有必要對多品種小批量生產方式制造管理進行專門研究。迫切需要一個能夠滿足實際要求的生產信息管理系統。

當前，條碼技術是離散制造業中應用最為廣泛的自動識別技術之一，在改善庫存管理、改進售后服務、滿足客戶要求和節約勞動力方面起著重要作用。但在制造過程中的自動對象識別、數據自動采集和環境要求等方面，條碼技術就存在明顯不足。RFID技術憑借其具備非接觸式讀寫、自動對象識別等功能，能夠彌補條碼應用的不足。并且，目前有大量的RFID產品能夠適應離散制造業生產環境，為RFID技術應用于離散制造業奠定了基礎。因此，研究基于RFID 的離散制造業制造過程應用模式具有重要的實用和學術意義。

1.4論文研究內容及論文結構

針對離散制造行業特點，研究信息采集的研究與應用現狀，發揮RFID技術在數據采集、和數據存儲方面的優勢，研究RFID在離散制造業生產過程應用模式，提出一種基于RFID制造過程管理系統應用方案，開發出一套基于RFID車間制造過程信息管理系統。

本文各章節的內容如下：第一章：緒論。介紹論文研究的背景，研究的目的及意義和研究內容。第二章：射頻識別RFID技術介紹，研究分析了現有數據采集現狀，介紹了 RFID在信息采集方面的優勢，提出了 RFID在制造業應用模式及其關鍵技術。

第三章：對信息管理系統進行需求分析，對制造業信息管理系統特點進行研究，在離散制造業實施制造過程信息管理系統的必要性與可行性進行詳細分析。

第四章：對信息管理系統進行整體框架設計和功能模塊詳細設計。

第五章：系統實現，對設計出的系統進行實例驗證。

第六章：總結與展望

本文以信息化在多品種小批量的離散制造業的實施為切入點，研究了此類型企業如何基于生產制造實施信息化，如何設計信息系統的功能模塊。論文首先對國內外離散制造企業信息化的研究成果進行總結，分析了我國離散制造業信息化存在的問題，闡明了實施信息化的方法模式深入研究的必要性和可行性。第二章對實現制造過程信息化的關鍵技術，即RFID技術進行了詳細介紹，充分利用RFID技術在數據采集方面的優勢，提出在離散制造業生產過程控制方面RFID的應用模式。第三章對基于RFID車間制造過程信息管理系統實施的必要性與可靠性進行詳細論述。第四章和第五章給出了信息管理系統的設計原理和方法，設計了信息管理系統的整體框架和和功能模塊，并在實驗平臺實現。最后，對全文進行總結，并對實施信息管理系統的優勢與不足提出觀點。論文具體的研究流程如圖1.1 所示：

圖1.1 論文研究流程圖

1.5本章小結

本章分析了離散型制造業的特點及其信息化現狀，然后對比了國內外生產過程管理方面研究現狀，在此基礎上分析了現有研究中存在的問題，介紹了本文的研究目的和意義，最后介紹了本文的主要研究內容和論文結構。

第二章射頻識別 RFID

射頻識別（RFID）技術是近年來隨著無線電技術和大規模集成電路的普及應用而出現的一項先進的自動識別和數據采集技術，使用RFID技術，可以利用無線電波對人、動物和貨物等被識別對象進行高效率的自動識別。RFID的基本原理是利用閱讀器與電子標簽之間的電磁耦合來實現數據通信，從而達到對電子標簽及其所代表的對象進行識別。RFID技術具有存取速度快、空間大，使用壽命長和安全性高等眾多優點。RFID技術的應用系統開發涉及多學科、多領域的知識。現今，RFID技術已廣泛應用于眾多領域。

2.1自動識別技術

2.1.1概述

自動識別技術是將數據自動采集和識讀，并自動輸入計算機的重要方法和手段。近二三十年來，自動識別技術在全球范圍內得到了迅猛發展，初步形成了一個涵蓋條碼識別技術、射頻識別技術、生物特征提取技術、圖像識別技術以及磁識別技術等的集計算機、光、電、通信和網絡技術為一體的高技術學科。

自動識別技術的崛起，為計算機提供了快速、準確地進行數據采集和輸入的有效手段，解決了計算機通過鍵盤手工輸入數據速度慢、容易出錯的難題，因而自動識別技術作為一種高新技術，正迅速被人們所接受。

2.1.2自動識別技術分類與比較

自動識別技術根據識別對象特征可分為兩大類：數據采集技術和特征提取技術。數據采集技術的基本特征是要求被識別對象具有特定的識別特征載體（如標簽）；而特征提取技術則根據被識別對象本身的特征（包括靜態的、動態的或屬性的特征）來進行數據的自動采集。自動識別技術分類如表2.1 所示［38-40］。

表2.1 自動識別技術

數據采集技術特征提取技術

光存儲器電存儲器磁存儲器靜態特征動態特征屬性特征

光標閱讀器條形碼光學字符

識別觸摸式存儲射頻識別存儲卡磁條非接觸磁卡磁光存儲等視覺識別能量擾動識別聲鍵

盤其它感覺特征化學感應特征物理感應特征生物感應特征

目前在自動識別方面，應用最廣的是條形碼、存儲卡和射頻識別技術。下面將就這三種技術進行介紹與比較。

(1)條形碼技術

條形碼(barcode)是將不等的多個黑條和空白，按照一定的編碼規則排列，用以表達一組信息的圖形標識符。常見的條形碼是由反射率相差很大的黑條和白條排成平行線圖案。寬窄不同的線條和間隔的排列次序可以解釋成數字或者字母，它可以進行光學掃描閱讀，即根據黑色線條和白色間隔對激光的不同反射來識別。條形碼可分為一維條碼和二維條碼兩種形式。條形碼可以標出物品的生產國、制造廠家、商品名稱、生產日期、圖書分類號、郵件起止地點、類別等許多信息，因而在商品流通、圖書管理、郵政管理、銀行系統等許多領域都得到了廣泛的應用。

條碼自動識別技術解決了應用計算機采集數據的瓶頸問題，實現了快速、準確地獲取和傳輸信息，是信息管理和自動化管理的基礎。在制造業中，條碼技術在生產過程控制方面發揮了重要作用。國內一些研究將條碼技術應用于MES的信息采集和管理系統中，對車間的生產管理、生產調度、質量管理等提出了初步的解決思路。

條形碼具有制作掃描簡單、信息采集速度快、可靠性高、靈活實用、自由度大、成本低等眾多優點，適用于大量需求并且數據不必更改的場合，例如商品包裝上。但是，條碼比較容易磨損，并且其數據存儲量很小，而且只對一種或者一類商品有效，也就是說，同樣的商品具有相同的條碼。

(2)存儲卡技術

存儲卡識別技術分為兩種，即磁卡技術和IC卡技術。

磁卡采用磁存儲識別方式，而IC卡采用電存儲識別方式。磁卡應用了物理學和磁力學的基本原理。其優點是數據可讀寫，即具有現場改寫數據的能力；存儲容量能滿足大多數要求；成本低廉。因此，磁卡被廣泛應用于各個領域，如信用卡、銀行卡、機票、公共汽車票、自動售貨卡、現金卡等。但是，由于是接觸識讀，靈活性較差。

IC 卡內部有集成電路，采用電存儲識別。其優點是安全性高、存儲容量大、防磁、抗干擾能力強、使用壽命長。應用較為廣泛，如電話IC卡、手機SIM卡、智能水表、智能電表等。但是，由于其價格較高，并且用于工作的觸點暴露在外面，有可能因為人為原因或靜電造成卡的損壞。

(3)射頻識別 RFID 技術

射頻識別(RFID)和IC卡類似，數據存儲在一個電子數據承載設備中。但和IC卡不同的是，數據承載設備和閱讀器之間的電源供應和數據傳輸不是基于接觸的電流方式，而是基于磁場或電磁場的方式。

RFID 技術的基本原理是電磁理論。其優點是非接觸識別，識別距離比光學系統遠，電子標簽具有可讀寫能力，可攜帶大量數據，難以偽造和智能性高等。

通過以上介紹，我們可以比較下條形碼、磁卡、IC卡、RFID卡的性能，如表2.2所示。

表 2.2 幾種識別技術對比

系統參數條形碼磁卡 IC卡 RFID 卡

信息載體紙、塑料薄膜磁性物質 EEPROM EEPROM

典型數據量

(Byte) 1 ?100 1 ?100 16K?64K 16K~64K

讀寫性能只讀讀/寫讀/寫讀/寫

污染和潮濕影響很高很高可能不影響

退化和磨損有限有限不影響不影響

成本低中中較高

安全無一般好好

識別速度低中很快很快

識別距離近接觸接觸遠

使用壽命一次性短長很長

2.2RFID系統的組成與應用

2.2.1RFID 系統組成

典型RFID系統主要是由閱讀器、電子標簽、RFID中間件和應用系統軟件四個部分構成, 一般把中間件和應用軟件統稱為應用系統，如圖 2.1所示。

圖2.1 RFID 系統結構圖

閱讀器在 RFID 系統中扮演著重要角色，它主要負責與電子標簽的雙向通信，和接受來自主機系統的控制指令。閱讀器的工作頻率決定了 RFID系統的工作頻段，其功率大小決定了射頻識別距離長短，它是整個RFID系統信息控制和處理的中心。

閱讀器由負責收發信號的射頻接口、負責處理信號的邏輯控制單元和負責轉換信號的天線三部分組成。如圖 2.2所示。

圖 2.2 RFID 閱讀器

RFID電子標簽又稱射頻卡，由IC芯片和天線組成，它是射頻識別系統的數據載體。系統

工作時，閱讀器發送查詢信號，標簽收到查詢信號后將一部分信號整流為直流電源供電子標簽內部電路工作，另一部分信號則被標簽內保存的數據信息調制后反射給閱讀器。

電子標簽通常由天線、電壓調節器、調制器、解調器、邏輯控制單元和存儲單元這幾個模塊組成。如圖 2.3 所示。

圖2.3 RFID標簽

RFID 中間件是一種獨立的系統軟件，它是電子標簽和應用程序的中介。從應用程序端使用RFID中間件提供的通用的應用程序接口（API）,就能連接RFID閱讀器，讀取電子標簽數據。這樣，即使數據庫軟件或后端應用程序修改，或者RFID閱讀器類型增加等情況發生時，應用端也不需修改就能處理，解決了多對多連接維護難的問題。RFID中間件主要具有四個功能：協調控制閱讀器，數據過濾與處理，數據路由和進程管理［41-44］。

RFID 應用系統軟件是針對特定行業的特定需求而開發的應用軟件，它可以有效控制閱讀器對電子標簽信息的讀寫，并且對采集到的信息進行集中處理。它可以集成到現有的電子商務平臺中，與ERP、CRM等系統相結合以提高企業的生產效率。

2.2.2RFID 系統應用介紹

由于RFID在自動識別方面具有無可比擬的優勢,RFID在眾多領域都有著廣闊的發展前景。 RFID系統的應用已經有了較長的歷史，隨著數字信息技術在各行業的廣泛推廣和RFID技術在安全性和成本方面的進展，各行業重點開展RFID系統應用相關項目。

應用RFID系統可分為以下幾個步驟：系統應用分析，設置RFID系統的相關技術參數，設置運行環境與接口方式，選擇合適的RFID設備。

要實施RFID系統，首先要進行得是系統應用分析。在項目實施之前，先明確需要應用RFID 來數據采集的設備、人員、工件等。只有明確需要應用RFID的對象，才能夠根據對象的功能需求來選擇合適的RFID參數與設備。同時也能避免RFID應用的不足與冗余，真正提高企業的生產效率。

第二步是設置RFID系統的相關技術參數oRFID系統的相關技術參數涉及三個方面：標簽、閱讀器和系統。標簽的技術參數包括電子標簽的能量要求、數據傳輸速率、工作頻率、存儲容量以及封裝形式。閱讀器的技術參數包括閱讀器的工作頻率、發射功率和接口形式。系統的技術參數則包括系統的作用距離、多標簽同時識讀性以及集成性。

第三步是設置運行環境與接口方式。運行環境較為寬松，計算機平臺系統可以是Windows、 Linux、UNIX和DOS等。接口方式包括RJ-45以太網接口、串口、RS-485接口、802.11標準接口等。與接口方式配套的接口軟件可對設備進行測試，生成一定格式的數據文件，供用戶分析使用。

最后是對RFID設備選型。根據以上對RFID系統參數的分析和接口方式的設計要求，選擇合適的 RFID 射頻卡及讀卡器。

2.3RFID 系統的工作原理

RFID 系統的工作原理是：閱讀器通過發射天線發送給定頻率的射頻信號，有電子標簽進入有效工作區域后便會產生感應電流，獲得能量后被激活，電子標簽便將自身的編碼信息通過內置射頻天線發射出去；閱讀器的接收天線接收到從電子標簽發送來的調制信號，經調節器傳送至閱讀器信號處理模塊，經解調后將數據信息送至主機系統進行相關處理；主機會根據邏輯運算識別該標簽的身份，對不同的信息做出相應處理和控制，最后發出指令信號控制閱讀器完成各種讀寫操作。

從電子標簽與閱讀器之間的通信感應方式來看，RFID系統可分為兩大類：電感耦合 (Inductive Coupling)系統和電磁反向散射耦合(Backscatter Coupling)系統。電感耦合依據了電磁感應定律，而電磁反向散射耦合應用了雷達原理，電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回了目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律［45-50］。

電感耦合方式適用于中、低頻近距離射頻識別系統，典型工作頻率是125kHz、225kHz和 13.56MHz。采用電感耦合方式的識別系統作用距離比較短，一般小于一米，典型作用距離為 10~20cm。

電磁反射散射耦合方式一般適用于高頻、微波遠距離射頻識別系統，典型工作頻率是

433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。識別距離大于一米，典型作用距離為4?6m。

2.4RFID 在制造業應用模式

隨著我國國民經濟的持續穩定發展，我國已進入制造業大國行列。工業化生產大規模引入流水線生產方式，但進入二十一世紀以來，只少品種大批量生產已不再適應消費需求。現在更多的是要求多品種小批量生產，這樣需要記錄的信息繁多，利用RFID采集生產信息便應運而生。

將RFID應用于生產制造業，可充分發揮其在質量控制、系統安全、數據安全、靈活多變性、惡劣條件可用性的技術優勢。

一個產品的加工流程可分為若干道工序，而一個加工單元只完成其中一道工序，在加工過程中只重復一個簡單操作。生產過程中的加工單元通過一條主導軌相連，如圖2.4所示，被加工的物料在主導軌上傳遞，形成生產流水線。主導軌在各加工單元處分出支導軌，供物料進出各加工單元。物料由主導軌自動傳至各工作單元，通過安裝在主導軌上的RFID閱讀器，檢測物料或托盤上的電子標簽識別物料，并根據物料的工序路徑讓物料到達正確的工作單元加工。

圖2.4應用RFID技術的生產線

硬件系統主要由三部分組成：主控計算機、電氣控制系統和操作終端。主控計算機負責整個系統的管理調度；電氣控制系統主要電氣系統的基礎控制。軟件系統則以數據庫作為核心。數據庫系統可以提供對生產過程各種數據的實時存儲、管理、查詢、報警、分析和統計等功能，為物料配送及監控系統提供強有力的支持。另外，還可以查詢生產過程中產生的歷史數據，為追蹤統計分析提供支持。

系統中RFID智能操作終端具備總線接口，主動識別物料，人機交互等功能。可實現與主控計算機協調作業指令，收集并上傳加工現場信息，實時顯示加工單元工作狀態。

2.5RFID應用于制造生產的技術優勢

RFID正在進入制造過程的核心，它有其獨特的技術優勢。工廠車間通過采用RFID技術，制造商可以實時獲取RFID采集到的加工現場信息，與企業的工業控制系統相協調。從而達到不需要更新現有的MES,就可以發送可靠的實時信息，提高生產率。

RFID在制造業中的影響是極為廣泛的，包括了信息管理、制造執行、質量控制、標準符合性、跟蹤和追溯、資產管理、倉儲管理以及生產率等［51-53］。

(1)制造信息實時管理生產線及時且準確的反饋信息對企業管理者是十分重要的。以往只能等生產結束后，統計

生產信息，費時費力且不精確。若使用RFID系統，當帶有電子標簽的產品或托盤經過閱讀器時，標簽內的信息將實時反饋到后臺管理系統中，企業管理者就能夠及時了解生產線的工作情況。將RFID系統和現有制造信息系統如MES、ERP等相結合，就可以建立更為強大的信息鏈, 以便實時傳送現場數據、增強生產力和提高生產效率。

(2)靈活的制造管理

RFID 提供的不斷更新的實時數據流，再結合制造執行系統，就可以保證正確使用勞動力、機器、工具和部件。有了這種及時且準確的信息管理，無紙化生產就變成了可能，并且，還可以大大降低生產線停機的概率，提高生產效率。

(3)制造執行和質量控制

為支持精益生產和六西格瑪(6Sigma)質量控制，RFID系統可不斷提供實時數據流，與制造執行系統互補，確保正確使用勞動力、機器和工具，從而實現無紙化生產。確切來說，當零部件通過生產線時，系統可以實時控制、修改甚至重組生產流程，以保證生產的高可靠性和高質量。

(4)跟蹤與追溯制造業中的產品識別、日期與生產時間驗證、自動導引載車、成批生產等各個環節，應用

RFID系統后，可以實時地信息管理、準確的跟蹤與追溯這些目標，提高了自動化生產水平和效率，使生產管理更靈活。

(5)工廠設備管理

車間設備上的RFID提供設備位置、可用性狀態、性能特征等信息。基于這些信息的生產維護、勞動力調整等有助于提高資產價值，優化資產性能和最大化資產利用率。

(6)倉儲可視化管理

由于合同制造變得越來越重要，因而同步供應鏈和制造過程的清晰可見就成為關鍵。RFID 適合于各種規模的應用系統，它可以對進料、在制品、包裝、運輸和倉儲進行全程可視化管理，這些都和信息管理有關。

2 .6本章小結

本章介紹了自動識別技術的發展，主要介紹了 RFID應用系統的組成和基本原理，對將RFID 系統應用于制造業進行分析，并對其可在生產現場數據采集方面發揮的技術優勢作了詳細論述。

第三章系統需求分析

3.1生產管理特征及其信息管理系統特點

3.1.1生產管理特征及發展趨勢

第一次產業革命使家庭手工作坊迅速向大工業發展，由此帶來的生產管理問題是：

(1)生產所需要的原材料不能準時供應或供應不足。

(2)零部件生產不配套，在制半成品和外購件的庫存積壓嚴重。

(3)產品生產周期長，勞動生產率低。

(4)資金積壓嚴重，周轉周期長，難以擴大再生產。

(5)企業難以適應市場和客戶快速多變的要求等。

全球化的市場競爭和經濟發展趨勢，將制造業的產品生產、分銷和成本效益等推向了一個新的境界。無論是國內市場還是國際市場，制造業面臨的發展變化是：a)交易往來分散而多樣化；b)交易金額龐大而多幣化；c)交易要求多變且更苛刻；d)交易客戶和供應商全球化。由此給制造商帶來的挑戰是：e)客戶要求個性化的價廉物美產品；f)供應商要求更長的交貨提前期和更快的貨款支付能力；g)競爭對手使用廉價勞力和采取不符合規范的銷售策略；h)信息時代要求更加準確過濾和有效利用飛速產生的大量信息。面對挑戰，無論是流程式還是離散式的制造業，無論是單件、多品種、小批量生產，還是標準產品大批量生產的制造企業，制造商們都采取了彈性的制造策略及其相關的制造手段，即通過改進需求預測方法，進行企事業資源綜合利用情況的模擬，以多種合理的產品制造方法與技術，增強企業應變能力，滿足多變的市場需求［54-59］。

綜上所述，建立實用的信息管理系統，有效地對涉及企業生產經營的信息進行管理，將對制造健康發展具有深遠的影響。

3.1.2制造業信息管理系統特點研究

信息系統是將信息的管理過程、信息技術的應用、利用信息技術對信息進行管理的人以一個系統的形式有機地結合在一起，是信息管理在實際應用中的具體體現。信息系統既是信息管理的對象，又是信息管理的技術手段和系統實現。

1970 年，瓦爾特•肯尼萬(Walter T.Kennevan)給信息管理系統(Management Information System--MIS)下了一個定義：以書面或口頭的形式，在合適的時間向經理、職員以及外界人員提供過去、現在和預測未來的有關企業內部及其環境的信息，幫助他們進行決策。 1985年，信息管理系統創始人高登•戴維斯(Gordon B.Davis)給信息管理系統下了定義：它是一個利用計算機硬件和軟件，手工作業，分析、計劃、控制和決策模型，以及數據庫的用戶一一機器系統。它提供信息、支持企業或組織的運行、管理及決策功能。這個定義說明了信息管理系統的目標、功能和組成［60-61］。進入 21 世紀，具有統一的數據庫系統是現代信息管理系統的特點，利用計算機強大地計算能力，設計數學模型來進行預測和決策，是信息管理系統的又一新特點。

信息管理系統的主要功能為數據采集、處理、預測、控制和決策優化等。其中，預測功能體現在用數學方法和模型，并依據生產的歷史數據對企業的未來生產做出預測；控制功能體現在對企業生產活動的整體計劃以及各部門、各環節的計劃執行情況上進行監測和檢查，比對計劃和執行的差異，依據差異程度采取方法加以調整，從而達到預期的目標；決策優化功能體現在利用數學方法為企業決策者提供輔助決策，同時也可以從決策者提出的多個方案中選出最優方案，從而合理利用企業資源，提高企業的經濟效益。

制造信息管理系統體現在三個層面的內涵：組織、管理與技術。從組織層面上講，信息管理系統是企業的一個有機組成部分。企業的生產、物料、計劃、營銷、財務、人力資源管理等都需要信息管理系統的支持。從管理層面上講，企業內部包括領導和底層人員都需要信息管理系統的支持，都需要信息管理系統提供的信息來進行決策和作業。從技術層面上講，信息管理系統集成了計算機硬軟件技術、管理技術、網絡技術等構建的企業制造管理平臺。

制造業的信息管理系統經歷了幾個發展階段：

(1)訂貨點法 OPM(Order Point Method)

為了解決對物料計劃和控制不當引出的管理問題，在 20世紀初期產生了訂貨點法。其基本原理是：按照庫存經驗預測物料需求，規定安全庫存量和訂貨點水平，一旦庫存量降到訂貨點水平，便下達訂單補充庫存，使倉庫始終具有一定的安全庫存量。

(2)MRP 階段(Material Requirement Planning)

MRP的發展經歷了兩個階段：基本MRP和閉環MRPo 20世紀60年代形成的基本MRP 也稱物料需求計劃，它基本思想是：在主生產計劃決定生產多少產品后，根據物料清單把產品數量轉變為要生產的零部件數量，對照現有庫存量，計算還需要加工多少，采購多少。它只是一種計算物料需求量的計算器，沒有信息反饋，也算不上控制。在此基礎上發展而來的閉環 MRP，將物料需求、人力需求和車間采購計劃等構成一個具有統一計劃能力和執行能力的閉環系統，這時的MRP也稱生產計劃與控制系統。

(3)MRP II階段(Manufacture Resource Planning)

閉環MRP系統使生產計劃各方面的子系統得到統一。只要制訂好主生產計劃，閉環MRP 系統就能很好地運行。但這達不到控制要求，生產管理只是一方面，主要涉及物流，而與物流相關的還有資金流。將資金流與物流統一管理，便形成一個新的系統整體。于是，在 20 世紀 80 年代，人們把制造、財務、采購等各子系統集成為一個整體系統，稱為制造資源計劃 (Manufacture Resource Planning)系統，英文縮寫還是MRP，為了區別于物料需求計劃系統而記作 MRPI。

（4） ERP 階段（Enterprise Resource Planning

MRPII僅能管理企業內部的物流和資金流。隨著全球經濟一體化的加速，企業與其外部環境的關系越來越密切，MRPII已不能滿足需要。于是新的企事業管理哲理和軟件應運而生。其中影響最深遠的就是ERP思想。ERP系統是一個建立在信息技術基礎上，以系統化管理思想為核心，為企業決策者及員工提供決策運行手段的管理平臺，這是一種主要面向制造業，集物質資源、資金資源和信息資源為一體的企業管理系統。

生產制造過程的信息化是制造業信息化的核心，而制造執行系統正是為了實現制造過程的信息化而被提出。MES定義為：MES能通過信息傳遞對從訂單下達至產品完工的整個生產過程進行優化管理。它主要強調三點：一是強調生產過程的優化；二是強調對生產現場的實時監控；三是強調與計劃層和控制層保持雙向通信能力。因此MES不僅是車間層次的信息管理系統或車間調度控制器，而且是一種生產模式，把制造系統的計劃和進度安排、追蹤、監視和控制、物料流動、質量管理、設備的控制和計算機集成制造等一體化考慮，最終實現生產過程的自動化。

MES處于計劃層和設備控制層之間的執行層信息管理系統，主要圍繞車間層次的生產作業管理。它通過控制包括物料、設備、人員和流程指令在內的各種資源來提升生產制造的柔性和實時性，提供了生產計劃、物料管理、生產調度、質量控制、統計分析等方面的功能，將計劃層的規劃和指令變成生產力，各種生產要素有機地結合在一起。圖3.1反應了 MES在生產管理中所處位置與作用。

3.2 離散制造車間生產過程控制系統分析

從產品類型和生產工藝組織方式上對企業進行分類，企業可劃分為流程（連續）生產行業和離散（加工裝配）制造行業。

離散制造業主要是通過對原材料物理形狀的改變和組裝，使其成為產品。典型的離散制造

行業包括汽車、機床、日用電子消費品等。與流程制造業相比較，離散制造車間生產管理要復雜得多。生產計劃難預測，產品工藝復雜，設備自動化水平低，現場數據多，作業較繁瑣，不易掌掌握等。因此，建立一個完整車間制造過程信息管理系統是對離散車間信息化的發展是十分必要的。

生產過程控制，就是要確保企業產品在制造過程中按照規定的方法和順序始終處于受控狀態下進行，這是企業質量管理體系中最重要的一部分工作，有效實現產品質量的過程控制［62］。生產過程控制是離散制造過程的核心，它包含了車間生產制造各個方面的信息，其組成結構如圖 3.2 所示。它主要包括了：現場數據采集和管理、生產調度、生產現場監控、勞動組織、質量控制、成本控制、工藝反饋與改進、生產統計、定額核算、安全生產、車間的人員調配以及整個車間設備狀態監控等整個車間生產過程涉及到的工作。考慮到離散制造過程中產品復雜、生產數據多、加工周期較長等特點，其生產過程控制系統需滿足實時可靠、控制穩定的要求。

車間生產過程控制系統利用 RFID 技術采集車間生產過程信息，主要銜接上層決策系統

ERP/MES 與底層 RFID 設施層，對整個車間的生產進行管理和控制。通過從圖 1 生產過程控制組織結構圖的分析，基于 RFID 離散制造車間生產過程控制系統從模塊上劃分，整體可分為：數據采集和處理模塊、生產計劃模塊、生產狀態監控模塊、閉環實時控制模塊和信息管理模塊該系統功能模塊如圖 3.3 所示。其中，數據采集和處理模塊、生產計劃模塊、生產狀態監控模塊、閉環實時控制模塊實現了對生產過程數據的采集、生產計劃引入、車間狀態監控、生產閉環調度等功能，是整個系統功能實現的核心部分。而信息管理模塊提供必要的信息查詢和統計分析功能。

圖3.3系統功能模塊圖

3.3信息管理系統的可行性與必要性

3.3.1系統建設的必要性和可行性

隨著企業信息化的進程，融合先進信息系統技術和現代管理理念，建設制造過程信息管理系統，實現生產與業務的統一，可以大幅度提高企業的生產管理水平和效率，是現代企業發展的需要。

針對目前我國離散制造業中存在產品信息追蹤不可靠，質量追溯能力不足，缺乏現代化的數據采集工具和管理系統，管理方法跟不上時代的發展等問題，建設一個新型的制造過程數據采集和管理系統是十分有必要的。在實現生產信息化的基礎上，能夠讓企業物流準確、及時流動，而且在降低成本和庫存量的目標下，可以縮短交貨周期［63-64］。制造信息管理系統可以為企業的整個供應鏈運作提供統一的信息環境，滿足企業各部門之間信息共享的要求。

現代企業生產管理的提高和戰略發展也需要信息系統的支撐。我國離散制造業現在也普遍提升生產管理水平，涉及企業方方面面，其中以物流管理和生產制造管理為提高的核心，只有通過信息化的實施才能大幅度提升管理水平。特別是那些處于發展轉型期的企業，要完善其制造信息化系統，高效管理企業生產，可為企業的發展提供技術支持。

制造信息管理系統能夠保證精益生產，降低成本。精益生產是拉動式的生產方式，這對物流的準確性和實時性要求更高，需要加強企業物流的信息化建設。通過制造信息系統的完善，可實現集團物流運作的信息化。從而降低庫存壓力，減輕操作人員的勞動強度。同時，通過信息系統的完善，可以實現生產過程的實時監控，清晰發現存在的問題，為決策者提供準確的信息依據。

實施制造信息管理系統的可行性分析分為宏觀和微觀兩個方面。宏觀上需求分析從整體出發，全面分析制造企業的需求，是制定企業實施管理系統的基礎。而微觀上是針對企業具體的制造流程，對具體產品進行生產分析。

1)分析企業的管理方式

建立信息管理系統的最終目的是提升企業的競爭力，而提升企業競爭力的關鍵是看其信息化水平如何。企業的管理方式與其信息化水平息息相關，只有通過改進管理方式，提升管理水平，才能為企業的信息化提供基礎。在實施信息管理系統之前，首先要對企業的管理方式進行分析，找出管理上的不足和與競爭對手之間的差異，通過比較其優缺點進行系統分析與設計。還要分析企業的市場應變能力，目前的管理方式能否適應市場競爭的要求。同時，企業管理者、生產制造者能否接受并適應管理方式的轉變，這是實施信息管理系統的基礎條件。

2)分析企業車間狀況，熟悉生產流程。

對于離散型制造企業制造過程信息管理系統的實施，只有在了解了車間工作方式和生產流程，才能確定方案實施的可行性和有效性。企業內部的生產方式、庫存管理方式、加工設備、操作人員等是否能夠滿足系統實施的基本條件，是否能夠充分利用系統信息，企業的生產管理機制是否合理，可操作性如何，執行信息采集和管理的流程是否規范，企業計算機網絡應用程度如何，是否建立了以計算機和數據庫為核心的整體企業信息管理系統，這些都是實施制造過程信息管理系統需要考慮的具體問題。

3)分析企業管理者和員工業務素質

企業的管理者是否愿意通過信息管理系統，對生產制造的流程實行可視化管理，是否有過信息系統實施方面的相關經歷，企業員工的業務素質如何，能否快速了解信息系統的基本概念和操作方法，能否利用信息系統提升其生產效率，這是檢驗實施信息管理系統效果的唯一指標。

只有在滿足這些基本條件的情況下，企業才能夠考慮是否進行投資，實施制造過程信息管理系統，否則貿然進行投資，不可避免地會給企業帶來不必要的麻煩，造成巨大的損失。同時，通過這些基礎條件的分析，也決定了信息系統的實施方案。在了解了企業的生產方式和管理方式后，實施信息系統就需要在其指定的生產方式和管理方式下進行設計，同時要考慮到員工的業務素質，設計多種功能需求，為企業的不同的角色提供各種功能需要。另外，還要結合產品的生產流程，對產品的制造過程深入分析，建立一個真正適合離散制造企業的制造過程信息管理系統。

3.3.2RFID 在系統中的應用分析

目前大部分離散制造企業對制造過程的管理是通過人工管理的方式。在生產制造現場，管理人員記錄下設備、人員加工信息，記錄至表格，統計后成車間報表，效率過于低下，過程繁瑣，更無法實現實時追蹤查詢，重復記錄現象較多。因此，本文提出了一套基于RFID車間制造過程信息管理系統，它與企業上層信息系統相協調，適應企業信息化發展，對底層加工制造信息加以采集和處理。希望能為企業實現“生產零廢品”、“質量零缺陷”、 “物料零浪費”、“管理零差錯”等的管理目標。

本系統采用最先進的數據采集技術一RFID系統，其具有適用性強、操作方法簡單和效果突出等優點。目前RFID技術已普遍應用在各大行業中，物流管理、不停車收費系統、電子門票、供應鏈管理、商品防偽等，將RFID應用于生產自動化方向，也漸漸被生產制造業所重視［65-66］。

對于現代離散制造業來說，應用RFID技術，可以提升企業整體管理水平。物料的入庫、出庫，在制品的加工檢測，生產線上的數據采集，與上層ERP、MRPII等企業信息管理軟件的集成和信息共享，這些都可通過實施RFID應用方案后得到實現。在生產制造的各個環節，RFID 設備采集信息，可提供完整的物料加工跟蹤和質量追溯手段，提升管理軟件在庫存、生產控制方面的實時性和可靠性。進而實現產品生命周期的可視化管理，提高加工生產的效率，減少次品出現機率，降低制造成本。

3 .4本章小結

本章在研究了制造業生產管理特征后，對制造業的信息管理系統進行了分析，特別是對于離散制造業的生產過程控制系統進行了詳細論述。由對離散制造業的生產管理和信息系統的分析，可見在離散制造業實施車間制造過程信息管理系統是可行的而且是必需的。另外，還分析了如何將 RFID 技術應用于信息管理系統中。

第四章系統設計

4.1系統整體框架和功能模型設計

4.1.1系統整體框架

基于 RFID 技術的車間制造過程信息管理系統以離散制造企業生產車間為研究對象，以制造現場的每道工序作為信息采集單元，根據訂單和實際生產能力制定生產計劃，將生產計劃下達到各加工單元組織生產。信息系統通過RFID卡實時跟蹤管理生產批次，通過管理系統界面實時查詢生產計劃和工藝信息，它是制造執行系統的重要組成部分，也是現有的企業管理系統 ERP/MRPII的重要補充和生產數據提供者。

本系統采用三層的分布式結構，由控制層、執行層和管理層三部分組成。底層是控制層，由平行分布的 RFID 數據采集終端組成，主要完成對制造現場的數據采集及任務下達；中間層是執行層，采用ARM控制器作為主控板，負責底層數據采集中端與調度程序的數據交流，底層通過CAN總線與ARM控制器實現掛接；上層是管理層，由具有生產管理權限的計算機組和數據服務器組成，主要完成生產管理和數據存儲，響應由執行層傳來的底層數據采集終端的命令請求或向執行層傳輸下達到控制層的指令，上層管理層和中間層是通過串口連接。

系統總體構架如圖 4.1所示，顯示了本系統各層次的典型架構圖，包括軟件平臺和應用模塊體系，以及系統所依賴的硬件平臺。

在制造業信息管理系統中，經常采用如下幾種系統訪問模式：客戶機/服務器C/S (Client/Server)、瀏覽器/服務器B/S (Browser/Server)及兩種模式的混合。本系統采用經典的客戶機/服務器模式。網絡中的計算機通過客戶機和服務器連接起來，客戶機可以使用服務器的資源。對于用戶的請求，如果客戶機能夠滿足要求就直接給出結果，反之則需要交給服務器來處理。C/S模式是基于企業內部網絡的應用系統，不依賴于外部環境。具有分離和協同工作, 易于擴充；客戶端與服務器直接連接，響應速度快；資源共享，分布式處理，減少網絡成本；操作界面設計個性化，簡潔方便等優點。

4.1.2系統功能模型設計

目前，國內外對面向車間的生產過程管理系統的研究主要集中在制造執行系統 MES 上。制造執行系統需要與其他幾種類型的信息系統緊密相連，才能發揮出自身的優勢。從信息集成的角度來看，制造執行系統在企業的SCM、ERP等系統與面向底層的設備控制系統之間承上啟下，起著垂直信息集成的作用。

1) 現有制造執行系統 MES 功能模型

目前針對制造執行系統的功能模型有兩種觀點：一種是美國的制造執行系統協會 (Manufacturing Execution System Association, MESA)提出，一種是儀表系統和自動化協會(The Instrumentation Systems and Automation Society, ISA)提出的。

圖4.2是MESA于1997年提出MES的外部系統模型，反映了 MES與SCM、ERP、CRM

圖4.2 MESA提出的MES功能模型

同年，美國儀器學會代表編制了 ISA SP95企業控制系統集成標準的工作。ISA SP95代表

國際標準協會(International Standard Association, ISA)組織的第95個標準項目，其MES功能模

型如圖4.3所示，它主要根據國際MES協會提出的模型和美國普渡大學教授T.Williams指導下提出的普渡企業參考體系結構 PERA。

兩種模型都具有銜接計劃層與控制層的車間制造管理的功能，同時也都提供了數據采集、生產計劃管理、生產跟蹤模塊，滿足了現代制造業的基本需求。但由于各個行業的生產和流通流程和所不同，而且每個行業都有自身特有的特點，因此不同行業對制造執行系統的需求和偏重點是完全不同的。例如：電子行業對及時準確的產品記錄要求較高，因此要求MES側重于準確確的產品記錄；紡織行業要求MES側重于提升設備利用率，提高生產效率等等。即使在同一行業中，不同類型的企業也各有特色，所以制造執行系統的設計與開發就要針對特定的行業或類型的企業，不能完全按照現有的功能模型設計與實現。

2) 基于 RFID 的生產過程信息管理系統功能模型

RFID 技術具有自動識別對象和采集信息、抗干擾能力強、適應環境能力強、存儲量大、可重復利用等優點，可以彌補現有生產信息管理系統在數據采集方面的缺陷。通過有效的實時數據采集，實現對現有的生產過程管理系統提供實時準確的數據信息。具體表現在如下幾個方面：

在質量管理上，通過 RFID 進行實時數據采集，保證物料、設備、人力、工具等資源的正確使用，尤其是在混合裝配生產線上，利用RFID識別零部件來確保物料被送到正確的位置，減少出錯率，實現無紙化生產，從而保證產品的可靠性和高質量。

在車間生產調度上，通過 RFID 對生產現場的設備和人員的實時跟蹤，監控其工作狀態。若當 RFID 系統采集到當前有設備處于空閑狀態時，就可以及時將設備空閑狀態信息反饋給生產計劃管理層，便于生產排產模塊能夠及時的編排當前最優的生產計劃，并將其返回給生產管理系統。

在生產過程監控上，通過獲取RFID的編號，可以從數據庫中查出綁定有RFID標簽的物料及在制品所在的位置，而且通過讀寫器實時采集信息實時獲取在制品加工信息，從而實現對生產過程的實時監控。

在訂單跟蹤上，每個訂單都包含一種或多種不同的產品，RFID技術可以實現對每一種產品從原材料到成品整個生產過程的跟蹤，實現對整個定單執行情況的監控。從原材料出庫到成品加工完成入庫，RFID系統將自動采集每道加工工序、所用的設備和操作人員，每道工序的加工開始時間和完工時間，避免了人工數據記錄的信息滯后和出錯。

在庫房管理上，RFID系統可記錄物料、半成品、成品的批次、材質、入庫時間等信息，方便生產人員進行合理的安排生產和企業管理人員查詢。

在參照了 MESA給出的MES標準，本文提出了基于RFID的車間制造過程信息管理系統的功能模型，如圖 4.4所示。生產過程信息管理系統的開發要與相應的企業需求相關聯，本文主要針對離散制造企業，分析目前企業的生產管理現狀和管理需求，設計出了適合企業發展需求制造信息管理系統。

基于RFID車間制造過程

信息管理系統

圖4.4基于RFID車間制造過程

本文將重點研究基礎數據管理、數據采集、在制品管理、訂單跟蹤以及庫房管理幾個模塊。

充分利用 RFID 的技術優勢，實時采集車間生產過程數據，設備運行狀態等信息，對車間調度進行優化，使操作工和加工設備得到合理利用，通過對生產過程的實時跟蹤與監控，掌握訂單整體執行進度，實現對車間生產的整體控制。

4.2制造過程數據采集和處理方法

生產現場的數據采集和處理是整個制造過程管理系統的基礎，該模塊的核心要求是數據的準確性和實時性，中有準確實時地采集到加工信息，才能實現對生產過程的全面跟蹤與控制，使生產計劃和調度與實際生產同步。

數據采集和處理基本流程如圖 4.5 所示：

讀寫器與標讀寫器與標讀寫器應用

簽型號選擇 ―? 簽參數設置 ―? 配置

存儲數據 4— 數據過濾與處理采集數據

圖 4.5 數據采集和處理流程

4.2.1RFID數據采集系統的設計

現代離散制造業越來越趨向于多品種小批量生產，機加工生產車間為了實現柔性生產，生產現場的設備一般是根據設備屬性或工藝來安排，可采用多點數據采集的方案。另一方面，考慮到對生產現場數據的實時性和成本的要求，我們選擇基于CAN總線的串行通信方式采集信息。

數據采集的具體過程：

(1)訂單下達后，系統給每個訂單一個指令單號，給訂單包含的每個工件一個工件號。

(2)初始化電子標簽，將工件號錄入電子標簽，生產過程中，讀寫器可通過采集標簽的工件號查詢到工件信息。由于工件表面的每個地方都有可能被加工，所以可將電子標簽貼于裝載物料的托盤上。

(3)每個工位都設有進料緩沖區和出料緩沖區。首先，將貼有電子標簽的裝載物料托盤運送至第一道工位的進料緩沖區，操作工通過讀寫器掃描電子標簽，系統就根據工件號從數據庫中查詢到工件信息、操作員和加工工序，系統記錄當前時間為加工開始時間。當加工結束時，操作工再次掃描電子標簽，系統記錄其結束加工時間，計算出加工工時并更新工件加工信息。加工完成后，操作員進行自檢，合格與否，將質量信息反饋給系統，并將半成品放入出料緩沖區，等待運送至下一道工序進行加工。后面工序如同第一道工序。

(4)最后一道工序加工完成后，需要運送至質檢區進行半成品檢驗或成品檢驗。將工件的檢驗信息記錄至數據庫中，對于不合格的工件，判定其是返修或報廢，以及重新加工的工序，責任人等。

RFID 應用系統整體架構如下：

在RFID應用系統中，讀寫器通過CAN總線與工位控制器相連，工位器通過串口方式與車間控制計算機相連，車間控制計算機又通過企業局域網與數據庫服務器相連。當綁定有電子標簽的物料進入讀寫器工作范圍內時，讀寫器采集標簽信息，通過數據庫查詢相應的產品信息，記錄當前加工信息，向標簽中寫入當前工序的完成狀況、操作員的信息、半成品質檢信息等。采集到的信息通過RFID中間件處理后，傳送至服務器數據庫中，使生產現場的數據在整個企業內得到實時共享，實現對生產過程的整體管理與控制。基于RFID技術的應用系統架構圖如

圖 4.6所示。

基于事件 .

的中間

圖4.6 RFID系統應用架構圖

企業物理層是企業的車間生產現場、倉庫等反映企業真實的運行情況的結構層。只有采用先進的數據采集技術實時、準確地獲取當前物理層的數據信息，才能實現對物理層的實時監控。

RFID系統應用層是為物料綁定電子標簽和生產現場安裝RFID讀寫器，構成RFID系統的應用網絡，能夠實現實時、準確地獲取企業物理層生產數據。

基于事件的中間件層的作用是對RFID系統應用層獲取的大量實時數據進行過濾和處理，將對企業有價值的實用信息傳送至企業生產過程管理系統中并保存到于數據庫中。企業管理者通過生產制造過程管理系統可以全面地了解訂單執行情況，掌握企業的生產能力，從而作出正確決策。

4.2.2制造過程數據處理方法

由于 RFID 系統獲得的生產現場數據是大量的動態的數據，并不是所有信息都對企業有用，因此必須找到一種有效的處理方式，將無用的信息過濾，有效信息進行整合，才能為企業所用。數據處理通常由RFID中間件來完成，減輕了服務器數據庫的負擔。

RFID中間件的原理：它是一種面向消息的中間件，信息以消息的形式從一個程序傳送到另一個或多個程序。信息可以以異步的方式傳送，所以傳送者不需要等待回應。面向消息的中間件不僅可以傳遞消息，還可以解譯數據、錯誤恢復、定位網絡資源等。

RFID中間件獨立并介于RFID應用系統與企業應用系統之間，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應用系統連接，大大降低了系統的復雜性，便于后臺應用程序的實現和維護。

RFID中間件的主要任務是負責RFID應用系統和企業生產過程管理系統之間的數據傳遞，解決 RFID數據的可靠性、安全性及數據格式轉換等問題，RFID中間件與RFID應用系統之間通過一組通用的應用程序接口（API）進行連接。RFID讀寫器讀取到電子標簽的信息后，經過API程序傳送給RFID中間件，RFID中間件對數據進行過濾、整合，從而減少讀寫器采集到的大量的原始數據，將處理后的數據傳送到企業后端的應用系統。RFID中間件被稱為RFID系統的“神經中樞”。

4.3系統開發軟件介紹及數據庫設計

本系統開發軟件是 Microsoft Visual Stdio 2008，主要用于編寫系統管理界面。硬件編程采用C語言，用于編寫RFID接口程序。系統數據庫采用SQL Server 2005。

4.3.1編程軟件工具介紹

C#是一種安全的、穩定的、簡單的，由C和C++衍生而來面向對象的編程語言。它繼承了 C和C++強大功能的同時去掉了一些復雜特性（例如沒有宏和模板，不允許多重繼承等）。C#綜合了 VB的可視化操作和C++的運行高效率，以其強大的操作能力、創新的語言特性和快捷的面向組件編程特性而成為支持.NET開發的首選語言。本文將C#用于編寫系統管理界面，原因在于在C#3.0 中,我們可以用類似于SQL語句的語法從一個數據源中輕松地得到滿足一定條件的對象集合，這樣就方便了程序和數據庫的連接，同時提高了效率。

4.3.2數據庫設計

對于管理信息系統軟件的開發來說，除了以上的功能模塊設計外，數據庫設計是另一個重要的方面。數據庫設計是指在現有數據管理系統的基礎上建立數據庫的過程，在關系型數據庫規范化原理指導下，根據數據存儲、訪問的實際需求進行設計。設計步驟如下：首先，要對所開發的應用系統進行需求分析和數據分析；然后，將需求抽象為信息結構概念模型，并將概念模型轉化為相應的數據模型；最后確定數據庫在物理設備上的存儲結構和存取方法。

制造過程信息管理系統主要是對車間生產過程中所發生的物流和信息流進行管理與控制，本文根據目前離散制造業實際生產情況以及系統功能模塊需求，設計出基于RFID的車間制造過程信息管理系統數據庫。

首先對系統進行概念設計，該系統中的實體主要有訂單、零件、工藝路線、生產加工單、設備、材料采購計劃、材料入庫單、材料領用單、材料庫存，產品入庫單、產品出庫單，產品庫存等。下面給出幾個實體的E-R（實體一聯系）圖如圖4.7所示，及總體E-R圖如圖4.8所示。

將 E-R 圖中的實體轉化為關系，實體名為關系名，實體屬性為關系屬性。例如：

訂單（訂單序號，訂單號，客戶名稱，下訂單日期和優先級等），主關鍵字為訂單序號零件（零件序號，零件數量，材料，處理類型和 EPC 編碼等）；工藝路線（工序號，工序名稱和加工設備等）；生產加工單（加工工序，操作員，開始加工時間，結束加工時間和加工日期等）；

為了將訂單與零件一對多的關系反映出來，要把訂單的主關鍵字放到零件關系中，關系模型如下。

零件（零件序號，訂貨數量，材料，處理類型，EPC編碼，訂單序號）

把零件與工藝路線間的一對一的關系反映出來，要把零件序號屬性放到工藝路線中，關系模型如下。

工藝路線（工序號，工序名稱，加工設備，零件序號）

因為離散制造多采用按訂單的生產模式，所以企業的生產任務主要取決于客戶的訂單，且生產任務的編排是根據訂單的優先級和交貨日期而定的。本文參照企業訂單需求，設計出訂單信息表、零件信息表、工藝路線表、生產加工記錄表、設備信息表、RFID讀寫器信息表、材料庫存表、產品庫存表等幾個關鍵數據表，以其中幾個表為例介紹數據表的設計，如表4.1至表 4.4 所示，各表之間的關系如圖 4.9所示。

表 4.1 訂單信息表

序號字段類型主鍵允許空說明

1 ID bigint(8) Y N 訂單序號

2 Order No varchar(50) N N 訂單號

3 Campany Name varchar(50) N N 客戶名稱

4 LinkMan char(10) N Y 聯系人

5 Tele char(10) N Y 聯系方式

6 StartDate datetime(8) N N 下單日期

7 FinishDate datetime(8) N N 交貨日期

8 Priority varchar(50) N N 優先級

9 Remark varchar(50) N Y 備注

表 4.2 零件信息表

序號字段類型主鍵允許空說明

1 ID bigint(8) Y N 零件序號

2 OrderID bigint(8) N N 訂單號

3 xID int(4) N N 圖紙編號

4 Item carchar(50) N N 零件名稱

5 Materials char(10) N N 材料名稱

6 Number bigint(8) N N 零件數量

7 Unit char(10) N Y 單位

8 Type char(10) N Y 處理類型

9 EPCcode char(10) N N EPC編碼

10 Remark varchar(50) N Y 備注

表 4.3 工藝路線表

序號字段類型主鍵允許空說明

1 ID bigint(8) Y N 序號

2 OrderID bigint(8) N N 訂單號

3 ItemID bigint(8) N N 零件序號

4 ProcessID int(4) N N 工序號

5 Processes char(10) N N 工序名稱

6 Processer char(10) N N 工藝員

7 Remark varchar(50) N Y 備注

表 4.4 生產加工記錄表

序號字段類型主鍵允許空說明

1 ID bigint(8) Y N 序號

2 ItemID bigint(8) N N 零件序號

3 TechID bigint(8) N N 工序號

4 EmplyeeID int(4) N N 員工號

5 Equipment ID int(4) N N 設備編號

6 BeginTime datetime(8) N N 開始加工時間

7 EndTime datetime(8) N N 結束加工時間

8 WorkTime int(4) N N 加工工時

9 WorkDate datetime(8) N N 加工時期

10 Remark varchar(50) N Y 備注

生產產品表 <— 產品零件對照表 ? 零件信息表庫存零件信息表供應商信息表

PK 編號 PK 編號 PK 編號 PK 編號 PK 編號

FK1 產品名稱產品代碼產品類別備注 FK2

FK1 產品編號零件編號零件數量財務編號零件名稱檢驗周期規格型號單位備注 FK1

FK2 供應商零件編號零件號零件名稱庫管員集件員庫位業務員 FK1 編碼名稱賬號稅號類別

退庫零件明細表更換零件明細表零件領用明細表零件到貨明細表零件檢驗明細表零件返廠明細表

PK 編號 PK 編號 PK 編號 PK 編號 PK 編號 PK 編號

FK1

FK2 庫存零件編號退庫事由退庫數量退庫日期 FK1 庫存零件編號更換數量更換日期 FK1

FK3

FK4 庫存零件編號領用數量領用日期領用單號領用類型領用去向 FK1 庫存零件編號到貨數量到貨日期 FK1 庫存零件編號檢驗數量檢驗日期合格數量合格日期 FK1 庫存零件編號返廠數量返廠日期

圖 4.9 數據表間關系圖

4.4系統詳細設計

生產過程的管理在企業管理中起著重要作用，生產過程管理的信息化在企業信息化中更是占有重要地位。本文設計的制造過程信息管理系統，就是為了讓企業管理人員能夠更方便快捷地管理生產車間，實時獲取車間制造現場的信息，從而做出正確決策，提高生產效率。前面章節分析了系統的整體功能模塊，本節將詳細介紹各個功能模塊的具體設計。

4.4.1基礎數據管理模塊

基礎數據管理模塊是整個系統數據應用的基礎，也是系統運行的基礎，主要用于管理和維護制造過程信息系統的基礎數據。這些數據將系統的各功能模塊有效地聯系起來，集成于企業信息數據庫中，在多個系統中實現信息共享。基礎數據管理模塊主要包括了設備管理、物料管理、工藝管理、員工管理幾個方面，各個子模塊功能描述如下。

(1)設備管理：主要對設備的基礎數據進行管理，包括了現有設備的基礎數據，添加新設備的基礎數據，刪除已報廢設備的基礎數據等。設備基礎數據包括設備編號，設備名稱，設備型號，用途，供應商等信息。

(2)物料管理：該功能包括物料基礎數據管理、物料分類管理和物料編碼規則等。物料基礎數據管理是對物料名稱、規格、型號、計量單位等相關屬性的數據內容進行定義和管理，從而方便物料屬性數據的錄入和修改，而且保證數據的標準化。企業內物料多種多樣，為了便于對物料管理和查詢，需要建立物料分類目錄。物料編碼規則提供了定義和維護企業物料的編碼規則，給每個工件的原材料分配唯一標志該工件的編碼，物料編碼規則的可以對物料進行自動編碼。

(3)工藝管理：主要包括工藝基礎數據管理和工序管理。工藝基礎數據主要是工藝卡片、工藝字典、工種等。工序管理是管理機加工過程中所涉及到的所有工序，包括工序和工序屬性的添加、修改和刪除等操作，為工藝路線的制定提供工藝來源。

(4)員工管理：人員管理是對企業車間現有員工的一些基礎數據屬性進行定義，對人員進行分配管理和操作權限的管理。基礎數據屬性如員工號的制定，人員分配管理是安排合適的人到合適的工位，并且為了均衡各車間，可對不同工序的人員進行調配。

員工操作權限的管理主要是指對每個員工的角色分配不同的操作權限，每個員工只可以在權限范圍內進行相應操作，例如系統管理員可具有多系統所有功能添加、修改、刪除的權限，而操作員只具有查看的權限等。

4.4.2信息采集模塊

信息采集模塊的功能是收集表征生產現場各種生產要素過程信息的數據。車間制造過程中有著大量的生產要素信息，包括在制品所在位置，質量檢驗情況，設備運行狀態，整個訂單的生產進度等相關信息，采集這些基本信息是制造過程管理中最基礎也最重要的一個環節。目前，我國很多制造企業仍然采用手工采集方式，效率低下，采集過程較為繁瑣，且容易出錯，并存在一定的滯后性，無法實現數據實時共享。本文所設計的制造過程管理系統引入了先進數據采集技術即RFID技術，能極大提高采集的準確性和實時性。

(1)信息采集模塊基礎信息設置在設計數據采集模塊之前，需要對基礎信息進行設置，包括了讀寫器和標簽的參數設置、讀寫器配置、標簽與零件 ID 關聯。只有將這些基礎信息與生產現場相結合，才可實現數據的自動采集。

a)讀寫器與標簽參數設置讀寫器與標簽參數的設置，首先要定義應用于生產車間的讀寫器與標簽的基本信息，包括了讀寫器型號、類別和標簽類別等參數。本文采用ZLG500型號的固定式讀寫器，將讀寫器分別固定于倉庫、機床等處。標簽采用可重復讀寫標簽，S50系列射頻卡。

從系統實施角度來說，RFID的系統應用可分為開環應用和閉環應用。開環應用多用于供應鏈和物流，從采購原材料到加工成成品，RFID標簽貫穿了供應鏈的每個環節。閉環應用在系統內部使用，進行相關信息的讀寫和傳遞。本文所采用的是閉環RFID系統，從原料領用開始到順序加工工序直至最后一道工序，然后成品入庫，在系列生產加工過程中，使用RFID技術實現全程數據自動采集，當一批零件完工入庫后，回收電子標簽，送回標簽存放點，對標簽信息初始化，重新錄入新零件的信息，循環使用。本課題研究的RFID標簽閉環應用如圖4.10 所示。

圖4.10 標簽閉環利用

b)讀寫器配置

讀寫器配置指建立讀寫器配置數據表，定義每個讀寫器在倉庫及車間的安放位置，給每個讀寫器一個固定編號，利用編號將讀寫器與其位置相關聯。在生產過程中，系統只需通過讀取讀寫器的編號，便可在數據庫中查詢到對應的位置，便可確定工件所處位置或所在加工的工序。

c)標簽與零件 ID 關聯

企業要利用RFID標簽實現自動采集信息，還需要將存儲零件信息的RFID標簽與零件相關聯。本課題為每個電子標簽設計了唯一標簽編碼，來標識一個零件，再將此編碼存儲到零件信息表中相對應的零件信息下，使它之與零件ID相對應，便可以實現標簽與零件ID的關聯。這樣，當讀寫器讀取電子標簽編碼信息后，根據標簽編碼，便可從數據庫中查詢到該零件相應的詳細信息。

由于電子標簽只是在企業內部使用，一批零件完工后，便可回收電子標簽，并初始化，供下一批零件使用。本文采用 10位的編碼來唯一標識每類零件，標簽編碼規則如圖 4.11 所示。

指令單號類型零件序號

圖 4.11 標簽編碼規則

訂單制訂后，企業會給每個訂單制定一個標識該訂單的指令單號，標簽編碼的前 6 位便是表示訂單的指令單號，其后兩位表示產品的類型，最后 2位表示零件序號。

(2)信息采集流程制造過程管理系統的信息采集主要包括物料數據采集和車間生產數據采集。本文所設計的系統信息采集流程如圖 4.12所示。

當物料入庫時，將物料與RFID標簽相關聯。領用材料時，掃描電子標簽，將原材料領用信息記錄在材料領用單上。原材料進入第一道工序時，操作員將掃描電子標簽，讀寫器讀取電子標簽計數值n，判斷n為奇數還是偶數。若n是奇數，表明此批零件在所對應的設備上是開始加工，記錄當前時間為該批零件開始加工時間，記錄其零件號、設備號、工序號、操作員號等信息，保存到數據庫中；若n是偶數，表明此批零件在該讀寫器對應的設備上加工已完成，根據電子標簽編碼可從數據庫中查詢所對應的零件號，并以零件號和工序號為條件可查詢到該批零件此道工序的加工信息，記錄當前時間作為結束加工時間添加到零件加工信息中，系統根據開始加工時間和結束加工時間計算出生產工時，保存至數據庫中，形成了該批零件在這道工序上的一條完整的加工記錄。最后，將電子標簽的計數值加 1，寫入電子標簽。若需質量檢驗

時，可將檢驗信息寫入電子標簽，然后讀寫器掃描電子標簽，根據讀取信息決定在制品去處。后道工序的數據采集方式同第一道工序。

圖 4.12 生產數據采集流程

待所有工序加工完成待入庫時，倉庫管理員掃描電子標簽，記錄其零件號、倉庫需存放位置、入庫時間等信息，將標簽回收，送至原材料倉庫后循環利用。

4.4.3在制品管理模塊

在制品是指原材料進入第一道工序，被加工成半成品，直到完工前的這一生產過程中的生產物料。在生產車間中，在制品會以各種不同的形式存在于車間的各個工位上，生產現場中的在制品也處于不斷的流動和變化中。企業通過管理在制品，可以確保企業連續進行生產，實時跟蹤和掌握生產進度。

在制品管理是制造過程管理的重要環節，實時地掌握在制品的加工狀態、工序和質量狀態等信息，本質上就是對生產過程的實時跟蹤與控制。本文通過對制造加工過程的研究，設計了基于RFID的在制品管理模塊，包括了在制品的過程跟蹤、狀態監控和質量控制三個子模塊。

(1) 在制品過程跟蹤

在企業管理層下達生產任務后，車間生產加工將按照產品工藝路線進行生產。在制品在車

間內轉移圖如圖4.13所示。

圖 4.13 在制品轉移圖

在制品從原材料出庫開始，經過一系列的轉移，最終完成所有工序和質檢，進入成品庫。在制品的整個生產過程中，企業管理者可通過系統查詢，實時地掌握所要了解的在制品當前加工狀態或質檢信息，從而可實現對在制品的過程跟蹤。

從圖中可以看出，在制品在車間內按照工藝路線，在各個工位和質量檢驗部之間進行轉移，直至加工完成。多品種、小批量加工企業的制造過程中，在制品都是按批量生產，對于每批零件，都采用生成在制品生產進度跟蹤報表的形式對其加工過程進行跟蹤。系統根據RFID標簽采集到的在制品加工信息，將自動生成在制品加工過程跟蹤表，反映每批零件整個生產過程的詳細信息。

(2) 在制品狀態監控在制品狀態監控主要是監控在制品的當前所處工位和所處狀態等信息。在制品的監控可以在各個工位上進行統計查詢，也可按照一個訂單的形式進行查詢。在制品狀態監控流程如圖 4.14 所示。

圖4.14在制品狀態監控流程圖

在制品加工過程中，系統通過RFID讀寫器自動采集零件號、加工設備、加工工序、開始加工時間、結束加工時間以及操作員等生產信息，保存至數據庫中。監控界面打開后，系統會根據用戶所要示的查詢類型，從數據庫中查出相應加工設備上正在加工的在制品信息，或者訂單下正在加工的在制品信息，顯示于監控界面上，系統將不斷地監控在制品加工信息，在某批零件的某道工序開始加工后，系統會自動在監視界面中添加該批零件在該道工序下的加工信息，而當這批零件的這道工序加工完成后，系統又會自動刪除監控界面的此條信息。

(3)在制品質量控制

在制品在加工過程中會伴隨著質量檢驗，質量檢驗包括了工序自檢、關鍵工序檢驗、成品檢驗幾類。質量檢驗主要用于嚴格控制在制品的產出質量，確保及時發現不合格品，將其返工或報廢，以免影響整批產品的質量。

一般在企業的生產過程中，不是所有的工序完工后都要進行質量檢驗。一般的工序，操作員加工完成后會進行工序自檢，便運至下一道工序繼續加工，只有在關鍵工序完成后和完工時才會設置質量檢驗。質檢員對每批零件檢驗后，通過系統采集零件號、合格數量、檢驗數量、判定類型、責任人、檢驗日期、處理意見等信息，保存到數據庫中，為后續的質量統計和分析提供依據。

質量檢驗的結果一般分為合格品、返修品、報廢品三種。檢驗完成后，檢驗員會向 RFID 電子標簽中錄入檢驗結果，根據處理信息，物料員把合格品按其工藝路線運送至下一道工序繼續加工；將返修品送回原來加工工位，并告知操作員進行相應處理；將報廢品送到報廢品區等待處理。

4.4.4訂單跟蹤模塊

在現代制造企業中，按訂單生產的生產方式已逐漸成為主要生產模式。按訂單生產指企業根據客戶訂單需求量和交貨期來安排組織生產，簡單來說，就是有訂單才組織生產，無訂單則等待。此種生產方式面向客戶個性化和多樣化的需求，特點是品種多、批量小、交貨期短等，這使得企業需要及時供應原材料，按時按量完成生產。為解決這些問題，企業管理者必須能夠實時地掌握訂單的執行情況，這就需要對訂單進行動態跟蹤。本文所研究的訂單跟蹤模塊可以讓企業管理者實時了解生產情況，跟蹤訂單的執行進度。

訂單跟蹤模塊主要包括了原材料采購跟蹤和生產過程跟蹤。

(1)原材料采購跟蹤

原材料采購跟蹤是對原材料的采購計劃制定到原材料入庫整個過程信息進行跟蹤。

生產訂單下達后，物料員將根據生產物料清單去倉庫領料，若有原材料短缺，登錄管理系統填寫材料采購信息，包括了材料名稱，類型，規格及采購數量等信息，采購員登錄系統進行采購信息確認，并生成材料采購計劃單。采購員根據計劃單采購齊原材料后，倉庫管理員核對信息，質檢員對原材料進行檢驗，生成原材料檢驗單，檢驗完成后進行材料入庫，生成相應的原材料入庫單。

(2)生產過程跟蹤

生產過程跟蹤是對企業接到訂單，制定生產計劃到加工成成品入庫整個過程進行跟蹤。包括了生產計劃制定、半成品檢驗、成品檢驗和成品入庫等信息。

車間管理者將每個訂單分配給跟單員，跟單員負責跟蹤整個訂單生產狀況。傳統訂單跟蹤形式主要依靠派工單，每批零件都對應一張派工單，而派工單將跟隨零件整個加工過程，由操作員手動填寫每道工序各項內容。如果跟單員要了解自己所負責的訂單生產進度，就需要去車間收集訂單下所有的派工單，進行分析匯總，才能掌握其訂單下所有零件加工進度，這樣的跟蹤不僅費時費力，而且信息缺乏實效性。本系統采用了 RFID 技術，會自動采集訂單下每批零件從出庫到成品入庫的所有加工數據信息，實現訂單整個生產過程的跟蹤。

若企業管理人員或跟單員想要跟蹤訂單的執行情況，只需登錄系統，在系統的訂單跟蹤模塊中輸入指令單號，即可查詢出相應指令單號下所有零件的加工信息，包括了工藝路線、完成時間、操作員等。另外，客戶也可登陸企業網站，進入訂單跟蹤模塊，同步查詢到自己訂單的所有信息。當發現企業生產沒能滿足自己要求或有偏差時，便可與企業聯系，及時調整生產，這樣不但減少了企業人力、物力的浪費，而且也可以保證加工質量和交貨期。

4.4.5倉庫管理模塊

倉庫管理模塊主要用于對庫房的管理，包括了原材料管理和成品管理。倉庫管理模塊功能包括了初始化庫存信息、原料到貨管理、質檢信息、領料確認、庫存零件查詢、其它領料確認和改裝剩余零件確認等。功能及描述如表4.5所示。

表 4.5 倉庫管理模塊功能列表

模塊功能描述

倉初始化庫存信息在系統使用之前對庫存零件進行初始化錄入

庫原料到貨管理管理錄入的到貨信息

管質量檢驗信息管理零件檢驗完成時根據檢驗單確認檢驗信息

理領料確認對生產任務領料信息的確認

模庫存零件查詢查詢當前所有庫存零件的狀態信息

塊其它領料確認除生產活動以外的領料確認

改裝剩余零件確認確認由生產部門標記的改裝剩余零件退庫信息

倉庫是廠區內部物流中心，必須確保零件出、入庫的數量準確，措施是盡量避免手工錄入，錄入信息都由部門相關人員確認。另外為避免產生系統誤差，每次出入庫信息記錄到庫存零件變更日志。庫存零件入庫時需要區分入庫狀態、合格狀態和待檢狀態等信息。

4.4.6綜合查詢模塊

綜合查詢模塊是為企業管理層和計劃層提供信息查詢需求。包括定單查詢、加工任務查詢、零件查詢、產品信息查詢、檢驗信息查詢、缺件信息查詢、更換信息查詢、生產領料查詢、生產損耗查詢、月累計入庫信息查詢、月累計出庫信息查詢、成品入庫查詢、庫存零件變更日志查詢等。部分功能及描述介紹如表 4.6所示。

表 4.6 綜合查詢模塊功能列表

模塊功能描述

綜生產任務查詢查詢近期生產任務

合零件信息查詢查詢零件材料、數量、庫存位置等信息

查產品信息查詢查詢成品及需要加工的產品加工進度、質量信息等

詢檢驗信息查詢查詢檢驗結果，成品數、報廢品數和返修品數

模缺件信息查詢查詢當前訂單下所缺零件信息

塊庫存零件信息查詢查詢當前庫存零件信息

更換信息查詢查詢更換信息，如設備、零件、人員等

生產領料信息查詢查詢當前生產領取物料信息

4.4.7統計分析模塊

為了更好地利用原始數據信息，就要對存儲信息進一步統計分析，為制定正確的決策做出依據。統計分析模塊主要是完成事后統計分析功能，包括零件入庫數量統計、零件出庫數量統計、成品檢驗統計、成品分類別統計、生產工時統計、生產耗費統計等。功能及描述如表 4.7 所示。

表 4.7 統計分析模塊功能列表

模塊功能描述

統零件入庫數量統計統計入庫零件的數量

計零件出庫數量統計統計出庫零件的數量

分成品檢驗統計統計質量檢測信息

析成品分類統計對完工產品分類型統計

模生產工時統計統計加工工時

塊生產耗費統計統計生產耗費的原料、工具等

4.5本章小結

本章對系統的整體框架和功能模塊進行分析，提出了基于RFID的數據采集和處理方案，并對系統的各個功能模塊進行了詳細分析與設計，包括了基礎數據管理模塊、信息采集模塊、在制品管理模塊、訂單跟蹤模塊倉庫管理模塊、綜合查詢模塊和統計分析模塊，對各個功能模塊的具體內容進行了細分。

第五章系統實現

5.1引言

本章給出了基于RFID車間制造過程信息管理系統的具體運行平臺，重點介紹基礎數據管理模塊、信息采集模塊和定單跟蹤模塊的實現。該原型系統采用基于客戶端/服務器的C/S兩層架構，是在Windows平臺下，采用Microsoft Visual Studio2008開發工具，以C#作為開發語言, 采用Microsoft SQL Server2005數據庫管理系統，設計和開發的一個信息管理系統。

5.2系統運行實例

5.2.1用戶登錄

運行本系統后，首先出現如圖5.1所示的用戶登錄界面，賬號和密碼可在基礎數據管理模塊中的員工管理模塊中設置，用戶職責不同，登錄后所擁有的操作權限也不同。

圖 5.1 用戶登錄界面

登錄系統后，會顯示如圖5.2所示的系統主界面，主界面上方是系統的幾個主要管理模塊：基礎數據管理、在制品管理、訂單跟蹤、倉庫管理、信息采集、統計分析和綜合查詢七個模塊。主界面的下方顯示了車間實時運行狀態，包括了車間員工和企業管理者最關心的幾類信息：在制品信息、加工設備信息、定單信息和庫存管理信息。數據來源于車間現場的 RFID 讀卡器讀取到了生產信息。

圖 5.2 信息管理系統主界面

5.2.2基礎數據管理

基礎數據管理模塊包括設備管理、物料管理、工藝管理和員工管理四個功能模塊。本文將主要介紹設備管理和工藝管理的實現。

設備管理界面如圖 5.3所示，企業通過基礎數據中的設備管理模塊，可以對車間內所有設備實現實時管理，隨時掌握設備的運行狀況和維修信息，為合理安排設備生產與檢修提供基本信息。

圖 5.3 基礎數據管理界面

工藝模塊管理是生產管理過程中工序信息的源頭。根據企業生產組織的實際情況將工藝模塊分為五金、注塑和模具工藝模塊，對于某一工藝模塊，在其中添加具體的工序信息，并將工序信息與設備，崗位設置關聯關系。工藝模塊管理界面如圖 5.4所示。

圖 5.4 工藝模塊管理界面

員工信息管理主要包括企業在職員工的所屬車間，崗位職責，登錄系統的用戶名，密碼等信息進行管理。用戶權限設置是設置員工的操作權限，各個用戶登錄系統后都有對應的權限。

物料管理主要是管理車間內所有物料信息，包括了：原材料、在制品、半成品和成品等

5.2.3信息采集

車間生產過程數據采集功能主要依靠RFID讀寫器讀取電子標簽中的信息和向電子標簽中寫入零件信息，并查詢數據庫來實現，電子標簽的讀/寫是實現信息自動采集的關鍵技術。本系統的數據采集主要是對生產加工過程的數據采集和質量檢驗數據采集。

在企業下達生產任務之前，首先對每個訂單下的每批零件設置標簽編碼，系統己經根據企業內部的編碼規則設定好標簽編碼，此處，只需選中界面上方的某個訂單，界面中間部分顯示出該訂單下的零件的詳細信息，選中某一批零件，點擊界面下方的“設置編碼”按鈕，系統會自動給該批零件設置唯一的標簽編碼，然后點擊“保存”，便可將標簽編碼保存到該零件的記錄下，從而實現了標簽編碼與零件ID的關聯。

零件從進入第一道加工工序開始，系統便開始自動采集加工過程數據，加工過程數據采集

如圖 5.5 所示。

圖 5.5 數據采集界面

零件開始加工時，操作員掃描電子標簽，讀寫器讀取標簽中的計數值，并判斷是奇數還是偶數，此時顯示的為奇數，則代表開始加工，系統自動采集開始加工時間、加工工序、加工設備、操作員等信息，并保存到數據庫中；加工完成后，操作員再次掃描電子標簽，讀寫器同樣先獲取計數值，此時為偶數，則將加工數量寫入電子標簽，并且系統自動采集加工結束時間，這時系統會自動計算出零件的加工工時，系統根據讀寫器讀取到的電子標簽中的零件號從生產加工信息記錄表中找到該零件的加工信息記錄，將加工數量，加工結束時間，加工工時等信息添加到這條記錄中。

零件的加工伴隨著半成品檢驗，成品檢驗等質量檢驗過程，當零件被送至質檢部進行質量檢驗時，質檢員檢驗完成后，將檢驗信息寫入電子標簽，讀寫器掃描電子標簽，物料員根據讀寫器上顯示的零件判定信息，將零件送至相應的工序。質量檢驗數據采集如圖 5.6所示。

圖 5.6 質量檢驗數據采集界面

5.2.4訂單跟蹤

訂單跟蹤模塊主要實現了對訂單的生產過程進行跟蹤與監控以及對訂單整體執行進度的統計，方便了企業管理人員和訂單跟單員實時地、全面地掌握訂單生產進度。訂單跟蹤管理界面如論壇 5.7所示。

琦訂單跟蹤 I口回

請選擇走單號：定單1 ▼

生產過程跟蹤|原材料跟蹤

圖 5.7 定單跟蹤界面

5.2.5庫房管理

庫房管理模塊主要包括了庫存零件管理、庫存成品管理、庫存工具管理、原料到貨管理以

及領料確認管理。其管理界面如圖5.8所示。

百倉庫管理

翱塑］庫存成品|庫存工具|原料到貨|領料確認］

圖 5.8 倉庫管理界面

5.2.6綜合查詢

綜合查詢模塊主要包括了定單查詢、生產任務查詢、零件信息查詢、產品信息查詢、檢驗

信息查詢、缺件信息查詢、更換信息查詢和生產領料查詢等等。其管理界面如圖 5.9所示。

圖 5.9 生產進度查詢界面

5.2.7統計分析

統計分析模塊主要包括了零件入庫統計、零件出庫統計、成品檢驗統計、成品入庫統計生產工時統計和生產耗費統計。其管理界面如圖 5.10所示。

右統帕析 1^ 回

零件入庫統計零件出庫統計成品檢驗統計成品人庫統計生產工時統計生產耗賈統計

成品詳細信息

圖 5.10 統計分析界面

5.3 系統運行平臺

5.3.1實驗平臺簡介

為了對車間制造過程管理及信息采集進一步研究，本文將基于RFID車間制造過程信息管理系統應用于實驗室的自動化車間仿真平臺，如圖5.11所示。該實驗平臺主要包括以下幾部分：上位計算機、ARM主控制器、RFID信息采集系統、自動化立體倉庫、加工單元和自動導引小車 AGV 等。如圖所示。

RFID讀卡器帶有標簽的物料

上位計算機

控制中心加工單元

圖 5.11 仿真實驗平臺

上位計算機是系統平臺的核心，它負責向底層車間發送指令和接收底層返回信息，是整個系統的指揮中心和信息中心。本信息管理系統的客戶端與數據庫服務器即安裝于上位機內。

ARM主控制器的作用與MES系統的作用較類似，主要負責連接上層管理層和下層執行層。對于上位機，它可以接收上層發來的任務信息，并將其下達至各生產車間組織生產；對于車間工作單元，它可以接收來自加工車間的所有信息，并將其上傳至上層服務器。

RFID信息采集系統包括了 RFID讀卡器和射頻卡，讀卡器置于加工工位上，工位分布空間都處于其有效工作區域內。RFID標簽貼于物料表面，主要負責記錄物料加工過程數據。讀卡器與貼標簽的物料分別如圖5.12和圖5.13所示。

自動化立體倉庫是整個模擬平臺的存儲中心，具有成品區和物料區。加工單元包括了搬運機械手、光電傳感器和工位控制器。

5.3.2系統運行環境

基于 RFID 車間制造過程信息管理系統的運行環境包括硬件環境和軟件環境兩部分。

(1)主要硬件環境介紹

a) 制造車間主控制板

制造單元控制板主要接收來自主控制器ARM的信息，并通過控制機械手、機床完成工件的加工任務。在本平臺中，制造單元的控制板主控芯片選用的是PIC18F458，該芯片不僅包括 CAN通訊模塊，能夠很好地與制造系統的CAN總線相連。如圖5.14即為以PIC18F458為核心芯片的制造單元控制板的實物圖，其中包括PIC18F458控制單元、CAN總線控制單元、串行接口單元、電機控制單元、紅外傳感單元、按鍵掃描單元、繼電器輸出單元、RFID接口單元、電源系統單元、指示燈及蜂鳴器等外設。圖5.15給出了控制板主控芯片PIC18F458與上述外設的引腳的連接狀況。

圖5.15 PIC18F458主控制單元

b) 電子標簽

系統采用的RFID電子標簽是符合國際標準MIFARE I的S50系列射頻卡，容量為8K位, 數據保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次。S50卡不帶電源，自帶天線，內含加密控制邏輯電路和通訊邏輯電路，具有極高的保密性能。其主要參數如表所示。

表5.1 S50系列射頻卡主要參數

參數描述

工作頻率 13.56MHz

通信速率 106KB波特率

防沖突可同時處理多張標簽

讀寫距離 100mm內能方便快速讀取

通訊方式半雙工

安全性三次相互認證、32位全球唯一卡號、每個扇區均有獨立密碼

存儲結構 8K，16扇區，每扇區4塊，每塊16字節，數據保持十年

典型處理時間識別卡3ms,讀一個塊數據2.5ms，寫一個塊數據12ms

c) RFID 讀卡器

本系統采用的讀卡器是ZLG500系列讀卡器，該讀卡器具有如下特點：四層電路板設計，雙面表貼工藝，EMC性能優良；采用PHILIPS高集成度讀卡芯片MFRC500；具有控制線和可控蜂鳴器信號輸出；能讀寫MFRC500內EEPROM；可提供C51函數庫供二次開發；可根據用戶要求定制個性化模塊；支持Mifare1 S50、Mifare1 S70等系列標簽。其外觀如圖所示。

d) 客戶端計算機

主要是作為數據庫服務器和運行客戶端應用程序，可以實現數據管理、查詢等要求。

(2)主要軟件環境

信息管理系統及數據庫：本文所開發

應用程序：由RFID產品生產廠商或集成商開發

操作系統軟件：配有Microsoft Visual Studio、Windows XP操作系統和SQL數據庫。

本實驗平臺的整體通信結構如圖 5.16所示。上位機與主控制器通過串口通信。在圖 5.17 的串口通信模塊界面中，可以通過參數設置來對通信端口進行設置，包括端口號、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗位以及數據傳輸的格式等參數。使得上位機與主控制器的通信方式更加透明、可知。當點擊“自動發送”按鈕后，主控制器ARM接收到數據包，按照通信協議進行解包，從數據包中提取要加工的工件及其服務機床，并控制AGV、機械手及機床進行相應的操作，當此工序完成后，主控制器ARM給上位機回復工序加工完成的數據包。該模塊在接收到主控制器回復來的數據包后在將工序完成的信息狀態在“接收消息列表”中進行顯示。

器之間通信。圖 5.19 為串行接口電路圖，串行接口用于與計算機連接。如圖 5.20 為控制板上

CAN收發器電路圖，由于PIC18F458芯片已集成CAN通訊模塊，在此基礎上為此模塊增加了

一片高速的CAN收發器芯片，作為CAN協議控制器和物理總線的接口。

圖5.20 CAN總線控制單元

5.3.3信息采集流程

本實驗平臺主要是為了模擬制造車間現場數據采集的狀況，其具體采集流程如下：生產定單確定后，上位機做出生產計劃，并負責排產。下達排產信息給車間主控制器，主控制器根據生產任務，分別發送命令給AGV與自動化立體倉庫，倉庫將貼有標簽的生產所需物料運至出料區，而AGV小車則進入倉庫出料區等待物料出庫。

當裝載物料的小車到達指定機床部位時，標簽也進入了讀卡器的工作范圍，讀卡器掃描到有射頻卡進入工作區域，發出問答信號，標簽被激活，與讀卡器建立連接。應答流程如圖 5.21 所示。

讀卡器讀取射頻卡信息后，便將信息傳輸給主控制器，而后主控制器又將其傳送至信息管理系統處理并儲存至數據庫。信息管理系統再根據訂單信息，及物料狀態，發送指令改寫物料上的射頻卡內數據。

5.4本章小結

本章詳細介紹了基于RFID車間制造過程信息管理系統的幾個功能模塊，并將系統運行于實驗平臺上，仿真分析了車間制造過程的數據采集和處理過程。

第六章總結與展望

6.1全文總結

本文以離散型制造車間為背景，結合生產車間仿真實驗平臺，研究了離散型制造業制造過程信息管理系統的設計與實現。本文首先對離散型制造業信息化發展和制造過程管理現狀進行了分析，研究了生產加工車間的現狀，在此基礎上進行了系統需求分析，并提出了基于RFID 技術的制造過程管理系統解決方案，對系統的功能模塊進行了詳細的分析與設計，最后給出了系統的運行實例。本文研究的具體內容如下：

(1)以離散型制造業中的加工車間為例，分析了加工車間生產管理現狀及生產作業流程，總結了加工車間制造過程管理中存在的問題與不足。在此基礎上對制造過程信息管理系統進行了需求分析，提出了基于RFID的制造過程信息管理解決方案。

(2)結合現有的制造執行系統功能模塊與我國離散企業生產實際，研究出基于RFID的制造過程信息管理系統總體功能模型。研究了生產過程管理的數據采集技術和數據處理技術，并對管理系統進行了數據關系分析與數據庫的設計。

(3)對系統中基礎數據管理模塊、信息采集模塊、在制品管理模塊、訂單跟蹤模塊進行了詳細的功能設計，并對倉庫管理模塊和綜合查詢模塊進行分析，提出了基于RFID的加工過程數據采集方法和質量檢驗數據采集方法，研究了在制品過程跟蹤和狀態監控的實現方法以及對訂單整體執行進度進行跟蹤的實現方案。

(4)在以上研究的基礎上，開發了制造過程信息管理系統。該系統實現了對生產過程中數據信息的自動采集和處理，方便了企業管理人員實時地跟蹤和監控企業的生產過程，全面地掌握訂單的整體執行進度，從而保證了訂單的交貨期，提高了產品質量和企業的生產效率。 6.2研究展望

隨著信息技術的發展，RFID技術的應用越來越廣泛，尤其是在供應鏈和物流行業，這項技術應用于企業生產管理中也是企業信息化發展的一大趨勢，但至今將RFID技術應用到企業生產過程管理中的案例并不多。本文在傳統的生產信息管理系統基礎上，引入了 RFID技術，并對其進行了分析與研究，但是由于受時間和個人水平限制，該系統在功能和技術上還有待進一步地研究和完善，主要包括以下幾個方面：

(l)本論文雖然設計和建立了制造過程管理的整體功能模型，但還有車間生產調度、質量管理等模塊沒有實現，還有待進一步的研究形成標準的信息管理系統。本文雖然研究了質量檢驗的數據采集方法，但并沒有研究如何對生產過程進行質量控制，預測和避免將要出現的質量問題。

⑵ 可以在基于RFID的制造過程信息管理系統中引入電子看板技術，實現RFID技術與電子看板技術的有效結合，從而進一步提高企業的生產效率和產品的質量水平。

(3)制造過程信息管理系統與企業其他的管理信息系統的集成問題也是研究的一個重點，只有實現了企業所有信息系統的集成，才能使得企業的整個供應鏈管理得到優化。

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