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自动化生产线系统设计分解

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2020年4月19日
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自动化生产线管理系统

V1.0

设计说明书

目录

1引言 3
1.1开发背景 3
1.2条码技术与RFID技术的对比 4
2系统整体设计说明 5
2.1系统简介 5
2.2 系统总体框架设计 6
2.2.1系统总体架构 6
2.2.2网络拓扑结构 9
2.3 系统运行流程设计 9
2.4 系统设计方案 11
Ø 统一规范的编码体系 11
Ø 基础信息平台 12
Ø 生产线RFID设备配置方案 12
Ø 生产线自动识别实现方案 13
2.5 系统设备介绍 15
2.5.1 RFID电子标签 15
2.5.2 RFID固定读写器 15
2.5.3 RFID手持机 17
3系统功能介绍 19
3.1 生产过程控制 19
3.2 工厂计划及作业管理 20
3.3 质量管理/SPC分析 21
3.4 报表中心 23
4参考资料 24

1引言
1.1开发背景
随着经济的全球化发展趋势，传统密集型加工制造业，如服装、电子等行业，单品制造费用越来越高，加工利润越来越低，为提升企业的整体利润率，优化企业管理流程，经过信息化改造来提升生产效率成为有效的手段之一。
在传统的制造企业的生产流程中，大部份生产模式以单件流生产模式为主，这种生产线模式的最大缺点是一般在某些瓶颈工序会积压大量半制成品，如果工序繁复且生产环节多，这种现象将更加严重。
当前在传统加工企业的管理中普通存在着如下问题： 
1） 整体生产效率低下，现场管理无从下手；
2） 生产过程数据量大，生产线积压严重，不能形成自动化流转和自动化采集数据；
3） 需要手工录入大量数据，准确率和工作效率较低，可靠性不能保证；
4） 可控性差，对加工进度的掌握不精确，生产现场状态监控能力不足；
5） 质量损耗严重，返修率过高，无法进行质量追溯；
6） 订单生产进度和车间在制品、完工数据等不清楚，无法准确计算成本；
7） 经营数据的分析和统计无法做到准确及时，难以挖掘出有价值的信息以指导未来生产计划。
这些问题削弱了管理人员对生产周期的预测、控制及应变能力，已越来越难以应付定单规格多，且交货期短的市场要求。
自动化生产线管理系统V1.0（简称生产线管理系统），使用RFID电子标签作为信息载体，以局域网、互联网为信息渠道，建立一套完整的信息化管理系统，能够对整个生产线管理的每个环节进行全程的记录，实现在制品的自动识别和实时管理，从而实现对企业生产线上的物流和信息流的实时跟踪，提高企业生产管理的工作效率和服务水平。
1.2条码技术与RFID技术的对比
国内生产制造企业在建立和不断完善质量体系的过程中，迫切要求产品生产线有一套清晰、完整、便于存取和检索的质量记录。
当前基于条码的生产管理系统，使各种质量分析和控制得以方便地实现。传统的条码系统有其优点，也有明显的缺点，如易污染、折损、需要停止等待逐个扫描等，批量识读效率不高，无法满足快速准确的需求。
与传统条形码识别技术相比，RFID技术有本质上的优势：
Ø 快速、远距离扫描
条形码一次只能有一个条形码受到扫描； RFID读写器可远距离同时识别读取多个 RFID标签。
Ø 可重复使用
条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则能够重复地新增、修改、删除RFID标签内储存的数据，方便信息的更新。
Ø 穿透性和无屏障阅读
在被覆盖的情况下， RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才能够识读条形码。
Ø 抗污染能力和耐久性
传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。同时由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，因此特别容易受到折损；RFID标签是将数据存在芯片中，因此能够免受污损。
Ø 体积小型化、形状多样化
RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。同时RFID标签更可往小型化与多样形态发展。
Ø 数据的记忆容量大
一维条形码的容量是 50Bytes，二维条形码最大的容量可储存 2至 3000字符， RFID最大的容量则有数兆Bytes。
Ø 安全性
由于 RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。
因此，RFID 技术不只是条码技术的简单替换，它在制造业中的应用将改变加工制造企业的生产经营方式，为众多企业提高了生产过程管理水平，提高了生产效率，使得以前难以定量考核的管理数据得以方便快捷的获得，从而优化了生产过程管理。

2系统整体设计说明
2.1系统简介
当前制造企业在面临着诸多问题，如何解决车间生产线的数据实时的反馈，保证数据的真实性和解决问题的及时性；如何保证流水线的畅通，如何解决在制品的堆积以及如何及时发现瓶颈工序；如何保障出口成衣能够准时交货等因素一直困扰着企业管理者。
为了提高生产过程透明化和企业综合信息化建设，达到提高效率和降低成本的目的，公司迫切需要一套符合生产线管理的控制管理系统，解决生产现场状态监控能力不足、工位之间协调能力差、现场操作和配料缺乏有效指导、质量数据录入滞后等问题。
基于RFID技术的自动化生产线管理系统成为解决上述问题的有效方案之一，经过采用RFID技术，本系统能够自动采集生产数据和设备状态数据，为生产管理者提供生产线所有工序环节的“实时数据”，而且能够结合各工序设备的工艺特点和相关的工艺、质量指标参数，进行各生产重要环节的工艺参数和设备运行参数等生产信息的在线监测和分析，帮助企业实现生产过程中半成品工序、成品工序的计量、仓储的出入库管理的自动化和信息化集成，从而做到对生产操作进行自动实时跟踪，可有效地对各生产岗位进行监督、对产品质量的稳定性和工艺参数的执行率进行监督。
同时经过与企业已有ERP系统的结合，及时查询每一个订单的生产情况，使企业的管理者及采购，物流等部门能够实时监控任何一个订单的生产情况，为生产排期、物料采购、海关报关及物流运输等环节提供调度依据。
本系统采用电子工票取代传统的纸质工票，为生产流水线上的每一个单品工件使用一张RFID标签，在每个工位上安装一台RFID数据采集终端。当工人每完成一次作业时，系统经过RFID采集设备自动将工件的信息直接发送到电脑系统，系统自动完成计件工资计算和各种生产统计工作，为企业提供一套完整的解决方案。

本系统能够高效准确地解决了生产车间在制品水平监控等问题，而且及时将生产进度、员工表现、车位状态、在制品数量等各方面的综合信息进行数据共享，帮助管理者从系统平台获取实时生产数据，分析生产瓶颈并提高生产效率，在收发等各个环节和每道工序跟踪产品生产的完整过程，防止错误的发生。同时电子标签为管理人员、公司高层和车间一线工人建立了一个连接渠道，将每一件产品的生产过程数据实时、准确地反馈到每一层级的管理人员，大大提高了生产效率，节省人力、纸张、沟通时间，提高企业的生产效率和管理决策能力。
2.2 系统总体框架设计
2.2.1系统总体架构
本系统是将生产过程采用RFID刷卡方式完成工序流转和数据采集，解决生产过程控制的问题，同时基于以往实施ERP和MES系统的成功经验，完成从采购、库存、销售到财务核算的整套信息系统规划，实现销售、采购、库存、生产、财务、质量、成本、设备、工艺、人员管理的有机整合，实现公司全面信息化和无纸化。
系统总体结构与组成如下图所示：

系统总体结构与组成
生产过程化管理是精细化管理的基本要求，RFID生产线管理系统从生产的最小单位和粒度记录生产过程信息，经过对生产过程的参与者及产品进行精细化管理，完成生产过程数字化，从而在生产过程数字化的基础之上进行数据分析、挖掘，获得产能分析，产能趋势，风险预测，生产质量及效率评估等。
经过过程化管理能够把车间生产过程按照员工、工序、时间、设备等维度的信息统一管理起来，在此基础上得到非常准确的生产计划，排班计划，进度跟踪，风险预测等，同时经过详细的生产过程化数据，进行产品质量追溯，在制品工艺过程分析，制定合理的工时/工价。
系统总体架构图如下所示：

系统设计采用如下三层架构：

图4 系统架构图
第一层是设备层，主要包括：RFID读写器、RFID手持机、RFID标签、RFID打印机、RFID读卡器等设备。
第二层是管理软件层，主要完成数据采集、数据处理、数据统计、数据查询等功能。领导查询系统主要实现各种报表的汇总查询功能。
第三层是数据库管理层，主要完成数据的存储、数据控制等功能。
2.2.2网络拓扑结构
系统网络拓扑结构如下所示：

系统网络设计能够做到：
1）分层设计，保证系统可靠，数据安全；
2）选择最合适的网络结构，保证性价比最高；
3）分布式计算，降低对办公网络及计算机系统负载压力；
4）标准设计，方便网络监控和错误定位。
2.3 系统运行流程设计
生产线流程示意图如下所示：

设计流程如下：
1) 配料部门按照生产计划单领料；
2) 把相同部位的按照尺码、布层、颜色等规则组合起来，并把根据单录入
并打印出的扎单捆绑在每一组配套上，扎单上记录有该产品的属性，以及工序号、扎单号和件数等信息；以及记录各工位工作量信息。
3) 车间到部门领取捆成品，按照生产流程把相同扎单号的配套组合在一起，
并徒手递送到对应的工位上；完成后，工人完全依靠扎单上的信息来进行生产操作，以保证都是遵照计划好的工序、由相同属性的成品组成的。
4) 工位上的工人领到产品后进行规定工序的操作，操作完成后在扎单存根
上签上工号，同时剪下扎单上的以作为核算计件工资的凭证；
5) 配扎工把前道工序完成的半成品收集起来，再次和相同扎号的其它部位
衣片配套捆绑，手工传送到下一道工序；
6) 重复操作4、5步骤，直至所有工序完成，成品包装并入库。
2.4 系统设计方案
本系统是为规范产品识别追踪而构建的信息监管平台。系统基于统一的物料编码规范，使用先进的RFID识别技术和计算机的数据库管理查询相结合，自动识别产品信息，实现物料在各个流程环节中的“一物一码”，真正做到全程的实时跟踪与监控，并为管理层提供实时精确的报表分析，管理层能够实时了解一线生产动态，发现生产瓶颈，优化工序从而缩短生产周期。
Ø 统一规范的编码体系
因为在各个不同的生产环节、不同的物料之间需要进行信息转换和衔接，为了能够进行全程监管生产线过程，必须建立统一规范的物料编码体系，在任何一个环节都能够正确地追踪到物料的位置和状态。
制定统计规范的编码体系，能够对生产线进行可靠的管理；同时，也便于对于物料的实时跟踪管理。统一编码体系遵循三大规范：
1） 惟一性
RFID生产线管理系统能够针对每个物料都实现识别与跟踪，属于单品级管理，因此必须保证不同环节所采用的编码是惟一的。本系统采用多级赋码管理机制，不但能够在不同环节之间能够进行编码转换，而且能够确保在整个生产线中的唯一特性。
2） 保密性
编码内容不包含具体的产品信息，其原因为：一方面能够提高识别时读取的效率和准确性，另一方面管理和记录的内容是企业以及政府相关部门的重要信息。
3） 可靠性
编码的生成和读取相对简单实用，既考虑长度、读取率，还要考虑可纠错性、避免误读、读错。
Ø 基础信息平台
基础信息平台是整个系统的基础平台，经过系统平台能够将生产车间产生的各种数据进行集中存储、数据分析处理，是其它子系统的基础平台。
基础信息平台担负着整套系统的静态基础数据、动态记录的存储与处理，统计报表、实时数据调整与查校等功能。中心的建立依赖于其它子系统的成功建设，平台的工作要在一个相对较长的时间内进行逐步架构和完善。
Ø 生产线RFID设备配置方案
在生产车间的流水线上安装RFID设备，RFID设备包括RFID读写器、RFID标签。RFID读写器与计算机系统经过以太网连接。在生产线的半成品上安装RFID标签，当生产线工人完成半成品加工后，经过RFID读写器读取生产线上的半成品信息，并将信息传输到系统数据库。
生产线RFID设备安装示意图如下所示：
系统按照生产线工位配置RFID设备，每一个生产工位安装一套RFID读写设备，生产工位的设置如下：
1）根据在制品的组装要求，生成生产工位；
2）将RFID 标签中的在制品代码和生产工位绑定，然后将标签和在制品绑定；
3）当在制品进行多径选择时，读写器读取标签中的在制品代码，并根据生产线上工位的信息，确定下一个工位。
Ø 生产线自动识别实现方案
生产过程控制的要求是根据在制品信息，动态地确定在制品组装路线和组装方式，使企业管理层能够实时地发现在制品生产和生产线运转状态。系统主要由流水线、RFID 数据采集系统、在制品和工位几个部分组成。
当在制品在流水线上移动时，实时检测到在制品状态信息，到达工位后由工人取下进行零配件组装，完成后再放回流水线，直到完成所有工序。而且能够根据控制系统设定的组装路线和组装方式，生成路径选择指令和组装提示。
生产工位自动识别实现示意图如下所示：

图9 生产工位自动识别实现示意图
生产线自动识别实现方案为：
1）每种工序的物料在发放时，配上一张智能卡； 
2）每个工人都配有一张工卡；
3）在每个工位上安装一台RFID读写器； 
4）工人在加工时先读一下自己的工卡，每完成一道工序后将物料上的智能卡在RFID读写器上读取一次，系统实时与管理后台交换数据，完成一个工单后换下一个工单的物料卡。
RFID 数据采集系统主要包括一个带有双天线的RFID 读写器，每个在制品都和一个RFID标签进行绑定。
技术实施方案如下图所示：

当绑定有RFID 标签的在制品以先后顺序经过天线１和天线２时，将触发２ 次RFID 标签读写事件，以读写器代号和工位代号作为关键字的RFID标签读写事件，经过对事件产生的相关数据的记录与处理，来判断在制品的完成情况及各个工位的运转情况。
使用RFID自动识别技术实现生产线管理的功能为：
1）系统自动记录每个工人在哪些时段在做哪些工单，耗时多久
2）生产线上每一个工序使用工位读写器自动完成后道工序的数量获取； 
3）员工能够经过自助刷卡终端来查询自己全天的生产记录； 
4）系统实时统计并计算出每个组、每个工位、每个工序的生产进度情况，给予管理者的工人调配提供最佳精确的生产数据，提供工作效率，减少人力资源浪费。 
2.5 系统设备介绍
2.5.1 RFID电子标签
RFID电子标签采用高性能的智能型芯片，采用半导体编码器进行编码，内置激光工艺刻录的64位二进制，全球唯一编码的硅晶片，具有超强的抗冲击，防静电，防腐蚀，防水，防尘，耐磨擦等性能。

RFID电子标签
性能参数表如下：
序号
项目
技术参数
1
协议标准
符合ISO18000-6B/ EPC C1 G2标准
2
工作频率
902~928MHz
3
工作模式
R/W(可读写)
4
存储容量
64位ID号，216字节用户存储空间
5
读写距离
≥5米
6
安装方式
金属表面
7
工作温度
-20℃～70℃
8
产品规格
130mm×60mm×25mm
9
产品特点
吸附力强，安装方便，使用寿命长

2.5.2 RFID固定读写器
RFID读写器和天线相结合，经过向车辆标签发送并接收电磁波信号自动读取天线视场内车辆标签上的数据，并进行车辆标签合法性判断。具有Wiegand26或Wiegand34、RS485、RS232等丰富的数据输出接口。

RFID固定式读写器
RFID读写器遵循ISO 18000-6B协议，是双端口、高性能、高可靠的UHF读写器，能满足多种应用需求。该读写器有四个主要特点，一是具有选择读取单一车辆标签中的部分或全部数据信息的能力；二是在无需开包与排序的情况下，具有选择读取多个车辆标签中的部分或全部数据信息的能力；三是根据用户定义准则，具有选出或滤除特定车辆标签的能力；四是可适应高速移动物体。
RFID读写器特征：
Ø 能够读/写符合ISO 18000-6B标准的车辆标签
Ø 完善的串行、网络和韦根接口
Ø 具有选择读取单一车辆标签中的部分或全部数据信息的能力
Ø 具有选择读取多个车辆标签中的部分或全部数据信息的能力
Ø 根据用户定义准则，具有选出或滤除特定车辆标签的能力
Ø 支持固件更新
RFID读写器技术参数：
序列
项目
技术参数
1
尺寸
316 x 230 x 70mm
2
工作温度
-10℃～+60℃
3
存储温度
-5℃～+40℃
4
湿度范围
-20%～+95%
5
工作频段
902～928 MHz
6
空气接口
ISO 18000-6B
7
数字接口
4TTL输入, 4TTL输出
8
数据速率
32 Kbps
9
最大读标签距离
5m（与天线配置相关）
10
最大写标签距离
为同等条件下读标签距离的70%
11
天线接口
2个N接头
12
通讯接口
RS 232 & 10/100M Ethernet
13
电 源
100V～240 V AC

2.5.3 RFID手持机
在特定的生产线上，如果工位不固定，能够使用RFID手持机进行在制品信息的读取，能够在1.5米内识别在制品的信息。

RFID固定式读写器

特性
Ø 企业必须的耐用性：可承受各种环境下的日常使用；
Ø 多种可选读取方式：可选支持一维、二维条码扫描，可选RFID低频、高频等多种频段协议读取方式；
Ø 多种通讯模块传输方式可选：GPRS/Zigbee/WiFi/433M/蓝牙模块；
Ø 触屏和可选的键盘功能：允许采用多种方式输入数据，充分发挥应用程序功能，满足用户的偏好；
Ø 时尚的设计：易于手持，可最大限度的减轻用户的使用疲劳感；
Ø 坚固耐用的结构 符合IP64密封标准的外壳：坚固耐用的结构，可使用户在极端的环境下的正常使用，保护您的投资，显著减少停机时间和降低维修成本；
Ø 支持标准卡和扩展卡：支持SD卡可扩展功能。
物理参数
序列
项目
技术参数
1
尺寸
240mm×90mm×40mm
2
重量
0.52kg～0.95kg（与配置相关）
3
外壳材料
PC+ABS
4
LCD
3.5寸TFT QVGA，触摸屏
5
工作温度
-10℃～+50℃
6
储存温度
-20℃～+70℃
7
工作湿度
20%～90%（无凝露）
8
工作频段
902MHz～928MHz / 920MHz～925MHz
9
符合协议
ISO 18000-6B/6C
10
读取距离
1.5m（与标签配置相关）
11
写入距离
1m（与标签配置相关）
12
操作系统
Windows CE 5.0
13
通讯接口
USB Host，USB slave
14
无线通讯接口
Wi-Fi、GPRS、蓝牙，可选
15
存储卡
最大支持2G Micro SD 卡
16
连续工作时间
典型工作场合18小时
17
待机时间
约20天
18
电源
Input：100V～240V AC Output：5V/3A DC

3系统功能介绍
3.1 生产过程控制

功能说明如下：
l 派工单批次执行情况：掌握批次生产计划的执行进程，以及各批次在生产线上的分布情况；
l 生产线状态：生产线不同区域在制品信息；
l 在制品状态：各个在制品在生产线上的状态；
l 生产节拍：掌握各关重工位和整个生产线的生产节拍。
3.2 工厂计划及作业管理

本模块分三大功能，说明如下
派工计划直接下达到生产现场
l 每日将本系统的派工计划自动下载到信息系统；
l 将派工计划及成车状态配置信息下发到现场工位；
l 代替原有的纸质派工单。
l 生产通知通告下达，而且可根据车间生产状态，下达车间指令。
工位生产协调
l 生产计划进度在车间实时共享，工人协调配料、装配：生产线起点上线工位的计划执行进度在全企业共享，有效协调部装、配料等工位配料及生产；
l 派工计划顺序调整后，在全企业内及时通知：上线工位调整派工计划执行顺序，并及时地、自动地通知生产线各管控工位，代替以前的班组长通知。
配料及装配管理
l 电子看板可视化指导：各个工位设置电子看板，主要显示当前成车的车型状态、工艺及各种操作提示，以辅助工人及时知晓生产状态变化及指导工人作业，避免失误。
l 发动机配料计数：为发动机配料工位工人提供发动机下放计数功能，代替原有的依靠工人记忆计数，减少人工计数差错、提高工人效率。
3.3 质量管理/SPC分析

负责车间生产过程质量检验，包括质量控制、质量检验（自动、手动）、质量SPC分析与监控、质量报警及异常处理、质量追溯。功能如下：
l 支持产品、工序检验的检验模型的灵活配置。
l 完整的质量检验全过程信息，帮助企业提高质量控制力度和水平。
l 严格控制质量检验环节，不合格产品禁止向下流转。
l 质量数据的信息化和动态可跟踪性，易于进行质量分析和明确质量责任，促进产品合格率的提高。能够为客户服务部门提供查询追溯报告服务。
l SPC子系统对制造过程中各关键零部件、工序的质量检验数据进行动态管理, 可提供多种质量变异分析控制图（如 PPM 图、X-R 图、排列图等），对生产加以监视，观察产品质量波动情况，及时分析质量缺陷,提出整改措施,并记录车间质量档案,评定车间班组的质量等级。
3.4 报表中心

利用强大的报表中心开发模块创立生产管理各个环节的业务统计、分析报表。报表中心数据报表/图表制作和查询分析综合开发工具，对用户完全开放，能够最大限度的满足企业的个性化查询、统计需求。功能如下：
l 报表中心支持对多个数据库进行无限数量的报表定制和查询功能。
l 完全自定义报表，包括：自定义数据源、自定义统计方式、自定义查询界面、自定义显示字段、自定义列表模板、自定义报表模板。
l 随时实现多维分析。
l 提供强大的SQL编辑器。
l 报表按格式化打印输出，既可用于业务单据打印，也可用于纯统计分析。
l 强大的图表设计工具，提供丰富的图表格式，便于直观查询。
l 采用严格的权限控制，所有自定义报表均须经授权后才能使用，保证系统的安全性、灵活性。
l 报表模板存储在数据库中，实现全局共享。
l 报表模板可在数据库与本地文件间进行灵活的导入导出；