基于RFID技术的汽车总装厂零配件配送计算机监控系统

吴理门

(湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430074）

1 引言

现代汽车总装厂由于装配车型多、生产柔性大、管理复杂、所需零部件多等原因，经常导致生产停线，为此，企业急需新的生产管理手段来解决这一难题。射频识别技术作为一种新兴技术，其自动快速识别的特性以及良好的环境适应能力，正迎合了汽车制造企业的需求，将RFID技术应用于汽车总装厂零配件配送监控系统，越来越受到人们的重视。

2 传统零配件配送方式的问题

汽车制造企业总装厂的生产物流按工艺流程进行，传统零配件配送方式面临以下几个方面的问题：

（1）在零配件配送过程中，各环节的信息录入均由手工完成，经常出现抄录错误，导致工作步骤不能正常衔接，影响了整个生产流通；

（2）当发现产品有缺陷时，由于记录的不完全和数据的不统一，不能及时查询到具体的负责人员；

（3）由于某些条码不可读或者一些人为错误，使得存货统计缺乏准确性，从而影响到总装厂PC区做出正确决定；

（4）传统方法在清理货物时效率很低，而为了及时了解货物的库存状况又需要随时清点，为此需花费大量的人力、物力；

（5）生产线与仓库沟通衔接不够好，导致配料效率低；

（6）零部件配送过程中的货物损耗始终困扰着车间配送，损耗的原因有货物存放错了位置引起的，也有货物被偷盗而损失的，还有因为包装或者发运时出错导致的；

（7）管理人员不能直观及时地了解生产线状况，从而不能根据生产实际情况及时调整作业计划。

根据上述需求分析，信息传递的延迟以及信息的不准确是整个问题的关键，因此要改善生产管理的效果，降低产品的成本，必须从信息采集技术入手，从而改变生产过程中的信息传递方式。基于这种情况，提出了基于RFID的物流管理信息系统。

3 基于RFID技术的汽车零配件配送方式的优势

在配送中心应用RFID技术后，带来的效益主要体现在以下几个方面：

（1）要货信息处理效率提高。由于采用RFID技术，要货信息处理过程中避免了很多无效或者不合理信息的出现，入库、整理、补充的可靠性提高，缩短了整个要货信息处理的周期，提高了在整个供货配给中信息处理的效率。

（2）节省人力成本。传统的汽车零配件配送由于要对货品进行扫描、定位、统计、核对，费时费力，而应用了RFID技术后，自动进行扫描和核对，可节省人力成本达30%～40%。

（3）精确控制库存能力大大提高。由于可以知道每个货物的精确位置，数据的管理具有及时性和准确性，使得存货信息精确性大大提高。

（4）降低货物损耗。货物的损耗主要由职员盗窃、零配件配送过程中的丢失、管理和核对的错误带来的遗失等引起。由于RFID技术可以详细管理到每一个货物，所以配送丢失带来的货物损耗几乎可以完全避免。此外RFID技术的高度自动化，也使得管理、审计错误引起的货物损耗降到最低，所以采用RFID技术后极大地降低了配送过程中货物损耗。

4 RFID系统的工作原理

RFID的基本原理是利用空间电磁波的耦合或传播实现对象信息的无接触传递，以达到自动识别被标识对象，获取标识对象相关信息的目的。典型的RFID自动识别系统包含电子标签(Tag)和阅读器(Reader)，后者由数据载体，读/写单元和接口模块构成，接口模块以总线方式或串口通讯方式与PLC、PC等控制单元相连。RFID系统如图1所示。

电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。读写器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。通常读写器与计算机相连，所读取的标签信息被传送到计算机上，进行下一步处理。

系统启动时，由读取器产生特定频率的无线电信号，激发标签内部晶片中的程序，进而产生射频电波，并将记忆体中的识别码(ID Code)传回读取器，经由计算机解码后完成辨识功能。

5 基于RFID技术的汽车总装厂零配件配送监控系统结构及功能

5.1 基于RFID技术的零配件物流配送监控系统结构

在汽车总装厂现场建立统一中心数据库，作为零配件流通的信息平台。在工业环节利用RFID技术为每一个在制品零部件或者托盘赋予识别编号(ID)，也就是该部件在信息网络中的名字，通过RFID技术，将生产状态、库存情况映射到信息网络中，登记在现场中心数据库里，再传送到信息体系中 (如ERP等）。

RFID零配件配送管理系统主要由基础硬件网络平台（现场信息采集点读写器设备及其与后台管理系统之间的数据传输网络）、硬件接口平台、管理软件平台、ERP系统接口平台（负责与ERP系统进行数据交换的部分）等组成，构成分层分布式控制系统，包括数据采集管理层、配送过程监控层、ERP系统管理层。零配件物流监控系统结构图，如图2所示。

（1）数据采集管理层。RFID是数据采集管理层的核心，通过读写器采集装有零配件的托盘或零配件电子标签中的信息，进行简单的信息预处理（解码、防冲撞、多通道信息去重、信息过滤、分类）。 .

（2）零配件配送过程监控层。零配件配送过程监控层负责管理零配件配送过程中在制品的加工信息、生产线的状态信息和零配件物流状态信息，并将这些实时信息及时呈递给物流配送调度部门，使企业领导和调度管理人员能够掌握第一手的生产作业情况，其与零配件配送监控服务器、RFID读写器、零配件信息显示终端等，通过工业以太网组成一个星型网络结构。

（3）ERP系统管理层。ERP系统管理层是系统的顶层，也是整个系统对外部的接口。ERP系统服务器作为车间级零配件管理、调度的中心，负责整合、分发监控层上报的物流信息，实现车间范围内的信息共享，为管理者及时下达调度指令提供可靠的分析依据。

5.2 基于RFID技术的汽车零配件配送监控系统功能

根据系统总体设计的要求，整个系统主要包括系统管理、零配件入库和检验管理、零配件整理和补充管理、总装线零配件配送管理、零配件动态配送监控管理等功能。

（1）系统管理。系统管理模块可以定义某车型总装生产线生产及物流管理信息系统用户、执行功能的权限以及用户使用功能授权，并对各子系统共用的基础数据进行维护，完成数据的备份作业。

（2）零配件入库和检验管理。将RFID标签安装在周转箱或零部件上，将零部件批次、编号、名称、数量、生产厂家等内容写入标签，即可实现对零部件的标识。贴有射频标签的零配件运抵总装厂暂存库（PC库）时，入口处的阅读器将自动识读标签，并将相关内容写入标签，通过标签可实时查询各盛具状态、所装物料及其数量等，实现零部件成品库的无纸化管理。根据得到的信息，管理系统会自动更新存货清单，同时，根据看板的需要，将相应零配件发往正确的地点。这一过程将传统的零配件验收入库程序大大简化，省去了繁琐的检验、记录、清点等大量需要人力的工作。

（3）零配件整理和补充管理。装有移动读写器的运送车自动对零配件进行整理，根据主工作站计算机管理中心的指示，自动将零配件运送到正确的位置，同时将计算机管理中心的存货清单更新，记录下最新的零配件位置。存货补充系统将在存货不足指定数量时，自动向管理中心发出申请，根据管理中心的命令，在适当的时间补充相应数量的货物。在整理货物和补充存货时，如果发现有货物堆放到了错误位置，读写器将及时向管理中心报警，根据指示，运送车将把这些货物重新堆放到指定的正确位置。

（4）零配件动态配送监控管理。应用RFID技术后，零配件送货将实现高度自动化。在周转箱或托盘上安装标签，读写器安装在生产线的物料存储区，及时统计零部件的使用情况和线边库存情况。通过车体追踪系统提前计算各工位零部件需求，结合线边库存，提前通知零件库或配送商配送，保障配送准确及时。零部件物流配送人员根据电子看板显示的生产计划，去装配车间PC库领料；当零配件在车间PC库出库时，经过仓库出口处阅读器，读写器自动读取货品标签上的信息，并将出库后要进入现场的零部件读入现场物流管理模块；当零部件在工位被正确安装到车架上时，车间看板定时显示已经使用的零配件及需要去库房领取的零配件。配送人员根据生成的现场物流监控视图，对现场零配件定时进行补充，将空箱回收到规定地点置换满箱零配件，配送到相应的工位。这样，出PC库的零配件不需要扫描，可以直接运送到生产线工位货架，而且由于前述的自动操作，整个送货过程速度大为提高，同时所有货物都避免了条码不可读和存放到错误位置等情况的出现，准确率大大提高。

装配车间生产线工位标签上记录着各个工位需要装配的零部件的标务代码，在总装厂的各个工位上都安装读写器和看板，并将读写器编号。当工件进入第一个工位时，读写器读取标签上的内容和读写器的编号，中间件根据读写器的编号提取标签上的代码并将第一个代码传入企业应用程序，经程序处理后将第一个工位的装配工艺发送到第一个工位看板。

工位工人按照看板显示的内容进行装配。进入工位读写器的读入范围时，零部件的标签自动发送到中间件，当接收的代码与需要装配的代码不一致时，将发送错装警报并将正确的装配信息发送到看板。以后的工序以此类推。

（5）总装线零配件查询及跟踪管理。现在的零配件查询及跟踪主要通过两种方法，一是标签贴在零件本身，二是将标签贴在零件的包装或周转箱上，后者可以减少RFID的使用费用。

根据工艺及生产管理需要，可在总装厂出入口处、零配件物流的分岔处、重要的工艺过程入口处设置读写器。读写装置可以自动读取安装在托盘或零部件上的标签中所存储的数据，并将数据发送给现地层管理终端PLC，同时显示在人机界面上；通过PLC上传给车间配送过程监控系统（主工作站）进行进一步的处理和运算，从而实现对整个车间零部件物流的查询、跟踪和配送过程控制。查询及跟踪管理的功能为管理人员提供及时的生产线工作状况及数据，包括：生产线编码、产品编码、零部件编码、订单号、状态位置、计划号、产品顺序号、VIN信息等。在零部件配送中采用RFID技术，不需要所有的读写装置都和主数据库通信，因此与主数据库通信的失败不会导致配送的停止。

（6）防差错管理。在装配流水线上使用可重复使用的射频标签，该射频标签上可带有详细的汽车零配件需求，在每个工作点处都有读写器，这样可以保证零配件在车间各个位置都能毫不出错地完成配送任务。

（7）零配件追溯管理。零配件追溯要求有详细的零配件配送现场记录，根据RFID标签信息，可以追溯零配件的质量信息、主要配套件生产商信息；根据零部件信息可以追溯到零部件批次和关键部件批次等信息，找出同批次的其他产品；向上可追踪至材料、组件，向下可追踪至终端用户。

6 RFDI系统中的电子标签和中间件

电子标签和中间件作为汽车总装厂零配件配送监控系统中的重要节点，它们的质量、成本和效率直接影响到零配件配送监控系统的可靠性、安全性、实时性。

6.1 RFID标签选择

RFID标签分为：低频射频标签、中高频射频标签和超高频射频标签三个等级。车间物流配送标签一般选用中高频或超高频射频标签。

中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz～30MHz。典型工作频率为：13.56MHz。该频段的射频标签采用电感耦合方式工作。

超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签，其典型工作频率为：433.92MHz、862(902)～928MHz、2.45GHz5.8GHz。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4～6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。

应用涉及到高频（13.56MHz）、超高频（915MHz）两种不同类型的RFID标签，所选择的RFID标签规格分别见表1、表2。

表1 高频标签参数列表

表2 超高频标签参数列表

6.2 RFID中间件选用

中间件是基于分布式处理的软件，最突出的特点是网络通信功能。作为RFID网络关键的组成部分，RFID中间件扮演RFID硬件和应用程序之间的中介角色，RFID中间件独立并介于RFID读写器与后端应用程序之间，并且能够与多个RFID读写器以及多个后端应用程序连接。这样一来，即使存储RFID标签数据的数据库软件或后端应用程序增加或由其它软件取代，或者RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，解决了多对多连接的维护复杂性问题。

中间件被设计部署在需要密集读写器环境的工作场所中，控制读写器网络获取、合并RFID标签数据，提供位置信息，并对在站点级别内采集到的大批量标签数据进行智能化处理，过滤标签数据，使用用户定义的位置信息提供关联数据，并生成统一的、有意义的标签观测数据。RFID网络化结构还有能力使用来自不同制造厂商的最优质的标签和读写器，而不需要在应用层对程序进行修改；借助有线或无线网络，通过TCP/IP协议有效地协调、控制和管理RFID读写器，以便于减小干扰和优化RF的利用。

RFID中间件当前分RFID数据采集中间件和RFID数据管理中间件。由于不同行业对RFID的应用环境、工作频率、存储能力、标签形式、抗干扰性能等要求不同，对设备的选型提出了挑战。流行的开放式RFID中间件平台有：

（1）单一频率型。单一频率型中间件专门用于相同频率的任何RFID硬件。终端用户采用这种方案的优点是硬件选择多，经济实惠，可以与其它参与者兼容，只要他们使用的是相同的频率。采用这种方案的中间件生产商有 Tagsys、GlobeRanger以及OATSystems。

（2）单一RFID型。单一RFID中间件适合各种频率RFID使用，如UHF、HF、微波、以及LF。这种中间件解决方案除去单一频率型具有的优点以外，可以适用于所有RFID频率。这样终端用户就可以为自己的RFID系统选择最佳的解决方案。可以提供单一RFID型中间件的供应商有Sybase/iAnywhere、Blue Vector很快还有Tagsys。

（3）单一技术型。单一技术型中间件主要用于各种自动识别和数据采集（AIDC）技术。模块化是这种产品灵活性的关键。采用单一技术型中间件的终端用户不但可以获得单一RFID中间件的所有优点，而且还可以与现有的设备和系统整合，减少技术投资风险。如果效果不错，还可以自行改进或者改造这种解决方案。这类中间件解决方案供应商有RFIdeaworks和Omnitrol。

中国目前市场上采用的RFID中间件多是国外的，其中有影响的如IBM、SAP、Microsoft、Oracle、Sun等公司的中间件产品。此外，国外一些规模较小的公司也在积极开发RFID中间件产品，如Manhattan、Associates、OAT System等。国内深圳金蝶、山东中创、上海普元、中关村科技、点击科技等厂商，也开发出一些中间件产品。

7 结束语

在汽车装配车间，由于生产工艺变更频繁、车间环境复杂、零配件物流量大、现场数据较难采集等原因，使得零配件配送出错率较高，导致装配现场经常停线。按照上述架构设计的RFID汽车总装厂零配件配送监控系统，能很好地实现汽车装配过程中对现场数据的实时采集与监控，减少零部件在配送及装配过程中的出错率；同时有助于配送质量监控与售后跟踪、防差错管理、零配件追溯管理，实现数据自动录入等功能。

[1]杨周辉,吴永明.基于RFID技术的汽车混流装配生产监控系统的设计与实现[J].机械设计与制造,2011,(10).

[2]王旭,何聪.RFID技术在汽车整车生产企业中的应用[J].现代商业, 2009,(18).

[3]李俊韬,刘丙午,周丽,张方风.国内中间件产品现状分析[J].铁路计算机应用,2011,(7).