1 系统概述
1.1 系统摘要
本系统使用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 项目背景
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，通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通常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。
目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。
1.3 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。
目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：
1） 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。
2） 可重复使用
条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID标签内储存的数据，方便信息的更新。
3） 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，才可以识读条形码。
4） 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，所以特别容易受到折损；RFID标签是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。
5） 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。
6） 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。
7） 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。
1.4 系统简介
目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技术的生产线管理系统成为解决上述问题的有效方案之一，通过采用RFID技术，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”，并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。
同时通过与企业已有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。
RFID生产线管理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，系统通过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。
系统示意图如下所示：
图1 系统示意图
RFID生产线管理系统高效准确地解决了生产车间一线工人的工资计算、在制品水平监控等问题，并且及时将生产进度、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.系统设计目标
2.1 系统总体目标
RFID生产线管理系统实现生产流水线的每个工序的生产状况以及在生产过程中的数据操作的准确化和系统化，建立产品生产控制跟踪，实现从原材料到半成品到产品的可监控可追溯，提升现场管理水平，提高成品一次下线合格率和生产效率，促进生产组织管理精细化，提高产品制造质量，降低制造资源消耗，提升企业市场竞争力。
2.2 系统设计目标
针对目前制造企业的现状及存在的问题，实现生产环节的实时管理, 提高企业的生产效率, 减少库存, 对市场需求做出更快的响应, 加速企业资金的周转，系统需要达到如下设计目标：
1） 建立统一的物料编码体系，保证从物料到产品的唯一性
系统采用RFID编码方式进行数据管理，建立统一规范的物料编码体系，保证从每个单位物料到产品的唯一性。在生产过程的任何一个环节都能够正确地追踪到物料的来源和去向。
2） 建立实时的数据采集系统，为生产运营的畅通提供保证；
3） 减少生产数据丢失，保证原始实时数据的准确性，建立完整的数据仓库；
4） 建立生产线实时信息通道，保障生产流水的畅通；
5） 提高信息的透明度，建立质检追溯体系，强化自我监督，互相监督意识；
6） 建立业务跟踪的实时信息，保障成品及时交货；
7） 建立透明化的计件工资体系，实时反映工人实际生产状况；
8） 加强对生产数据的采集和分析，在实现管理精细化的基础上，为决策层提供准确的依据。
3 系统总体架构
3.1 系统总体架构
RFID生产线管理系统是MES项目中将生产过程采用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：
图2 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，通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。
通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，同时通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：
图3系统总体架构图
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，包括：车间管理系统、领导查询系统。车间管理系统主要完成数据采集、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。
3.2 网络拓扑结构
系统网络拓扑结构如下所示：
图5 网络拓扑结构图
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。
4 系统流程设计
4.1 总体技术路线
RFID生产线管理系统由RFID技术结合计算机设备组成，由扫描点放置的RFID读写器通过读取RFID标签来及时取得现场数据，并经过数据清理和整合，将有效的生产线信息传输到系统中。系统通过统计、分析现场数据，能够实时了解生产现状并及时发现异常、处理异常。
系统管理流程如下图所示：
图6 系统流程图
4.2 系统流程设计
以一条完整的服装生产线为例，设计流程如下：
1）裁剪部门按照生产计划单领料、铺布、裁剪，填写裁床单；
2）裁剪后把相同部位的多层衣片按照尺码、布层、颜色等规则捆扎起来，并把根据裁床单录入并打印出的扎单捆绑在每一捆衣片上，扎单上记录有该衣片的属性，比如款号、尺码、颜色、批次、裁床号，以及工序号、扎单号和件数等信息；
扎单的作用是标示衣片的属性、裁剪的批次，指示该捆衣片需要执行的加工工序和本批次产品的件数，以及记录各工位工作量信息。
3）缝纫车间到裁床部门领取捆扎好的衣片，按照生产流程把相同扎单号的衣片配套捆绑在一起，并徒手递送到对应的工位上；
布料裁剪完成后，工人完全依靠扎单上的信息来进行生产操作，以保证每件衣服都是遵照计划好的工序、由相同属性的衣片缝制而成的。
4）工位上的工人领到衣片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，同时剪下扎单上的一条（称作飞仔），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他部位衣片配套捆绑，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。
生产线流程示意图如下所示：
图7 生产线流程示意图
5 系统设计方案
RFID生产线管理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，管理层可以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。
5.1 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，可以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生产线管理系统可以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，不仅可以在不同环节之间可以进行编码转换，而且可以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：一方面可以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。
5.2 基础信息平台
基础信息平台是整个系统的基础平台，通过系统平台可以将生产车间产生的各种数据进行集中存储、数据分析处理，是其他子系统的基础平台。
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他子系统的成功建设，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。
5.3 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通过以太网连接。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，通过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：
图8 生产线RFID设备安装示意图
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。
5.4 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。并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，通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）员工可以通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。
6 软件系统功能
系统软件采用C/S和B/S相结合的工作模式，所有数据存储在监控中心的服务器端，并且在各地局域服务器上存储本地数据，支持远程、多端点登录，有权限用户均可实时监控系统运行情况，查看并处理相关的数据记录。
RFID生产线管理包括管理层应用和生产现场应用两部分，系统应用划分设计如下图所示：
图10 系统应用设计
6.1 生产线管理系统
1）生产过程控制
图11生产过程控制
① 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；
② 生产线状态：生产线不同区域在制品信息；
③ 在制品状态：各个在制品在生产线上的状态；
④ 生产节拍：掌握各关重工位和整个生产线的生产节拍。
2）生产过程质量信息管理
① 成车下线合格率统计：可按日、月、年和自定义时间段统计生产线下线合格率；
② 按批次、车型、系列、部件、故障类型等统计质量故障信息；
③ 成车一次、二次返修合格率及信息查询；
④ 工作量统计：质检员、返修工人工作量及效率统计；
⑤ 数据导出：根据需求，可导出数据至Excel表格。
图12生产过程质量信息
3）派工计划执行管理
•派工计划直接下达到生产现场
① 每日将ERP的派工计划自动下载到MES系统；
② 将派工计划及成车状态配置信息下发到现场工位；
③ 代替原有的纸质派工单。
•生产通知通告下达
可根据车间生产状态，下达车间指令。
4）工位生产协调
① 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；
② 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。
5）配料及装配管理
① 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。
② 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。
6.2 信息查询模块
统计分析、报表管理是集装箱数据的集中整理和反馈，也是威东航运监管集装箱在所有流通链中的集装箱位置和状态的重要功能。
（1） 报表管理
报表管理应包含固定报表、动态报表两类。
固定报表：固定报表是系统周期性产生的确定的一些报表。报表生成以后，存储在服务器上，用户请求直接返回给用户，系统需要预先定义好一组固定报表。
动态报表：用户请求实时生成的报表。各应用同时进行不同的动态报表生成时，系统能快速响应，返回要求的报表信息。
生成的报表可导出、打印。
图13 统计报表
图14 统计报表
7 系统特点与系统效益
7.1 系统特点
1） 可控性好，能精确规划允许数据采集的范围；
2） 标签内容可读写，可重复使用，节约成本；
3） 提供信息系统获取实时数据的自动化手段；
4） 实现精益生产及准时生产；
5） 优化生产过程，提高生产、管理效率；
6） 节约成本；
7） 生产瓶颈分析及报警；
8） 实时性高、安全稳定；
9） 实现产品质量追溯。
7.2 系统效益
1） 生产数据能够准确、实时的采集
生产数据的实时反馈是保证生产运营畅通的基础。系统在生产车间采集实时生产数据是通过工人在生产过程中通过插拔卡或刷卡的方式来实现，RFID阅读器通过读出RFID卡中所带有的特定信息实时的反馈到系统中，通过这种操作方式系统能够提供实时的生产数据进行采集和数据分析。
2） 生产力在原有的基础上实现提升
生产车间实时生产数据反馈到系统，通过系统监控可以实时的发现阻碍生产流水线畅通的原因所在，及时的发现生产瓶颈所在。系统是通过实时数据归集对每个车间、每个组、每个车位及工人的生产情况进行实时的监控，从而可以发现任何生产环节出现的非正常状态，并及时解决阻碍生产流水的瓶颈。从整体上保障了流水线的畅通，提高了生产力。
3） 能够实现实时监控生产线车工的工作状态
系统能够实时的监控生产线工人的状态，通过对员工在每台车位的不同状态的观察，从而实现工厂整体的透明化管理，提高工厂管理的效率。管理企业可以通过匹配有效的绩效考核体系、先进评比等策略方式调动员工的积极性，使整体产量得到提升。系统本身提供观察的状态可以自定义设定，通常有不在位、工作中、闲置、维修中等状态显示，便于管理者的及时调配人手和有效生产时间的统计。
4） 订单进度实时跟踪，保障及时交货
订单如果不能及时交货意味着公司不但不能盈利反而导致亏损，同时也影响力公司的信誉度。对公司将来的发展受到很大的影响和阻碍。特别是出口企业对于订单的及时交付显得更为重要。系统是根据客户订单入手，从裁剪开始到后道结束整个生产流程的实时进度跟踪。实时跟踪订单在生产线的进度，整个订单何时开始裁剪，现在已经裁了多少；何时到达车缝线，在车缝线部分完成多少；何时到达后道，后道完成多少，最终成品多少。系统不单从整个订单的进度入手更为细节的了解每个订单款式的颜色、尺码的完成数量。从而精确的掌握每个订单的生产进度，达到及时交货的目的。
5） 严格质量管控，降低返修率
质量是生产企业永续经营的基石，也是企业面对客户的品牌保证，而最高目标就是要达到质量问题退货率为零。很多情况下是又要抓产量又要抓质量，在两手都要抓的情况，企业不得不放弃其中的一项。而在系统严格的质量管理的情况下，把责任追踪到个人身上，把有质量问题的产品是在什么时间做的什么订单的什么颜色什么尺码的产品一一记录在案，在提升产量的同时又抓上来质量工作，降低了返修率的同时提高了生产力。
6） 通过RFID系统来进行产能和计件薪资的统计
传统的产量统计和工人计件薪资的核算都要耗费大量的人工和时间，数据的滞后性，数据失真都造成了不良后果。然而在系统全面使用后，通过系统来统计工人的产能以及计件薪资，可以代替原有的人工统计方式，提高了生产数据的统计效率和数据的准确性。系统可以提供实时的工人真实的产量统计和实时的薪资报表，便于薪资的核算，提高公司生产运营的效率。
