离散制造是以零配件组装或加工为主的离散式生产活动，由零件或材料经过多个环节的装配或加工过程，生产出最终的产品。离散制造企业的生产设备往往都是典型的数控设备或传送带流水线，以车间为单位，按照工作中心进行成组布置。车间计划调度部门根据客户订单、生产能力、库存制定生产计划，组织人员并安排生产设备进行投料生产。
离散制造生产过程普遍存在产品品种繁多、工艺复杂、个性化要求高等特点，反映在信息模型上就是信息量大、关联和处理规格复杂。这些特点对生产过程的信息采集、传输、处理等环节都提出了很高的实时性和可靠性要求。凭借远距离无接触识别和数据存储容量上的优势，射频识别I疆ID技术被广泛应用于制造、交通、物流等领域。RFID还具备识别速度快、准确性高、耐污染等特点，很适合应用于对实时性和可靠性要求较高的离散制造过程中。
离散制造过程可以分为车间生产过程控制和现场制造执行2部分。其中车间生产过程控制是离散制造过程的核心。主要强调的是生产计划控制和执行。本文将就离散制造过程的生产过程控制方面展开讨论，研究并开发一种基于RFID离散制造车间生产过程控制系统。该系统位于业务管理层和车间底层数据之间，强调制造过程数据的实时采集、生产作业计划的可执行性和有效性。基于RFID技术的车间制造过程数据采集和管理方法的总体目标是在车间管理中能够自动、及时、准确地采集制造过程数据，让企业的管理人员及时、准确地掌握企业车间制造过程的运作情况，使企业能够快速、准确地响应市场的变化，以便尽量减少企业不必要的开销。
1 生产过程控制系统研究
1.1 离散制造业生产特征分析
典型的离散制造业企业由于主要从事单件、小批量生产，产品的工艺过程经常变更，因此需要进行良好的计划。离散行业主要是按订单组织生产，由于很难预测订单在什么时候到来，因此采购和生产车间制定计划时就要借助生产过程控制系统。由以上分析可知，该控制系统需要控制的信息量大且种类多，信息之间的关系复杂，事务处理规则描述困难。主要表现为：(1)因单、小件较多，生产较为复杂，生产过程较难控制;(2)生产数据多，且数据的采集、处理和检索工作量大;(3)产品的种类变化较多，用到的外协件较多，车间生产设备和仓库要有足够的柔性;(4)一般来说，离散制造产品的加工周期较长，加工等待时间较长，引起加工总时间过长且时间不确定;(5)影响生产计划的因素较多，信息形态复杂。
1.2离散制造车间生产过程控制系统分析
生产过程控制，就是要确保企业产品在制造过程中按照规定的方法和顺序始终处于受控状态下进行，这是企业质量管理体系中最重要的一部分工作，有效实现了产品质量的过程控制。生产过程控制是离散制造过程的核心，它包含了车间生产制造各个方面的信息，其组成结构如图1所示。它主要包括：现场数据采集和管理、生产调度、生产现场监控、劳动组织、质量控制、成本控制、工艺反馈与改进、生产统计、定额核算、安全生产、车间的人员调配以及整个车间设备状态监控等整个车间生产过程涉及到的工作。考虑到离散制造过程中产品复杂、生产数据多、加工周期较长等特点，其生产过程控制系统需满足实时可靠、控制稳定的要求。
图1 生产过程控制系统组成结构图
1.3 RFID在离散制造过程中的应用
离散制造业制造过程中不仅具有传统的制造流程，还具有产品设计一工艺规划一加工制造一动态调度一信息反馈这个动态的流程。因此离散制造业生产过程控制系统主要是面对车间管理人员、计划人员提供计划管理、资源管理、报表统计管理、车间作业管理等功能，而且要求实时地采集现场生产数据并反馈回系统，系统根据反馈的数据进行分析、统计，最后根据相应的分析结果作出反应，从而实现离散制造业车间的无纸化作业、标准化操作、自动化派工、实时化监控、科学化管理等目标。由于RFID具有无接触识别和快速存取数据的特性，其在实时跟踪、调度、检测方面具有无可比拟的优势，使用该技术可大大减少人员管理和纸质管理的错误率，十分适合离散制造系统对数据和控制的实时性要求。
离散制造业生产线较复杂，生产结果与预期有误差而影响交货的情况时有发生，人为原因也会影响生产。将RFID标签贴在生产物料或产品上，可自动记录产品的数量、规格、质量、时间、负责人等生产信息，用以代替传统的手工记录;生产主管通过读写器可随时读取产品信息;其他相关人员能及时掌握生产状况并根据情况调整生产安排;物料和产品离开仓库前系统都将自动记录出入库信息，并能实时追踪物品所在地。RFID电子标签作为生产数据移动的载体，它在生产线上的流动，实现了生产过程中工人、工序、工件、工时的实时精确统计。从而达到实时控制生产过程、便于质量管理和追溯的目的。RFID技术的应用将有利于企业实现实时化、透明化、可视化的管理。
2 基于RFID生产过程控制系统设计
生产过程控制系统作为离散制造过程的核心，连接着底层车间制造与上层管理系统，整体系统结构图如图2所示。
图2 整体系统结构图
2.1 系统的整体架构
车间生产过程控制系统利用RFID技术采集车间生产过程信息，主要衔接上层决策系统ERP/MES与底层RFID设施层，对整个车间的生产进行管理和控制。分析图1，基于RFID离散制造车间生产过程控制系统从模块上划分可分为：数据采集和处理模块、生产计划模块、生产状态监控模块、闭环实时控制模块和信息管理模块。该系统功能模块如图3所示。其中，数据采集和处理模块、生产计划模块、生产状态监控模块、闭环实时调度模块实现了对生产过程数据的采集、生产计划引入、车间状态监控、生产闭环调度等功能，是整个系统功能实现的核心部分。而信息奁询管理模块提供必要的信息查询和统计分析功能。
图3 系统功能模块图
各模块具体功能介绍如下：
a.数据采集和处理模块。
数据采集和处理模块是系统的基础模块，主要负责采集物料加工数据、设备运行数据、产品质量检测数据以及故障数据等。采集完成后.将原始数据上传至数据库和过程控制系统进行处理。
b.生产计划模块。
生产计划模块是过程控制的前期准备，在参考了数据采集模块上传的关于物料、加工设备、车间作业情况数据以及企业资源计划的情况下，通过生产排程将生产任务生成生产作业计划，便于企业合理安排生产，使企业资源利用达到最大化，降低企业运营成本。
c.生产状态监控模块。
生产状态监控模块分为设备运行状态监控、故障信息监控和加工进度监控。通过此模块，可以实时地观察车间各种设备运行状态和加工进度。当出现机器损坏或物料大量堆积等故障信息时，可以及时采取应对措施，防止出现停产现象。
d.闭环实时调度模块。
闭环实时调度模块的作用是对监控模块返回的故障信息进行处理。当车间生产作业发生变化，例如设备运行故障、物料短缺、新订单插入、订单交货期提前等情况出现时，运用闭环实时调度模块可以实现故障排除处理和生产计划重排。e.信息查询管理模块。
信息查询管理模块主要管理物料及设备信息、故障信息和产品完成进度信息。通过此模块可以了解所有加工工件的加工详细信息，其中包括工件加工的开始时间、结束时间、加工机器、加工工序、操作员等信息。同时还提供了对故障详细信息的查询，包括故障机器、故障原因、故障时间等信息。
2.2车间过程控制系统应用模型
通过对离散制造车间生产过程控制系统的各功能模块的分析，可以得到如图4所示的生产过程控制系统的应用模型。
图4 生产过程控制系统应用模型
首先由生产过程控制系统的生产计划模块生成生产作业计划，生产车间根据生产作业计划展开生产。数据采集和处理模块对贴有射频标签的加工物料和加工设备的状态数据进行采集，经过过滤、分析处理后，将数据传送至生产状态监控模块和闭环调度模块。当出现故障信息时，状态监控模块就会向过程控制系统发出故障报告，过程控制系统将报告传送至闭环调度模块，最后由闭环调度模块生成故障排除方案，再通过过程控制系统解决故障。
2.3硬件及接口设计
基于RFID的离散制造业生产过程控制系统由处于底层的数据采集终端，通过CAN总线与工作站进行通信，把数据信息传送到车间工作站，车间工作站通过企业网络把数据保存到数据库，然后通过接口程序传送到其他系统，为企业管理决策提供可靠、准确、实时的数据支持。本系统由硬件系统和接口程序构成。
2.3.1硬件系统设计
硬件系统包括2个主要部分：数据采集终端和基站。数据采集终端的作用是用来采集离散制造业生产一线的实时数据，其组成结构包括I源ID管理模块，数据输入、数据显示和数据存储模块，状态显示模块等。
基站的主要作用是实现车间工作站运行的通信程序与终端之间的数据交互，主要由数据收发模块和数据存储模块组成。利用RFID进行数据采集过程如图5所示。
图5 RFID数据采集过程
2.3.2接口程序设计
接口程序是把从车间现场采集到的实时数据传送到其他的系统中，以便查询、统计生产信息。利用中间件的设计思想，把接口程序设置在系统服务器端，接口程序可采用定时和触发2种方式传递信息。接口程序主要完成以下数据的传递：加工信息、加工设备信息、工艺参数信息、质量信息、产品信息、检验数据等。
生产过程控制系统针对位于企业计划层和工业控制层之间的执行层管理问题，可向企业现有的ERP系统、PDM系统等提供可靠、及时、准确的信息，能有效防止车间管理信息的“断层”。本系统采用通用数据接口程序，把分布在所有车间终端上采集的数据提交给上层管理系统，为企业决策提供数据支撑。接口程序采用中间件开发思想，集成加隆和ERP系统的数据参数传递方式，采用定时和事件触发的方式对接口函数进行调用。
3 系统开发与功能实现
3.1系统仿真平台开发
仿真平台主要由上位计算机、总控制台ARM控制器、自动输送小车AGV、加工单元和自动化立体仓库组成，其中加工单元包括机械手、加工设备、射频读卡装置以及零件缓冲区等。已贴射频标签的物料存储于自动化立体仓库中。生产运行后，根据生产作业计划，AGv从仓库出库台搬运物料至相应加工单元，由ARM控制加工单元运作。所有加工工序完成后，物料再由AGV运送回仓库。读卡器会在加工开始与结束分别读取RFID的数据，过滤处理后，上传至控制系统。
仿真平台的实物照片如图6所示，该实验平台可以模拟离散制造车间生产过程，本文将在该平台上验证基于RFID离散制造业车间生产过程控制系统的有效性和可行性。
图6 仿真平台的原型
3.2功能实现
根据对系统总体设计的要求，已搭建完成的车间生产过程控制系统包括以下功能模块：基础数据管理、生产作业管理、生产监控管理、生产查询管理、资源管理和数据接口。各主要模块实现功能如下：
a.基础数据管理。
基础数据管理模块可以定义产品生产特性及物流管理信息系统用户，执行功能的权限及用户使用功能的授权，并对各子系统公用的基础数据进行维护，如工序、工人、车间等信息，这些基础数据是进行制造生产和运行调度的基础。
b.生产作业管理。
该模块自动生成车间作业计划。可以控制加工工艺、加工过程、优先级调度等。系统设置的控制器会根据生产能力、设备状况生成计划，通过RFID阅读器对标签的识读，实现对现场生产作业信息的录入，并把数据信息输入到服务器上的数据库，方便管理人员合理安排生产，提高生产效率。
c.生产监控管理。
该模块主要提供信息给一般用户、企业管理人员等需及时了解生产进度情况的人员。它主要包括订单执行情况的实时监控、工序生产的实时监控、工位生产的实时检测。这些实时监测功能提供了整体生产执行信息，可以实时地观察车间各种设备运行状态和加工进度。方便用户根据实际情况及时调整生产计划。
d.生产查询管理。
工作状况，采用图表、直方图或饼图等方式进行直观的反映，为管理者提供决策依据。查询功能可以查询到每个工位的操作信息.如装配的具体时间、物料需求信息、员工操作结果、质量状况等，而且还可以追溯生产历史，从而找到残次品产生的环节。
e.资源管理。
该模块主要对生产线上的设备进行管理，提供给用户当前各设备的工作状态，及时了解现有设备的实际使用情况，以便为安排生产或者设备维护提供参考依据。
f.数据接口。
该模块提供与车间设备、MES、ERP或其他车问管理信息系统的数据接口功能。
4 结束语
离散型制造企业的生产过程控制系统的特点表明，利用RFID技术将从根本上提高产品生产过程中物料监控和协调调度的管理水平。基于RFID技术的控制系统适合大部分离散型生产企业的生产过程控制应用，既可以提高企业的生产效率，又能降低企业生产成本，有较高的实用价值，具有非常良好的市场前景。为提高中国制造业信息化水平，以信息化带动工业化，在企业原材料供货、生产计划管理、生产过程控制、精益制造等多个方面使用RFID技术，可以实现生产过程的实时数据采集可视化、准时化以及业务协同和产品信息可追溯。基于RFlD过程控制系统的应用还可与ERP、CRM等系统形成良好的互补，有效地解决ERP系统在物资和产品数据采集、数据准确性和实时输入等方面的问题，是实现离散型制造企业整体信息化的枢纽信息系统，有助于企业减少产品缺陷，缩短产品制造周期，降低生产成本，提高生产效率，提高企业在市场上的综合竞争力。
