第３０卷第１期 ２０１５年２月 郑州轻工业学院学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＥＮＧＺＨＯＵ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＬＩＧＨＴ ＩＮＤＵＳＴＲＹ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖ０１．３０ ＮＯ．１ Ｆｅｂ．２０１５ 文章编号：２０９５—４７６Ｘ（２０１５）Ｏ１—００４０—０６ 基于无线射频识别技术的 在制品管理系统的设计与实现 罗国富， 杨文超， 王凯歌 （郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州４５０００２） 摘要：针对制造物联环境下车问层生产数据有余、有用信息不足的问题，提出了一种基于ＲＦＩＤ的在 制品管理系统（ＷＭＳ）．该系统通过对车间层次的划分和ＲＦＩＤ的绑定规则的定义来构建车间层ＳＯｓ 事件的模型，并且用ＸＭＬ语言对车间ＳＯｓ事件进行语义封装以便于车间层的实时信息采集和集成． 实例验证表明，该系统操作简单，可视化界面友好，具有很强的实用性和稳定性，可用于提高产品质 量和改善库存． 关键词：在制品管理系统；无线射频识别技术；信息采集；语义定义；数据集成 中图分类号：ＴＰ３９１．４５；ＴＰ３０２．１ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－４７６Ｘ．２０１５．０１．００９ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｋ・ｉｎ・ｐｒｏｃｅｓｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＦＩＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＵＯ Ｇｕｏ—ｆｕ， ＹＡＮＧ Ｗｅｎ—ｃｈａｏ， ＷＡＮＧ Ｋａｉ—ｇｅ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ“ｒｉｃｈ ｄａｔａ ｂｕｔ ｐｏｏｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ’’ｐｒｏｂｌｅｍ ｕｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｉｎｇｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｌａｙｅｒ，ａ ＲＦＩＤ—ｅｎａｂｌｅｄ ｗｏｒｋ—ｉｎ－ｐｒｏｃｅｓｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ＳＯｓ ｅｖｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ＲＦＩＤ ｂｉｎｄｉｎｇ ｒｕｌｅｓ．Ｕｓｉｎｇ ＸＭＬ ｌａｎｇｕａｇｅ ｔｏ ｓｅｍａｎｔｉｃａｌｌｙ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅ ｔｈｅ ＳＯｓ ｅｖｅｎｔ ｆｏｒ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｒｅａ１．ｔｉｍｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｌａｙｅｒ．Ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒ— ａｔｉｏｎ，ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｖｉｓｕａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｓｔｒｏｎｇ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉ— ｔｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｏｒｋ—ｉｎ．ｐｒｏｃｅｓｓ（ＷＩＰ）ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ＲＦＩＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ；ｓｅｍａｎｔｉｃ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ；ｄａｔａ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｏ 引言 全球市场竞争的加剧对制造企业在提高产品 收稿日期：２０１４—０９—０１ 基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＦ１２Ｂ１３） 品质、降低生产成本和减少资源消耗等方面提出了 更高的要求，在制品ＷＩＰ（ｗｏｒｋ—ｉｎ—ｐｒｏｃｅｓｓ）管理的透 明化、智能化和可追溯已成为制造企业的发展方 作者简介：罗国富（１９６３一），男，河南省禹州市人，郑州轻工业学院教授，博士，主要研究方向为制造执行系统、企业信息 集成 第１期 罗国富，等：基于无线射频识别技术的在制品管理系统的设计与实现 ’４１‘ 向．目前，中国制造业面临着产能过剩、物料上涨等 挑战；从国际环境来看，制造模式变化的趋势是精 细化、绿色化和全球化．物联网技术，特别是无线射 频识别（ＲＦＩＤ）技术的成熟，对先进制造管理模式的 发展起到了很大的促进作用．ＲＦＩＤ在制造行业的应 用加强了车间层与管理层的信息交互，解决了制造 业中横向的“信息孤岛”和纵向的“信息断层”问题． ＷＩＰ管理是制造业信息化的一个重要组成部分，如 何把ＲＦＩＤ等先进技术融入ＷＩＰ管理，是行业内当 今研究的热点．Ｗ．Ｋｏｈｎ等¨ 首先采用实时ＲＦＩＤ数 据支持调度和过程控制，由此开始，ＲＦＩＤ被广泛地 应用到制造行业．蔡增玉等 把无线技术、计算机 技术和人工智能相结合，设计了一种基于ＲＦＩＤ的 物流管理系统．曲仁秀等 针对目前在离散制造业 的制造过程中缺少有效的监控、集成与可靠的生产 管理决策软件的现状，为自动、实时、准确地获取离 散制造过程中发生的各种信息，提出了基于ＲＦＩＤ 技术的离散制造过程质量指标监控研究．毕晓东 将物联网技术引入到当前仓库管理系统，确保企业 及时准确地掌握库存的真实数据，进而有效控制库 存．王静等 开发了基于ＲＦＩＤ的制造执行系统，探 讨了基于ＲＦＩＤ的制造执行系统数据采集的一体化 信息平台优化模型，为解决现代物流系统问题提供 了有益的方法和方向．倪霖等 构造了一个基于 ＲＦＩＤ的汽车制造生产线垂直分布式应用模型体系 框架，以解决生产过程中存在的信息采集数据缺 失、遗漏及人工操作效率较低的问题．以上学者对 ＲＦＩＤ在制造业的应用虽然做了多方面的研究，但一 些研究主要是模型和概念的设计，没有充分考虑对 上层系统的集成问题 ；另一些研究虽然对概念或 者模型进行了实例验证，但是对于该模型系统的车间 布置未作具体详细地阐述＿２ ］．针对上述问题和制造 物联车间的实际情况，笔者拟以车间智能物件（ＳＯｓ） 的物流和信息流为研究对象，提出一种融合ＲＦＩＤ技 术、信息采集技术、数据处理技术等先进技术的ＷＩＰ 管理系统的设计和实现方案，以期优化制造过程、提 高生产效率、降低生产成本，提高企业效益． １基于ＲＦＩＤ的ＷＩＰ管理系统 本文提出一种基于ＲＦＩＤ的在制品管理系统 ＷＭＳ（ｗｏｒｋ—ｉｎ—ｐｒｏｃｅｓｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ），其体系 架构如图１所示．其中文档管理、人员管理、质量管 理、生产设备管理、ＲＦＩＤ中间件管理、数据采集和与 上层系统的业务集成均采用Ｃ／Ｓ架构；ＷＩＰ的可视 可追溯采用Ｂ／Ｓ架构．系统总共分为三层，即企业 层、ＷＭＳ层和制造车间层．ＷＭＳ通过标准接口与上 层企业信息系统集成；车间层的物料、机床、叉车和 工人等都与ＲＦＩＤ或传感器绑定，以实时获取它们 的信息来实现生产现场的全面监控．这些信息通过 现场总线或者加密ＷｉＦｉ上传到应用服务器，再通过 工业以太网上传到ＷＭＳ服务器，从而实现ＷＭＳ与 车间层的信息集成． ２系统的实现 ２．１ 车间制造单元的划分与绑定规则 为了实现对ＷＩＰ精准、有效的监管和控制，需 要系统对ＷＩＰ的物流和信息流的实时数据进行采 集．车间层的感知原件包括ＲＦＩＤ标签、ＲＦＩＤ读写 器和传感器（如震动传感器、温度传感器等）．为了 方便车间数据的采集和管理，首先要对车间的制造 单元进行划分，如图２所示．然后，对车间的机床、物 料、人员、ＲＦＩＤ标签和ＲＦＩＤ读写器等进行编号．编 号规则基于以下两种绑定关系： １）读写器与关键设备和加工工位的绑定关系． 每一个制造单元的关键设备有一个ＲＦＩＤ读写器， 所以关键设备与读写器是一一映射的关系；关键设 备与加工工位是多对一的关系，一个加工工位上可 能有多个设备． ２）ＲＦＩＤ标签、物料、工人与生产任务的绑定关 系．每一个工人都有唯一的ＲＦＩＤ标签，所以ＲＦＩＤ 标签与工人是一一对应关系；每一件物料有唯一标 示的ＲＦＩＤ标签，所以物料与ＲＦＩＤ标签也是一一对 应的；一个生产任务需要多种物料，所以物料与生 产任务是多对一关系． ２．２建立ＳＯｓ模型 依据上述ＲＦＩＤ绑定规则，把车问中的人（如机 器操作员、物料运输人员和车间主管人员等）、机 器、刀具和材料（如原材料、在制品和成品产品等） 等与相应的ＲＦＩＤ标签进行绑定，称与ＲＦＩＤ标签绑 定的物体（包括机床、刀具、物料、人等）为ＳＯｓ．通过 读写器实时读取其在不同加工工位的信息，达到实 时监控的目的． 第１期 罗国富，等：基于无线射频识别技术的在制品管理系统的设计与实现 。４３・ 中，简单事件包括：１）转换事件，指物品经过加工处 理产生新物品事件；２）聚合事件，指产品通过包装 形成更高级别的产品事件；３）分解事件，指包装箱 拆箱后形成更多的小级别包装事件；４）移动事件， 指企业内部产品位置发生变化事件． 时采集，还要将采集到的实时信息传递到上位系 统．信息采集系统原理如图３所示．每一个工位上的 读写器对相应工位上的ＳＯｓ进行实时的信息采集． ＲＦＩＤ读写器获得的信息通过ＲＳ２３２串行接口传递 到ＰＬＣ２００；传感器通过Ｉ／Ｏ接口单元发送到 ＰＬＣ２００．多个工位上的ＰＬＣ２００利用ＲＳ４８５接口通 过Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线并联并与装有ＷＩＰ管理系统客户端 ＳＯｓ事件中的ＸＭＬ元素包括｛ＥｖｅｎｔＴｉｍｅ，Ｉｄ， ＲｅａｄＰｉｏｎｔ，ＢｉｚＳｔｅｐ，ＢｉｚＬｏｃａｔｉｏｎ，Ｅｐ一－ｃＬｉｓｔ，ＢｉｚＴｒａｎｓ— ａｃｔｉｏｎＬｉｓｔ｝分别对应于ＳＯｓ物流节点中的状态参数 ｛发生时间，电子标签号码，读写器的地点，业务环 节，所属单位，关联标签，单据值｝．采用ＸＭＬ形式 定义ＥＰＣＩＳ事件，描述ＳＯｓ事件的内容，易于与上 层系统（如ＭＥＳ，ＥＲＰ）的集成，有效优化系统之间 的异构性．以聚合事件中的穿销动作为例来说明 ＳＯｓ事件的语义描述如下： ＜ＡｇｇｒｅｇａｔｉｏｎＥｖｅｎｔ＞ ＜ＥｖｅｎｔＴｉｍｅ＞２０１４—０４—０２Ｔ１５：２３：１１＜／ ＥｖｅｎｔＴｉｍｅ＞ ＜ＥｖｅｎｔＴｉｍｅＺｏｎｅＯＦＦｓｅｔ＞＋８：００＜／ ＥｖｅｎｔＴｉｍｅＺｏｎｅＯＦＦｓｅｔ＞ ＜ｐａｒｅｎｔＩＤ＞ｕｒｎ：ｅｐｃ：ｉｄ：ＧＩＤ：ＮＸ＜／ｐａｒｅｎｔｌＤ＞ ＜ｃｈｉｌｄＥＰＣｓ＞ ＜ｅｐｃ＞ｕｒｎ：ｅｐｃ：ｉｄ：ＧＩＤ：Ｎ１＜／ｅｐｃ＞ ＜ｅｐｃ＞ｕｒｎ：ｅｐｃ：ｉｄ：ＧＩＤ：Ｎ２＜／ｅｐｃ＞ ＜／ｃｈｉｌｄＥＰＣｓ＞ ＜ａｃｔｉｏｎ＞ＡＤＤ＜／ａｃｔｉｏｎ＞ ＜ＢｉｚＳｔｅｐ＞ｕｒｎ：ｄｅｍｏ：ＢｉｚＳｔｅｐ：ｐｉｎ＜／ＢｉｚＳｔｅｐ＞ ＜ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ＞ｕｒｎ：ｄｅｍｏ：ｄｉｓｐ：ｓｔｏｒａｇｅ＜／ｄｉｓｐｏ— ｓｉｔｉｏｎ＞ ＜ＲｅａｄＰｉｏｎｔ＞ ＜ｉｄ＞ｕｒｎ：ｄｅｍｏ：ｒｅａｄｐｉｏｎｔ：０１２＜／ｉｄ＞ ＜／ＲｅａｄＰｉｏｎｔ＞ ＜ＢｉｚＬｏｃａｔｉｏｎ＞ ＜ｉｄ＞ｔｉｍ：ｄｅｍｏ：ｂｉｚｌ：ｗｏｒｋｓｈｏｐ：００２＜／ｉｄ＞ ＜／ＢｉｚＬｏｃａｔｉｏｎ＞ ＜／ＡｇｇｒｅｇａｔｉｏｎＥｖｅｎｔ＞ 其中，装配体的聚合事件聚合前的ＥＰＣ编码分 别为Ｎ１和Ｎ２，聚合后为ＮＸ；ａｃｔｉｏｎ是增加标签；业 务步骤是穿销（ｐｉｎ）；配置信息为人库（ｓｔｏｒａｇｅ）；读 写器编码为０１２；业务位置为００２车间． ２．４实时信息采集系统 实时信息采集系统是ＷＩＰ管理系统中一个非 常重要的部分，它不仅需要实现生产现场信息的实 的车间应用服务器建立通信，最终实现车间层的实 时信息采集． 车间应用服务器采用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ－ＤＰ协议，通过 ＰＬＣ３００与各分站进行通信．总控台和各控制单元上 装有橙、红、绿三种颜色的指示灯，指示灯的状态为 系统当前的状态：１）红灯闪烁，表示复位完成状态 或者是停止状态；２）橙色灯长亮，表示系统处于复 位状态中；３）橙色灯闪烁，橙色灯是报警灯，当系统 存在故障时会闪烁；４）绿色灯闪烁，表示系统运行 状态正常． 该系统可通过操作触摸屏面板进行控制，同时 可通过触摸屏及工控机进行监测．在联机状态下还可 以通过触摸屏中“手动控制”对各个从站进行控制． ２．５ ＷＩＰ的可视可追溯管理 以管理和控制ＳＯｓ在车间的物流和信息流为目 的的ＷＩＰ实时可视可追溯系统如图４所示．此系统 有四个关键部分． １）基于ＳＯｓ的可视可追溯模型的建立．从生产 车间获得的ＳＯｓ实时数据是一切车间层事件信息 源．通过读写器实时读取它们在不同工位上的信 息，利用它们相对位置与逻辑关系的相互作用，达 到实时监控的目的． ２）ＳＯｓ信息增值服务．作为与上层连接和管理 所有ＳＯｓ的信息服务，它把车间层的实时生产数据 用ＸＭＬ标准格式进行语义封装．首先对无关数据和 重复数据进行删除处理，然后根据事件间的业务逻 辑关系分类合并形成复杂事件，最后再把这些数据 结构相对简单的有用信息传输给上层系统． ３）可视化服务．对复杂事件统计并根据业务逻 辑归类、统计，进行图形化、表格化等可视化处理， 以图表的形式通过网页发布． ４）决策．生产管理人员或上层领导者可通过 ＷＭＳ发布的生产现场图表信息，根据订单需求和车 间生产状态做出决策，如重新排产、调度等．
