劉明周，王小巧，張銘鑫，劉從虎

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

隨著市場競爭的日益加劇和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，多品種小批量的混流裝配生產(chǎn)成為企業(yè)快速響應(yīng)客戶多樣化和個(gè)性化需求的一種有效手段?；炝餮b配線（Mixed Model Assembly Line，MMAL）是一種在同一條生產(chǎn)線上混合連續(xù)地生產(chǎn)不同型號產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，既能提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大產(chǎn)能，又能滿足多品種多規(guī)格的裝配需求，具有一定的靈活性和適應(yīng)性，同時(shí)也加大了準(zhǔn)時(shí)制物料配送的難度。首先，混流裝配過程中待配送零部件的數(shù)量和種類繁多、配送周期短、批次切換頻繁；其次，有限的線邊物料庫存、較快的裝配節(jié)拍、動(dòng)態(tài)變化的設(shè)備運(yùn)輸能力、多樣化的配送路徑等約束，制約著動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制物料配送。物聯(lián)制造［1］、云制造［2］等為實(shí)現(xiàn)裝配過程的透明化、智能化控制提供了可能，其中車間內(nèi)的準(zhǔn)時(shí)制物料配送是其研究的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性裝配的基礎(chǔ)。無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的應(yīng)用為其實(shí)現(xiàn)提供了可能［3-5］，并在制造車間物料配送和外部物料流控制等方面得到了應(yīng)用［6-7］。

如何將準(zhǔn)確的零部件以準(zhǔn)確的數(shù)量在準(zhǔn)確的時(shí)間送到準(zhǔn)確的裝配工位，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究。Qu等研究了RFID 在某大型空調(diào)廠復(fù)雜裝配線物料配送管理中的應(yīng)用，建立了實(shí)時(shí)的可視化裝配線監(jiān)控系統(tǒng)［8］。Harry 等構(gòu)建了基于RFID 的多代理知識(shí)系統(tǒng)框架，結(jié)合RFID 和多代理技術(shù)（Multi Agent，MA）提升物料配送的組織能力［9］。Poon等利用RFID 技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)線和倉庫，通過遺傳算法制定一個(gè)可行的多品種小批量物料配送解決方案，并給出物料配送路徑優(yōu)化算法［10-11］。Chow 等基于RFID 和案件的推理技術(shù)，構(gòu)建模型并實(shí)現(xiàn)了配送路徑的優(yōu)化［12］。Brintrup等將RFID 部署在制造車間的倉庫、員工、設(shè)備和在制品上，以此實(shí)時(shí)捕獲與他們相關(guān)的狀態(tài)及關(guān)鍵數(shù)據(jù)，利用狀態(tài)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行物料的實(shí)時(shí)拉動(dòng)，提高了制造車間的實(shí)時(shí)物料配送水平［13-16］。曹振新等研究了混流裝配線準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)環(huán)境下物料配送的物料拉動(dòng)系統(tǒng)和看板運(yùn)作流程，構(gòu)建了基于總線的物料按燈（ANDON）系統(tǒng)，提出了物料斷點(diǎn)的概念并建立了實(shí)施流程［17］。譚杰等利用RFID 技術(shù)構(gòu)建了生產(chǎn)線物料監(jiān)控系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的總體軟硬件架構(gòu)體系［18］。葛茂根等綜合考慮物料運(yùn)輸成本、物料運(yùn)輸時(shí)間、線旁庫存，建立了多目標(biāo)的機(jī)械產(chǎn)品總裝過程的準(zhǔn)時(shí)制物料配送模型［19］。蔣麗等以總配送時(shí)間最小為目標(biāo)，建立了車間配送優(yōu)化調(diào)度模型，采用遺傳算法進(jìn)行了優(yōu)化求解［20］。李晉航等研究了混流裝配線的準(zhǔn)時(shí)制物料配送，建立了模糊信息條件下的機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)了配送路徑的優(yōu)化［21］。

上述研究大多集中在模糊的、周期性的、固定式的物料配送，而MMAL 的實(shí)際生產(chǎn)中存在著大量不確定性因素，如：生產(chǎn)計(jì)劃的變動(dòng)、生產(chǎn)節(jié)拍的波動(dòng)、線邊庫存及物料需求和需求時(shí)間的不確定等，針對不確定環(huán)境下的混流裝配線動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制物料配送的研究較少。智能化的物料配送是智能制造的核心技術(shù)之一，物料配送的準(zhǔn)時(shí)性直接影響了裝配系統(tǒng)的裝配效率、裝配周期、交貨周期等評價(jià)指標(biāo)，鑒于此，本文提出一種基于RFID 的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制混流裝配線物料配送系統(tǒng)及控制方法。研究了物料分類，針對不同類型的物料采用不同的配送方式；在闡述混流裝配線物料配送中不確定問題的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于RFID 的物料配送體系架構(gòu)；實(shí)現(xiàn)了裝配過程中的在制品可視化跟蹤、生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)時(shí)監(jiān)控、線邊庫存動(dòng)態(tài)預(yù)警等，闡述了物料配送運(yùn)算模型，并建立了物料配送系統(tǒng)的軟件和硬件架構(gòu)。最后以某公司的1.5TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線為例，應(yīng)用Java平臺(tái)企業(yè)版（Java 2platform Enterprise Edition，J2EE）架構(gòu)開發(fā)了基于RFID 技術(shù)的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制物料配送系統(tǒng)（Real-Time Material Distribution ANDON System，RT-MDAS），減少了物料配送過程中的不確定性，優(yōu)化了物料配送流程，實(shí)現(xiàn)了物料配送管理和控制的一體化和可視化，降低了物料配送成本，驗(yàn)證了RT-MDAS的可行性和有效性。

1 物料分類及物料配送問題分析

1.1 物料分類

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制物料配送，根據(jù)物料特點(diǎn)將物料分為看板件、臺(tái)套件、排序件等三類，并定義了物料的裝載器具、安全庫存、最大庫存、配送車輛等信息。

（1）看板件 是指要料數(shù)量不參照生產(chǎn)計(jì)劃，只規(guī)定安全庫存及最大庫存，當(dāng)實(shí)際庫存量低于安全庫存時(shí)要料，將庫存數(shù)量補(bǔ)充至最大庫存的一類零部件。看板件多為用量較大、體積較小且價(jià)值較低的零部件，大部分標(biāo)準(zhǔn)件及部分墊片、密封圈等系統(tǒng)監(jiān)控物料庫存，當(dāng)?shù)陀诎踩珟齑鏁r(shí)，發(fā)出物料短缺預(yù)警，拉動(dòng)物料配送。

（2）臺(tái)套件 要求物流公司一次性將下個(gè)工作日生產(chǎn)所需求的全部物料配送至當(dāng)日庫的一類零部件。臺(tái)套件多為一些易于清點(diǎn)，體積適中的零部件，多使用料盒配送。可根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及實(shí)時(shí)裝配狀態(tài)設(shè)置安全庫存，當(dāng)?shù)陀诎踩珟齑鏁r(shí)進(jìn)行物料拉動(dòng)。

（3）排序件 線邊庫存有限，需進(jìn)行多次配送的物料，考慮物料配送路線、線邊庫存量、生產(chǎn)節(jié)拍及配送成本等約束條件，確定物料的安全庫存。當(dāng)?shù)陀诎踩珟齑鏁r(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)出物料短缺預(yù)警，啟動(dòng)配送流程。庫區(qū)LED 顯示的信息主要包括要料工位、零件、需求量、容器、配送責(zé)任人、物料組號和時(shí)間約束等。

1.2 不確定環(huán)境下物料配送問題分析

RT-MDAS的目標(biāo)是保證物料在準(zhǔn)確的時(shí)間，以準(zhǔn)確的類型和數(shù)量高效地配送至準(zhǔn)確的工位。為滿足物料配送目標(biāo)，配送過程需綜合考慮以下不確定因素的影響：

（1）生產(chǎn)計(jì)劃變動(dòng) 指在裝配過程中由于各種不可預(yù)知的因素導(dǎo)致的生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整，使當(dāng)前的生產(chǎn)計(jì)劃與預(yù)期的計(jì)劃產(chǎn)生差異，如緊急插單、裝配順序調(diào)整、線體或設(shè)備故障停線、零部件缺陷等因素，影響配送物料的順序和數(shù)量等參數(shù)。

（2）線邊物料庫存不確定性 線邊庫是指工位兩側(cè)存放物料的料箱和料架，隨著產(chǎn)品裝配過程的進(jìn)行，物料消耗、缺陷、遺失和裝配失效等因素會(huì)造成物料庫存的變化，因此線邊物料庫存具有較大的不確定性，從而影響物料配送的準(zhǔn)確性。

（3）生產(chǎn)節(jié)拍波動(dòng) 裝配不合格品、生產(chǎn)瓶頸的漂移、裝配員工的裝配水平不一致、外部環(huán)境等因素會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍的波動(dòng)，因此物料預(yù)約到達(dá)時(shí)間具有較大的不確定性。

（4）物料需求不確定性 指在裝配過程中由于品種的切換、生產(chǎn)計(jì)劃的變動(dòng)、線邊庫存不確定、裝配不合格下線等因素，導(dǎo)致各工位需要的物料類型和數(shù)量具有較大的不確定性，因此很難按照固定的計(jì)劃或周期配送。

2 RT-MDAS系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 RT-MDAS系統(tǒng)物料配送體系架構(gòu)

鑒于上述物料配送問題的分析，設(shè)計(jì)了如圖1所示的RT-MDAS 體系架構(gòu)，主要包括工廠建模、裝配過程監(jiān)控、物料呼叫、配送方案運(yùn)算模型、當(dāng)日庫區(qū)管理、外部物料拉動(dòng)六個(gè)部分。其中：

（1）工廠建模是RT-MDAS 的基礎(chǔ)模塊，主要完成總成裝配線與分總成裝配線定義、產(chǎn)品物料清單（Bill of Material，BOM）定義、工位裝配BOM 配置、線邊庫配置、工藝路線配置、動(dòng)態(tài)預(yù)警配置、計(jì)劃監(jiān)控配置、物料消耗配置、在制品跟蹤配置等功能。

（2）裝配過程監(jiān)控是基于工廠建模和RFID 技術(shù)完成對裝配過程的可視化跟蹤與監(jiān)控。產(chǎn)品上線時(shí)通過RFID 讀寫器將關(guān)鍵信息寫入標(biāo)簽（TAG）；當(dāng)TAG 跟隨產(chǎn)品在裝配線流轉(zhuǎn)時(shí)，完成對產(chǎn)品的隊(duì)列跟蹤、定位、關(guān)鍵信息的獲取、線邊庫存消耗、訂單實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算等功能。

（3）物料呼叫主要是完成動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制物料組合呼叫和配送。當(dāng)線邊庫存物料低于安全庫存時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)工位的物料需求請求信號，通過聲光報(bào)警燈、LED 等硬件提示倉儲(chǔ)員工裝配線的物料需求；同時(shí)，系統(tǒng)支持操作員工手動(dòng)觸發(fā)物料呼叫信號。

（4）配送方案運(yùn)算模型是由物料配送處理器根據(jù)物料呼叫信號計(jì)算出呼叫工位的物料需求信息，同時(shí)根據(jù)工廠建模配置的物料配送方式、實(shí)時(shí)的生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)計(jì)劃、線邊庫存等信息綜合計(jì)算物料配送方案，并將物料配送方案發(fā)送至物料庫存區(qū)。

（5）當(dāng)日庫區(qū)管理主要是對物料的入庫、出庫、揀料、盤點(diǎn)等進(jìn)行管理。當(dāng)日庫區(qū)接收物料配送方案，打印物料配送方案單并進(jìn)行揀料。完成揀料后，配送人員將物料關(guān)鍵信息寫入器具TAG。出庫時(shí)制定物料的出庫單據(jù)，審核單據(jù)成功后對線邊庫存物料數(shù)量等信息進(jìn)行更新。

（6）外部物料拉動(dòng)主要是根據(jù)當(dāng)日庫區(qū)定義的物料的安全庫存、最大庫存、生產(chǎn)計(jì)劃等信息計(jì)算出各種物料的需求，并將需求信息傳達(dá)至上游物料配送單位，配送單位根據(jù)物料需求組織物料的配送。

2.2 RT-MDAS的硬件和軟件架構(gòu)

2.2.1 RT-MDAS系統(tǒng)硬件架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)RT-MDAS系統(tǒng)運(yùn)行體系架構(gòu)的各項(xiàng)功能，圖2 闡述了RT-MDAS系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)處理層、智能控制層、物料呼叫層和物料配送層等。

RT-MDAS系統(tǒng)的硬件布局是一個(gè)典型的分布式控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)布置主要分為兩層：①基于TCP／IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)層，將RT-MDAS 數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、發(fā)布終端、可視化監(jiān)控端、歷史信息查詢及報(bào)表客戶端、現(xiàn)場操作終端、LED、當(dāng)日庫區(qū)LED、當(dāng)日庫區(qū)工控機(jī)、掃描槍等硬件設(shè)備連為一體，并將其與底層主控器連接，實(shí)現(xiàn)上層客戶端與底層控制設(shè)備的通訊，可以快速、方便、靈活地從底層設(shè)備中獲取呼叫信息；②基于profibus DP 總線的工業(yè)現(xiàn)場控制層，采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為主控制器來收集和處理物料呼叫信息，通過總線控制遠(yuǎn)程控制器、I／O 模塊、音樂盒、物料呼叫按鈕、聲光報(bào)警燈、人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）、RFID 讀寫器等裝配線底層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備的信息互聯(lián)與共享，保證系統(tǒng)可以穩(wěn)定、安全、快速地收集和控制各種實(shí)時(shí)信息。

2.2.2 RT-MDAS系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖3構(gòu)建了RT-MDAS運(yùn)行的軟件架構(gòu)，主要包括服務(wù)層、接口層、車間應(yīng)用層、執(zhí)行層、感知層、裝配線、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)發(fā)布中心。RTMDAS是客戶機(jī)／服務(wù)器（Client／Server，C／S）和瀏覽器／服務(wù)器（Browser／Server，B／S）模式結(jié)合的系統(tǒng)，具備對實(shí)時(shí)信息的高效處理和歷史信息的遠(yuǎn)程發(fā)布功能。

（1）服務(wù)層 企業(yè)的各種應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對企業(yè)的輔助管理，如企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Process，ERP）制定企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃、供應(yīng)鏈管理（Supply Chain Management，SCM）管理企業(yè)供應(yīng)鏈及物料、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Com-puter Aided Process Planning，CAPP）輔助制定裝配工藝等。

（2）接口層 將企業(yè)中的服務(wù)信息按照一定的格式接入RT-MDAS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)層與車間應(yīng)用層的無縫銜接，如生產(chǎn)計(jì)劃、BOM 信息、工藝信息等。

（3）車間應(yīng)用層 RT-MDAS 系統(tǒng)運(yùn) 行的支撐，具有工廠建模、生產(chǎn)計(jì)劃管理、當(dāng)日庫管理、物料監(jiān)控配置、物料呼叫配置、歷史信息統(tǒng)計(jì)分析等功能模塊，可為RT-MDAS系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（4）執(zhí)行層 實(shí)現(xiàn)RT-MDAS系統(tǒng)功能的實(shí)際執(zhí)行，包括裝配過程可視化監(jiān)控和物料配送。裝配過程可視化監(jiān)控主要完成裝配隊(duì)列跟蹤、在制品定位、物料消耗、線邊庫監(jiān)控、生產(chǎn)計(jì)劃監(jiān)控、生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算等功能；物料配送主要包括打印揀料單、編輯器具TAG、制定出庫單據(jù)、審核出庫等功能。

（5）感知層 通過各種軟硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的對裝配線各種數(shù)據(jù)的感知與處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳送至執(zhí)行層。

（6）裝配線層 主要執(zhí)行產(chǎn)品裝配，主要包括PLC、RFID、TAG、二維碼、掃描槍 等硬件，RTMDAS系統(tǒng)結(jié)合相關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品裝配過程各類信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可為動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制物料配送提供數(shù)據(jù)支持。

（7）數(shù)據(jù)處理中心 構(gòu)建了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫用于裝配過程、物料配送過程等實(shí)時(shí)信息的處理；歷史數(shù)據(jù)庫提供對系統(tǒng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)發(fā)布及報(bào)表輸出等。

（8）數(shù)據(jù)發(fā)布中心 遠(yuǎn)程發(fā)布RT-MDAS系統(tǒng)收集和處理后的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢索分析裝配車間各種實(shí)時(shí)和歷史信息，并具有統(tǒng)計(jì)分析與報(bào)表輸出等功能。

3 RT-MDAS系統(tǒng)的關(guān)鍵使能技術(shù)

3.1 RFID的應(yīng)用架構(gòu)與標(biāo)簽內(nèi)容的定義

RFID 讀寫控制單元主要完成配送物料裝載器具、總成裝配體和分總成裝配體三種對象的TAG 讀寫操作，其結(jié)構(gòu)及內(nèi)容定義如圖4 所示。配送物料裝載對象的TAG 用于物料出庫操作和配送過程，主要包括配送器具ID、人員ID、裝載的物料ID 及預(yù)約工位ID 等信息?？偝裳b配對象的TAG 用于實(shí)現(xiàn)在制品的可視化跟蹤、線邊庫存動(dòng)態(tài)預(yù)警等功能，可為物料配送方案運(yùn)算提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，主要包括標(biāo)簽ID、線體ID、總成品ID、工藝路線ID、訂單ID 以及柔性存儲(chǔ)空間中的工位ID、物料ID等。分總成裝配對象與總成裝配對象的TAG 定義類似，其不同點(diǎn)是分總成裝配對象的TAG中包含總成品ID，其他內(nèi)容此處不再闡述。

制定物料出庫單后，利用RFID 讀寫器將裝載容器、操作員工、預(yù)約物料以及物料預(yù)約工位等信息寫入TAG，同時(shí)建立物料出庫檔案。當(dāng)物料運(yùn)送至預(yù)約工位時(shí)，將信息傳至服務(wù)器進(jìn)行線邊庫存處理?？偝缮暇€時(shí)初始化TAG，利用RFID 讀寫器將線體、產(chǎn)品、工藝、訂單、人員、當(dāng)前工位等信息寫入TAG，同時(shí)將上線的產(chǎn)品身份信息傳送至各分總成裝配線，分總成信息與總成信息同步。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入有物料消耗的工位時(shí)，RFID 讀出產(chǎn)品身份、產(chǎn)品類型、訂單等信息，員工裝配零部件，裝配完成后將工位編號和名稱、裝配的零部件、操作員工等信息寫入TAG，更新產(chǎn)品狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在制品的定位、跟蹤、過程信息的記錄等，同時(shí)消耗線邊庫存物料，完成對線邊庫存的動(dòng)態(tài)預(yù)警功能。

3.2 基于RFID 技術(shù)的裝配過程監(jiān)控

基于RFID 技術(shù)的裝配過程監(jiān)控主要包括在制品可視化跟蹤、生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)時(shí)監(jiān)控、線邊庫存動(dòng)態(tài)預(yù)警等。

（1）在制品可視化跟蹤 是基于RFID 技術(shù)實(shí)時(shí)獲得在制品位置、在制品關(guān)鍵信息、裝配隊(duì)列等信息，如圖5所示。當(dāng)總成或分總成進(jìn)入RFID 讀寫器的讀寫范圍時(shí)，RFID 讀寫器感知TAG 中的信息，并將信息存儲(chǔ)至裝配線裝配過程監(jiān)控PLC，即APM-PLC（assembly process monitoring PLC）的數(shù)據(jù)交互（Data Block，DB）塊中。第i＋1 個(gè)信號控制點(diǎn)觸發(fā)，啟動(dòng)產(chǎn)品位置更新程序，根據(jù)信號控制點(diǎn)地址從工廠建模中檢索出對應(yīng)的工位信息，并將獲得的工位、產(chǎn)品狀態(tài)、操作人員等信息寫入過程＿產(chǎn)品狀態(tài)信息表中，同時(shí)更新裝配隊(duì)列序號。監(jiān)控畫面中實(shí)時(shí)顯示出混流裝配線的生產(chǎn)狀態(tài)、在制品裝配隊(duì)列、在制品所處位置等信息。

（2）生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)時(shí)監(jiān)控 對裝配線未上線產(chǎn)品監(jiān)控、在制品監(jiān)控和已下線產(chǎn)品監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)接收到ERP系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃后進(jìn)行生產(chǎn)排程，將生產(chǎn)排程后的生產(chǎn)計(jì)劃下載至APM-PLC。產(chǎn)品上線時(shí)，通過掃描槍讀取產(chǎn)品類型，并與APM-PLC 中的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行比對，當(dāng)匹配時(shí)，通過RFID 讀寫器將關(guān)鍵信息寫入TAG，更新未上線產(chǎn)品的數(shù)量和已上線產(chǎn)品的數(shù)量，并按照產(chǎn)品類型和順序監(jiān)控生產(chǎn)訂單；當(dāng)不匹配時(shí)，不進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃監(jiān)控的更新操作。

（3）線邊庫存動(dòng)態(tài)預(yù)警 對線邊庫存物料數(shù)量實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)?shù)陀诎踩珟齑鏁r(shí)給出物料短缺預(yù)警，對于線邊庫存物料數(shù)量、安全庫存、最大庫存、物料的配送方式等信息進(jìn)行監(jiān)控。物料消耗、物料入線邊庫、物料遺失、物料缺陷等因素都會(huì)造成線邊庫存物料數(shù)量的改變。如圖6所示，在制品進(jìn)入有物料消耗工位時(shí)，首先，RFID 讀寫器感知TAG 中的產(chǎn)品類型、產(chǎn)品身份、訂單等信息，然后，根據(jù)產(chǎn)品類型獲得制造BOM，按照物料消耗配置，消耗線邊庫存物料，更新線邊庫存信息。在當(dāng)日庫存區(qū)，若物料出庫審核通過，則將出庫的物料信息更新到線邊庫存，對線邊庫存物料進(jìn)行更新操作。在裝配過程中，若檢測出物料缺陷或物料實(shí)際庫存與TAG 中的數(shù)量不符合，則可以操作HMI對線邊庫存進(jìn)行盤點(diǎn)更新，確保線邊庫存監(jiān)控的準(zhǔn)確。

3.3 不確定環(huán)境下物料配送方案運(yùn)算流程

物料配送方案是根據(jù)實(shí)時(shí)裝配過程、工廠建模、線邊庫存等信息綜合計(jì)算獲得的物料需求方案，如圖7所示。根據(jù)物料分類，裝配車間需要進(jìn)行實(shí)時(shí)物料拉動(dòng)的是部分臺(tái)套件和排序件，當(dāng)操作人員啟動(dòng)物料呼叫按鈕（物料ANDON 按鈕）或線邊物料低于安全庫存時(shí)，啟動(dòng)物料配送方案計(jì)算程序，步驟如下：

步驟1 根據(jù)物料呼叫信號，從數(shù)據(jù)庫中獲取配置的組合物料配送信號Andon1，Andon2，…，Andonn，對各個(gè)物料配送信號進(jìn)行處理。

步驟2 獲取Andoni（i=1，2，…，n）拉動(dòng)的物料類型m1，m2，…，mi，由此得出配送的物料組M（m1，m2，…，mq），從數(shù)據(jù)庫中檢索出每種物料配送的載體信息mi（ci，cci，cqi）（i=1，2，…，q），ci表示裝載物料的容器類型，cci表示裝載體的容量，cqi表示裝載體的數(shù)量；因此每種物料每次標(biāo)準(zhǔn)配送量為mi（cci×cqi），物料組M的配送量為S（cc1×cq1，cc2×cq2，…，ccq×cqq）。

步驟3 根據(jù)Andoni（i=1，2，…，n）獲得需要物料拉動(dòng)的工位組W（W1，W2，…，Wk）。

步驟4 依據(jù)步驟2和步驟3，從數(shù)據(jù)庫中檢索出物料組M中的每種物料在每一工位消耗量為Uk（mm1，mu2，…，muq）。

步驟5 依據(jù)步驟2和步驟3，從數(shù)據(jù)庫中檢索出物料組M中的每種物料當(dāng)前的線邊庫存數(shù)量組Lk（mk1，mk2，…，mkp）。

步驟6 為達(dá)到物料配送的準(zhǔn)確，需獲得當(dāng)天生產(chǎn)計(jì)劃、未上線產(chǎn)品隊(duì)列、在制品產(chǎn)品類型組P（P1，P2，…，Pm）等信息；根據(jù)產(chǎn)品類型組計(jì)算出剩余需要裝配的產(chǎn)品數(shù)量，主要包括未經(jīng)過Wk工位裝配的產(chǎn)品Pm、在制品數(shù)量Pk1和未上線產(chǎn)品Pm的數(shù)量Pk2；由此得出工位組W（W1，W2，…，Wk）中每一工位對應(yīng)的待裝配產(chǎn)品Pm的數(shù)量為Pm（p11＋p12，p21＋p22，…，pk1＋pk2）。

步驟7 根據(jù)計(jì)劃監(jiān)控獲得t時(shí)間內(nèi)下線產(chǎn)品數(shù)量Cq，則當(dāng)前生產(chǎn)節(jié)拍T=Cq／t；根據(jù)線邊庫物料剩余數(shù)量得出物料需求的到達(dá)時(shí)間Tr=T×L（m1，m2，…，mn）。

步驟8 聯(lián)合步驟4～步驟6，計(jì)算出物料組M（m1，m2，…，mq）對應(yīng)的實(shí)際需求量Q=R（（P1，P2，…，Pm）×（U1，U2，…，Uk）T-L）。

步驟9 將步驟8 中算出的實(shí)際需要拉動(dòng)的物料數(shù)量Q與步驟2 得出的物料組的標(biāo)準(zhǔn)配送量S進(jìn)行比較，若Q≥S，則按照標(biāo)準(zhǔn)配送方式進(jìn)行物料配送；若0＜Q＜S，則出庫時(shí)按實(shí)際的物料需求進(jìn)行物料配送；若Q≤0，則不進(jìn)行處理。根據(jù)物料配送數(shù)量Q、預(yù)約時(shí)間Tr以及配送約束得出物料組合配送方案，生成揀料單并發(fā)送至當(dāng)日庫存區(qū)。

4 應(yīng)用案例

4.1 企業(yè)需求分析

以某汽車企業(yè)的1.5TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線為例，驗(yàn)證了RT-MDAS系統(tǒng)。該線體是典型的混流裝配線，設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍為42s／臺(tái)，雙班年產(chǎn)量30 萬臺(tái)／年。缸體在總裝線流轉(zhuǎn)中需經(jīng)過裝配、檢測和輔助動(dòng)作等共109 個(gè)工位，另外還有缸蓋、活塞連桿、曲軸、熱試等分裝線?？偝珊头挚偝晒?2 個(gè)工位具有排序件物料需要實(shí)時(shí)拉動(dòng)，涉及68種類型物料?；旌涎b配、配送工位分散、物料種類多、生產(chǎn)節(jié)拍快等因素加大了物料配送的難度。

4.2 RT-MDAS系統(tǒng)運(yùn)行的可視化操作流程

根據(jù)上文對RT-MDAS的物料配送系統(tǒng)的研究，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于RFID 的RT-MDAS系統(tǒng)。RT-MDAS是基于面向服務(wù)架構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）的系統(tǒng)，SOA 為解決企業(yè)的集成、跨平臺(tái)和擴(kuò)展性提供了可能，并利用J2EE技術(shù)開發(fā)。

如圖8所示為RT-MDAS系統(tǒng)運(yùn)行的可視化操作流程，主要包括生產(chǎn)計(jì)劃排程、裝配過程監(jiān)控和物料配送三個(gè)部分。運(yùn)行流程圖展示了從產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃的制定、執(zhí)行，到產(chǎn)品裝配過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合生產(chǎn)計(jì)劃及裝配過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)時(shí)制的物料配送的過程。具體步驟如下：

步驟1 由生產(chǎn)計(jì)劃部門的生產(chǎn)管理者制定公司總的生產(chǎn)計(jì)劃信息。生產(chǎn)管理者根據(jù)當(dāng)前市場訂單、市場預(yù)測、裝配線生產(chǎn)狀態(tài)、產(chǎn)品庫存量、物料庫存量等信息制定出合理的生產(chǎn)計(jì)劃，并將制定的生產(chǎn)訂單下發(fā)至生產(chǎn)車間。

步驟2 由生產(chǎn)車間的現(xiàn)場計(jì)劃制定者制定生產(chǎn)排程。根據(jù)訂單的緊急情況、裝配線的平衡、設(shè)備的運(yùn)行狀況、物料配送的情況、分總成裝配線與總成裝配線的同步等信息，制定出適合車間的生產(chǎn)排程。

步驟3 由生產(chǎn)車間的現(xiàn)場計(jì)劃制定者進(jìn)行計(jì)劃下載。為了保證生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性，將制定的計(jì)劃依次下載至APM-PLC的交互DB，由APM-PLC控制產(chǎn)品的實(shí)時(shí)生產(chǎn)上線和計(jì)劃的監(jiān)控。當(dāng)有緊急插單、設(shè)備異常等原因造成計(jì)劃變更時(shí)，鎖定總成和分總成裝配線的計(jì)劃。進(jìn)入步驟2，重新排程后下載至APM-PLC，下載成功后解除計(jì)劃的鎖定。

步驟4 由上線工位的現(xiàn)場操作員工初始化TAG。上線工位是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程監(jiān)控、計(jì)劃監(jiān)控、物料配送方案運(yùn)算的源頭，因此要作為關(guān)鍵工位進(jìn)行控制。缸體上線完成后將缸體信息、訂單信息、工藝路線信息、人員信息等通過RFID 讀寫器寫入TAG，同時(shí)更新APM-PLC 和服務(wù)器的裝配隊(duì)列、生產(chǎn)計(jì)劃、上線數(shù)量以及產(chǎn)品位置等信息。

步驟5 由其他工位的現(xiàn)場操作員工根據(jù)HMI指導(dǎo)零部件裝配、監(jiān)控線邊庫存。在制品進(jìn)入裝配區(qū)域，RFID 讀寫器感知TAG 中的缸體二維碼dpm＿code、產(chǎn)品出生證pro＿code、工藝路線route、生產(chǎn)訂單order＿code等信息，并更新產(chǎn)品所在工位，實(shí)現(xiàn)在制品跟蹤。操作員工根據(jù)HMI指示裝配零部件，掃碼記錄產(chǎn)品裝配的零部件信息，根據(jù)裝配BOM 消耗工位相應(yīng)的物料線邊庫存。實(shí)時(shí)監(jiān)測線邊庫存，若線邊庫存量低于安全庫存，則啟動(dòng)物料拉動(dòng)預(yù)警，并計(jì)算物料配送方案，計(jì)算過程見3.3 節(jié)，并將配送方案發(fā)送至當(dāng)日庫存區(qū)。

步驟6 由下線工位的現(xiàn)場操作員工更新計(jì)劃及在制品信息。下線工位是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程控制的關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)托盤進(jìn)入下線工位時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中的關(guān)鍵信息顯示至HMI。然后吊裝至熱試線，并將總成裝配線TAG 信息寫入熱試線TAG 中，同時(shí)更新計(jì)劃、下線數(shù)量、在制品隊(duì)列等信息。

步驟7 由當(dāng)日庫庫存區(qū)的揀料員檢索出各工位的物料需求及配送方案，打印揀料單。

當(dāng)步驟5中進(jìn)行物料呼叫時(shí)，當(dāng)日庫存區(qū)的揀料員會(huì)收到物料請求信號，在當(dāng)日庫存區(qū)PC中檢索出各工位的物料需求及配送方案，打印揀料單，進(jìn)行揀料操作。

步驟8 揀料員根據(jù)揀料單進(jìn)行揀料，將單據(jù)中預(yù)約的物料裝載至托盤或容器中，并送至物料出庫緩沖區(qū)，同時(shí)將關(guān)鍵的物料配送信息通過手持式RFID 讀寫器寫入TAG。

步驟9 由當(dāng)日庫存區(qū)的揀料員制定出庫單據(jù)。物料進(jìn)入緩沖區(qū)后，揀料員根據(jù)揀料結(jié)果及揀料單在PC 中制定出物料的出庫單據(jù)，明確出庫的物料、物料的預(yù)約工位、預(yù)約數(shù)量等信息。

步驟10 由當(dāng)日庫存區(qū)的倉庫保管員審核物料出庫單據(jù)。當(dāng)緩沖區(qū)物料進(jìn)入出庫點(diǎn)時(shí)，庫區(qū)保管員進(jìn)行物料出庫單據(jù)的審核，審核通過后，根據(jù)配送的物料信息來更新目標(biāo)工位的線邊庫存信息。

步驟11 由物料配送員將物料運(yùn)輸至工位。物料審核出庫后由物料配送員根據(jù)物料配送方案將組合配送的物料配送至預(yù)約工位，物料配送至現(xiàn)場后解除物料呼叫請求，系統(tǒng)自動(dòng)記錄物料呼叫持續(xù)時(shí)間、工位、人員等信息。

步驟12 由物料入庫管理員制定入庫單據(jù)。當(dāng)有物料需要進(jìn)行入庫操作時(shí)，物料入庫管理員根據(jù)入庫的物料制定入庫單據(jù)，入庫操作完成后，更新物料在當(dāng)日庫中的庫存數(shù)量信息。

4.3 RT-MDAS運(yùn)行效果對比分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線于2012 年開始實(shí)施RTMDAS系統(tǒng)，詳細(xì)分析了2011、2012 和2013 三年的物料配送歷史數(shù)據(jù)。如表1 所示，雖然裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)類型增加了三種，配送車輛卻減少了一輛，配送車輛利用率和配送可靠率分別提高了27.6%和24.9%，效率的提高帶來的是產(chǎn)能的提升，平均每天裝配發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量和物料配送次數(shù)分別增加了138 臺(tái)和49 次，但平均每天物料配送成本卻降低了38.5%。從分析可以看出RTMDAS系統(tǒng)的應(yīng)用給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，隨著系統(tǒng)實(shí)施的不斷深入，物料配送過程會(huì)得到進(jìn)一步改善，并可以將RT-MDAS系統(tǒng)應(yīng)用到其他裝配工位的物料拉動(dòng)中。

表1 RT-MDAS系統(tǒng)運(yùn)行效果對比分析

5 結(jié)束語

本文在分析混流裝配線物料配送的不確定性基礎(chǔ)上，構(gòu)建了RT-MDAS的體系架構(gòu)，闡述了其硬件和軟件結(jié)構(gòu)，通過硬件組態(tài)和軟件配置實(shí)現(xiàn)組合式物料配送，從而提高了物料配送的效率。闡述了RTMDAS系統(tǒng)的關(guān)鍵使能技術(shù)，包括RFID 技術(shù)、在制品可視化跟蹤、生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)時(shí)監(jiān)控、線邊庫存動(dòng)態(tài)預(yù)警、物料配送方案運(yùn)算流程等。以實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。RT-MDAS可以推廣應(yīng)用于變速箱裝配、汽車整車裝配、再制造等領(lǐng)域。構(gòu)建的RT-MDAS系統(tǒng)及體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了呼叫響應(yīng)及時(shí)、揀料快速準(zhǔn)確、配送準(zhǔn)確及時(shí)，但對于相關(guān)問題還有待進(jìn)一步研究，如智能料箱料架、智能輔助揀選系統(tǒng)、配送路徑優(yōu)化、低碳配送、車間內(nèi)外物流同步拉動(dòng)等。

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