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RFID在汽車領域應用

1 引言

隨著市場競爭的日趨激烈,中國的汽車工業得到了長足的發展。為了提高汽車生產線管理水平,制造出更多更好的汽車,汽車生產過程中的信息采集、信息利用以及現場目標產品的控制和跟蹤變得越來越重要。在傳統的制造生產中,通常是通過手工在生產管理文件上記錄產品的生產過程信息,然后再統一錄入到計算機中,無法實現實時的有效控制,并且信息利用率也非常低。近年來隨著芯片技術、無線技術以及計算機網絡技術的不斷發展,RFID技術開始大規模地占領市場,發揮著越來越重要的作用。由于RFID技術具有非接觸讀寫、準確度高、可靠性強、環境耐久性等優點西,將RFID技術與現有的生產線管理執行系統相結合,能為執行系統提供快捷可靠的數據信息,有效提高汽車生產線的管理水平。

2 RFID技術及其應用優勢

RFID(Radio Fhquency Identmcation,射頻識別)技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。—個典型的RFID系統主要由射頻標簽、讀寫器、天線和應用軟件系統四部分組成。多數國內汽車企業對于生產線上的信息采集是利用條形碼,但由于條形碼固有的—些缺點,其應用于生產線存在著一定的局限性:例如,條形碼所能承載的信息容量非常有限;讀取數據時必須將條碼對準掃描儀才有效;如果印有條碼的橫條被撕裂、污損或脫落就無法掃描商品;在生產過程中需要大量的人工操作,容易出現漏掃或人為失誤;RFID技術是條碼技術的發展和完善,在生產中能夠彌補條碼的上述缺點,具體表現在:RFID能夠滿足較大的數據記憶容量;可以實現無接觸無屏障地交換數據,識別對象信息;射頻標簽可以在高溫環境或粉塵環境下工作且使用壽命長,并可循環使用;與傳統的識別技術比較,無需人工操作,可實現完全自動化控制。

3 RFID技術在汽車生產線上的需求分析

目前,大多數國內汽車企業都采用了JIT(Just IN Time,準時化)的生產模式,這對汽車生產線的現場管理和對生產計劃的有效執行提出了更高的要求。由于很多汽車生產線上仍然采用條碼技術采集信息,車間管理者和企業高層管理人員不能夠及時、透明地了解生產線上的實際生產進度,導致實際生產常常不能完全符合生產計劃的要求。尤其是在混線生產的生產線上,對于特殊的生產訂單,如實驗測試車輛、用戶特殊需求車輛等,跟蹤管理不及時就很容易出現零部件的錯裝、漏裝,嚴重影響車輛的一次下線合格率,導致生產計劃不能按時完成。

隨著汽車產品型號的急劇增加,產品配置越來越復雜,為了在JIT的生產模式下,通過信息化的手段改善生產線的管理水平,汽車生產線需要引入RFID技術,具體表現在如下幾個方面:(1)生產線實時化管理的需要:RFID作為一種先進的數據采集及識別技術,能為制造執行系統及時提供生產線的數據信息,幫助管理層及時做出相應的計劃調整和生產安排,提高生產線的計劃執行能力。(2)生產線靈活性管理的需要:利用RFID技術隨時定位生產線上特殊車輛的位置,并了解車輛的裝配情況和完成進度,可以有效防止裝配錯誤,并加快管理層處理異常事件的響應速度。(3)生產線裝配標準化的需要:標準化作業是JIT管理模式的具體要求之一,運用RFID技術能實現生產裝配過程的可視化,從而保證作業人員進行標準化操作,提高汽車成品的一次下線合格率。(4)生產線物料動態配送的需要:利用RFlD技術可以方便地采集到生產線上物料的實時消耗信息,零部件供應人員就可根據現場物料的消耗進度,實現及時準確的備料和送料,既能保證生產線的供應,又能避免生產線在制品的大量堆積。

4 應用于汽車生產線的RFID技術參數的選擇

4.1 工作頻率選擇

RFID系統的工作頻率是其最基本的技術參數之一,采用何種工作頻率應根據各個頻率所具有的不同特性進行分析,具體如表1所示一。與此同時,汽車生產線的環境相對復雜,存在金屬車身、工位物料及器具、廠房立柱等物體,會產生電磁波屏蔽現象,影響到標簽讀取的可靠性,以及考慮到生產線上各工序分布較長、生產線操作為流水作業等影響因素,選擇超高頻(862(902)MHz~928MHz)作為生產線在線信息獲取、車輛識別跟蹤的射頻載波頻率,并選擇高頻(13.56MHz)作為線邊物料消耗信息獲取、工位物料狀態跟蹤的射頻載波頻率。

表1 不同頻率的工作特性

4.2 系統部件選擇

針對汽車生產線為流水作業、生產現場車輛密集的環境特點,選擇無源被動式標簽。此類標簽在有限場強范圍內受到讀寫器的信號激活后才能進入工作狀態,能更好的滿足流水線上車輛跟蹤管理的要求。同時為了保證電子標簽現場工作的可靠性,應將標簽進行防水防金屬的二次封裝處理。在汽車的生產過程中,待裝車輛均采用履帶式輸送,可在履帶兩側設置固定式超高頻系讀寫器。該頻段讀寫器能夠讀寫ISO 18000-6協議標簽,讀卡速度為平均每單字(32bit)需耗時6ms,寫卡速度為平均每單字(32bit)耗時50ms。根據讀寫器頻率范圍的不同,選擇的天線的形式和結構也不相同。介于線極化天線信號覆蓋范圍相對于圓極化天線較小,在生產現場其信號覆蓋范圍不易與其它天線覆蓋范圍重疊,所以選擇平板型線極 化天線。最后根據生產現場各工序間的間隔距離,靈活確定所需架設天線的位置、方向和個數,保證標簽具備較高的識讀率。RFID的應用軟件系統需要根據不同的應用需求進行開發,結合汽車生產線應用環境,RFID的應用軟件系統可與汽車企業現有的ERP(Enterprise Resource Planning,企業資源規劃)、MES(Manufacturing Execution System,制造執行系統)、LES(Logistics Execution System,物流執行系統)等系統集成,以提高生產線的生產效率。

5 RFID技術在汽車生產線的應用模式分析

RFID技術在汽車生產線上的運用是一項復雜的系統工程,本文結合汽車生產線上對RFID技術的需求分析,并參照汽車企業總裝車間的生產工藝流程,提出了RFID在汽車生產線的應用模式,具體為四個方面:車輛隊列信息采集、車輛定位跟蹤、裝配過程可視化、生產線物料動態配送,

如圖1所示。

圖1 汽車生產線RFID應用模式分布圖

5.1 車輛隊列信息采集

汽車總裝車間的第—個任務就是將存放于PBS(Painted Body Storage,噴涂車身緩沖區)的車身按照日生產計劃通過吊架輸送到總裝生產線上。但由于PBS區輸送鏈的扭轉能力有限,有時上線車輛隊列不能完全與生產計劃匹配。采用RFlD進行現場數采時,可在PBS區內將超高頻標簽置于上線車輛頂部,并在標簽中預先寫入車輛的唯—標識碼(VIN碼)。當上線車輛隨傳送鏈途徑信息采集點時,RFID讀寫器讀取標簽中的VIN碼信息,并通過無線網絡傳給后臺控制系統,系統根據車輛的VIN碼自動生成車輛在傳送鏈上的隊列信息,并向裝配車間顯示屏發布隊列信息。如遇緊急情況,需要將某一臨時待裝車輛插入到生產隊列或者從生產隊隊列中取消某—待裝車輛時,現場操作人員可通過手持數據終端讀取隨車標簽中的VIN碼,并進入系統進行手工修改,以保汪生產隊列信息的正確性。這樣及時獲取車輛隊列信息后,能保證生產現場各資源的合理配置,即使是各類緊急情況也可以在較短的時間內得出最優的資源調度方案。

5.2 車輛定位跟蹤

對混流生產線而言,車輛的定位跟蹤非常重要。一般,車輛在焊裝車間就開始跟蹤,再到WBS(White Body Storage,白車身緩沖區),通過涂裝車間,經過PBS區重新排序,直至總裝車間下線檢驗結束后,進入成品庫。因此,采用RFID技術實現車輛定位跟蹤方案,可在各車間和各重要位置設置信息采集點。以總裝車間為例,可在車輛的上線點,下線點以及多個重要的安裝工位設置信息采集點:當車輛隨輸送鏈到達上線信息采集點時,RFID讀寫器讀取高頻標簽中的VIN碼信息,并通過無線網絡傳給ERP系統,完成車輛的上線報工。當車輛途經工位信息采集點時,讀寫器掃描到標簽中的VIN碼信息后通過數據庫支持,可以獲取當前車輛所在的工位位置,從而知道該車輛的裝配進度。通過對每個車輛裝配進度信息的匯總,可以獲取整個裝配線的車輛裝配情況。當車輛裝配完成到達下線信息采集點時,讀寫器掃描到標簽中的VIN碼信息后通過數據庫支持,獲取車輛的發動機號,下線點工作人員校驗發動機號與vIN號匹配無誤后,完成車輛下線報工,并回收隨車附帶的超高頻標簽,將標簽循環使用。

5.3 裝配過程可視化

在汽車的生產過程中,通過RFID技術采集底層生產信息。可實現對裝配過程的可視化管理,實時向裝配人員發布必要的裝配和質量控制信息,以輔助裝配人員完成裝配作業和在線自檢工作。根據生產線工藝需求,可在生產線上的各個裝配工位設置可視化工作站,工作站主要由RFID系統、工位PC(personalcomputer,工位電腦)、通信接口模塊和裝配管理信息系統組成。當車輛進入工作站的工作范圍內時,RFID讀寫器掃描到超高頻標簽中的VIN碼后傳輸給裝配管理信息系統,系統根據唯一的VIN碼標識獲取到本工位應安裝部件的名稱、型號、數量等要求,并顯示在工位PC上,有效防止錯裝和漏裝的發生。完成該工位的裝配工常后,由裝配工人在工位PC上進行確認,將裝配信息反饋給裝配管理信息系統。如遇特殊情況,若是裝配失敗,需注明失敗原因,為下線返修提供依據。

5.4 生產線物料動態配送

生產線物料的動態配送管理是指從車間物料暫存區到線邊的物料配送,引入RFID技術后,物料配送的方式也由傳統的靜態轉變成動態。但進行物料動態配送時,必須考慮生產線的生產節拍、生產線的線邊審存與備料、送料所需的實際時間相匹配,才可規劃為實時動態物料配送。暾哺所述,利用RFID技術獲取到生產線隊列信息,追蹤到在線車輛的生產進度及生產狀況,由此推斷出生產線物料的實時消耗量和工位在制品肩希量。物料陂送到線邊前預先將物料的名稱、物料號、供應商等信息與放置在料箱中的高頻標簽相綁定,以便在線生產時及時采集對應物料的消耗信息。在汽車生產線上當車輛進入到某裝配工位區域后,固定式讀寫器自動讀取到隨車超高頻標簽中的VIN碼信息,工位PC上提示本工位的零部件裝配信息,裝配人員按照裝配信息拿取物料前,通過高頻讀寫器掃描預置在物料箱中的高頻標簽,將標簽內的物料信息傳送到動態物料配送系統中,系統自動消減該工位物料的線邊庫存量,當它低于某—安全值時便發布補料指令,以保證生產線物料的正常供應。

6 應用實踐

基于上述RFID技術在汽車生產線的應撇的研究,針對某汽車制造公司的其中—萄女轎車生產總裝線進行了初期實踐。該公司的轎車生產總裝線是混線生產模式,每種車型有多種組合配置,遇到上線車輛隊列信息發布不及時,時常會造成物料配送的滯后,甚至有錯送或漏送的可能。利用RFID技術在PBS區設置RFID信息采集點后,通過掃描車身上預置的超高頻標簽,系統就可及時地獲取并發布車輛隊列信息,為物料配送提供了準確的依據,同時降低了線邊庫存。

該總裝線上有—條重要的動力總成分裝線。分裝線上需預先完成動力總成的裝配,然后在總裝主線上將動力總成安裝到與其對應的車體上。以往需要對動力總成和車體的匹配性進行人工效驗,利用RFID后則可以自動完成動力總成的上線效驗,工作流程如圖2所示。RFID讀寫器通過隨車的超高頻標簽可自動獲取待裝車輛的VIN號到控制系統文本框中,該工位操作人員只需通過手持掃描動力總成托盤上電子標簽時應的VIN號到文本艇中,系統自動檢測兩個VIN號是否匹配:當兩個VIN號—致時通過上線驗證,否則提示錯誤。

圖2 動力總成自動校驗流程圖

下面以生產線上汽車分動器總成為例進行動態物料供應分析:總裝線的生產節拍為3min/車,物料器具的承載量為12個/器具,線邊庫存的存儲量為12,從總裝物料暫存區到分動器裝配工位的送貨時間為T送=15min/趟,則工位庫存消耗的臨界時間為T臨=12×3=36min。因為T送

7 結束語

隨著汽車工業大規模生產的發展,RFID技術的應用正從物流供應鏈進入汽車制造過程的核心。如上所述,RFID技術作為自動識別技術,能夠彌補條碼技術的不足,滿足汽車生產過程中對信息準確性和及時性的需要,是改善生產線管理模式的重要手段。據某汽車制造公司的轎車生產總裝線的實際運行情況表明,RFID能夠滿足MES系統獲取生產線信息的需求,但目前的實踐還僅停留在試點應用的階段,其主要目的是將RFID引入了汽車生產線,通過試點了解RFID在汽車生產過程中體現出的各方面性能特點,并整合應用軟件系統,為下一步將RFID技術遍布到整個生產線奠定基礎。

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