CN104123612B - 一种装配线工位数据采集成套系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装配线工位数据采集成套系统，它由数据采集装置、物料配送模块和存储与管理模块构成，数据采集装置包括工控机、串口服务器、RFID读卡器、RFID天线、RFID标签及电子看板，物料配送模块包括配送操作电脑和配送电子看板，存储与管理模块包括数据库服务器和客户端电脑，RFID标签安装在流水线上的装配线工装板上，流水线下设有装配线工位，RFID天线安装位置与装配线工装板呈垂直关系。本发明实现了工位工时数据、线边库存的实时采集，解决物料配送问题，为发现工位瓶颈及优化工位布局提供实时数据依据，而且节省了在每个零部件上粘贴RFID标签的时间、成本，在装配线更换产品时可实现装配线的柔性自动切换。

Description

一种装配线工位数据采集成套系统

技术领域

本发明涉及一种装配线工位数据采集成套系统，尤其涉及利用RFID技术对离散制造业的装配线工位数据进行采集成套系统。

背景技术

近年来，随着全球化机遇与挑战时代的到来，市场变得更加透明、市场热点传递更加迅速，客户需求的个性化越来越突出，需求的变化也越来越频繁，同时人工成本越来越高、原材料成本也上升了，因此，企业快速响应和精益生产变得迫在眉睫。

对于装配型企业而言，每个装配工位旁边都会有存放待装配零部件的空间，但由于这种线边库存空间有限、零部件种类繁多等原因，物料配送人员不可能将各个工位每天需要的零部件都堆放到装配线旁边，只能存放少量的零件，即使空间允许存放较多零件，又会带来线边库存偏高的问题，因此，为了保证装配线的顺利进行，物料配送要在准确的时间配送指定数量的零部件到达准确的装配工位，为此需要实时采集到每个工位上的装配时间、零部件消耗数量等数据，以便平衡工位瓶颈、分析配送提前期以及缺料情况。

为了解决工位数据的采集问题，国内外学术界、工业界提出了很多方案。其中与本发明较为接近的技术方案包括：魏伟（基于 RFID 的离散制造企业 MES 研究[D]. 东北大学, 2010）将RFID标签贴在托盘上，每只托盘与一个零件对应，当托盘经过机加工的铣、磨等工序时利用读写器自动读取到RFID标签，由此可知零件在工序上的流转信息，工序结束后需人工将RFID标签取回放入下一个托盘并重新建立与新零件之间的关联，该系统无法计算工序停留时间，同时当每道工序有多个托盘同时到来的时候，会出现漏读的情况，另一方面，该系统主要用于机械加工的各道工序，如车、铣、磨等。杨周辉（基于 RFID 的汽车混流装配线生产监控系统的研究[D]. 广东工业大学, 2011）将RFID技术用于汽车装配线工时数据的采集，其特点在于将RFID标签贴在每个零件上，在读取工位装配时间时，第一次采集到RFID的时间为开始时间，而在采集结束时间时为了避免重复数据，需要工人按一下读写器键盘的置1键，降低了系统的自动化程度，同时，由于将RFID标签贴在零部件上，工作量非常大。裴世超(基于 RFID 的装配车间动态物料配送模式研究[D]. 重庆大学, 2010)提出了基于RFID的装配车间动态物料配送方案，在该方案中，RFID标签和条形码同时贴在零部件上，通过条形码访问ERP系统获得待装配产品批次、型号、BOM表等信息并通过RFID读写器将这些信息写入RFID标签中，在装配工位上流转时，由安装在工位上的RFID读写器直接从RFID标签上读取已装配产品信息，根据BOM表即可计算已装配产品的零部件消耗数量。然而，当某个工位同时装配多种类零部件时，由于每个零部件上都有RFID标签，或者同时装配同一种零部件但所需数量较多时，会出现漏读、误读的情况，且该方案没有采集装配工位的耗时情况，无法分析瓶颈工位，不利于后续工位布置的优化。张俊(基于 RFID 和电子看板的装配生产监控系统的研究[D]. 浙江大学, 2007)通过将RFID标签贴在零部件上，通过工位上的RFID读写器记录其状态，从而得到该工位对零部件的消耗情况，另一方面，每一个工位工时的计算是用下一道工位的开始时间减去当前工位的开始时间得到的，这包括了零部件在工位之间的流转时间，因此，实际装配工时并不准确。发明专利（申请号：201210036803.3，名称：对离散制造工序物流的实时跟踪并追溯质量的系统及方法）阐述了一种对离散制造工序物流的实时跟踪并追溯质量的系统，该系统由计算机服务器、RFID标签、RFID读写器及相应的软件模块组成，与本发明不同的地方在于，其RFID标签采用超高频(915MHz)，且该标签贴在零部件上，该系统重点解决工序物流的跟踪及追溯，对于每个工序的工作效率及物料短缺、配送等问题并未给出解决的技术方案，对于工位耗时等生产实时数据也未给出技术方案。发明专利（申请号：2011110229318.3，名称：APS/MES精益制造管理系统）阐述了一种APS/MES精益制造管理系统，包括工业触摸一体机、LED电子看板、RFID标签、RFID读写器以及包含供应链管理、物料配送、LED电子看板控制系统等模块在内的软件系统，与本发明不同的地方在于，在其技术方案中，未给出RFID标签、读写器与零部件或生产系统之间的布置关系，同时未给出工序或工位采集时间的方法，其虽然阐述了物料配送的功能，但并未给出采集工位物料短缺的方法，其物料配送缺乏相应依据。

综上所述，当前基于RFID的装配工位数据采集技术方案中，存在着如下不足：(1)当前方案中的RFID标签均贴在零部件上，有部分贴在外包装上，当同一工位需要同时装配多个零部件时，容易出现漏读、误读的情况，同时多数方案并未给出RFID标签采用频率，不同频率所适用的范围不一致，其中有方案提出采用超高频(915MHz)，但由于超高频识读距离较远，容易发生两个工位同时读到同一个标签的情况，从而导致串读，另一方面，对每个零部件均贴上标签，工作量巨大，当生产线切换装配产品时，准备时间较长；(2) 已有方案中，多数未给出工位消耗时间，其余则采用下一个工位到达时间减去当前工位到达时间来得到工位工时，该时间将流转时间也计算在内，无法得到真正的工时数据，难以对工位瓶颈进行有效分析。

在装配型企业的精益管理中，工位上的零部件消耗量及工时数据是生产线实时数据采集的重点，基于这两个数据不仅可以解决物料配送问题，同时可以提供发现工位瓶颈及优化布局的依据。

发明内容

为了克服现有装配线工位数据采集存在的问题，本发明提供一种基于RFID技术的装配线工位线边库存及工时数据采集成套系统。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，由数据采集装置、物料配送模块和存储与管理模块构成，其特征在于：

所述数据采集装置包括工控机、串口服务器、RFID读卡器、RFID天线、RFID标签及电子看板，RFID天线与RFID读卡器相连，RFID读卡器与串口服务器采用串口线连接，串口服务器与工控机采用网线连接，电子看板与工控机连接，工控机内置采集程序，RFID频率为13.56MHz；

所述物料配送模块包括相互连接的配送操作电脑和配送电子看板，所述的配送操作电脑内置配送程序，负责物料配送时数据库的修改及配送电子看板的刷新；

所述存储与管理模块包括数据库服务器和客户端电脑，数据库服务器内置用于存储所采集的装配线工位数据的数据库，客户端电脑内置管理系统；

所述RFID标签安装在流水线上的装配线工装板上，流水线下设有装配线工位，所述RFID天线安装位置与装配线工装板呈垂直关系。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述的RFID天线与RFID标签的距离为50-80cm，RFID频率为13.56MHz。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述的客户端电脑内的管理系统包括如下功能：通讯配置、装配产品切换、软看板、装配工位配置、装配线设置和产品BOM配置。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述软看板包括总装效率看板、装配线平均耗时看板、装配线动态耗时看板、单工位动态耗时看板、分时段产量动态看板、装配线产量动态看板。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述的RFID标签由双面胶粘贴在装配线工装板上，或装配线工装板上固定一个小盒子，将RFID标签放置于该小盒子内。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述的采集程序按如下方法实现工位数据的采集：

1）令RFID天线与装配线工位的映射集G_A={<a _i , s _i > | i=1, 2, …, n}，其中n表示需要采集的装配线工位数和RFID天线数，<a _i , s _i >表示工位编号a _i 与RFID天线编号s _i 的对应关系，其中a ₁和s ₁表示第1个工位和第1根RFID天线，a _n 和s _n 表示最后一个工位和最后一根RFID天线；

2）令装配线工位与待装配零部件的映射集,，其中表示将在工位a _i 进行装配的零部件集合，表示在工位a _i 处装配的第j类零部件，表示第j类零部件在工位a _i 处的线边库存，表示工位a _i 处每次消耗第j类零部件的数量，n _i 表示工位a _i 处所要装配的零部件种类数；

3）利用多线程技术每隔Δt的间隔时间采集一次数据，在当前时刻t _k 时采集到的a _i 工位的数据表示为(i=1, 2, …, n)，其中k表示时刻的序列号，表示t _k 时刻在a _i 工位读到的RFID标签编号的集合，表示t _k 时刻在a _i 工位读到的RFID标签的数量，相应的，在前一时刻t _k-1的数据为，其中t _k =t _k-1+Δt；

4）针对每个工位a _i (i=1, 2, ..., n)，逐项检查中的标签编号，若该标签编号不在中且i=1，生成新的产品流水号并保存于数据库中；若该标签编号不在中且1＜i≤n且a _i-1工位已完成，则记录a _i 工位装配当前产品的起始时间，表示前一时刻t _k-1在a _i 工位采集到的标签编号集合，其中i=1，表示第1个工位）；

5）针对每个工位a _i (i=1, 2, ..., n)，逐项检查中的标签编号，若该标签编号不在中，则表明a _i 工位已经完成，所粘贴的RFID标签已经通过a _i ，则记录a _i 工位装配当前产品的结束时间、将a _i 工位标记为已完成，且按如下公式更新工位a _i 处的线边库存：；若该标签编号不在中且i=n则标记当前产品已经装配完成。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于步骤3）中的多线程采集间隔时间Δt为50到300毫秒之间的任意整数。

所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述的配送操作电脑（13）内置的配送程序根据(i=1, 2, …, n)以列表形式将零部件(j=1, 2, …, n _i )、线边库存(j=1, 2, …, n _i )实时显示在配送电子看板（14）上，以提醒仓库物料配送人员及时准备物料并进行配送；物料配送人员在配送时，利用配送程序选择待配送的零部件，输入配送数量(j=1, 2, …, n _i )，点击确定配送后，则按照下式自动更新线边库存：=+。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的一种装配线工位数据采集成套系统，通过将13.56MHz的RFID标安装在装配线的工装板上，同时将RFID天线安装在距离工装板（RFID标签）50-80cm的位置上，再结合发明的采集算法实现工位工时、线边库存等装配线工位数据的采集与更新，同时提供物料配送时的电子看板；它实现了工位工时数据、线边库存的实时采集，不仅可以解决物料配送问题，同时为发现工位瓶颈及优化工位布局提供实时数据依据；另一方面，与传统方法将RFID标签贴在零部件上不同之处在于，本发明将13.56MHz的RFID标签贴在装配线的工装板上，不仅节省了在每个零部件上粘贴RFID标签的时间、成本，同时，在装配线更换产品时，只需重新建立映射G_A和G_P即可实现装配线的柔性自动切换。

附图说明

图1为本发明的装配线工位数据采集成套系统结构图。

图中：1-数据库服务器，2-客户端电脑，3-工控机，4-串口服务器，5-RFID读卡器，6-RFID天线，7-RFID标签，8-装配线工装板，9-流水线， 10-装配线工位，11-电子看板，12-待装配零部件，13-配送操作电脑，14-配送电子看板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种装配线工位数据采集成套系统，由数据采集装置、物料配送模块和存储与管理模块构成，其中，所述数据采集装置包括工控机3、串口服务器4、RFID读卡器5、RFID天线6、RFID标签7，RFID天线6与RFID读卡器5相连，RFID读卡器5与串口服务器4采用串口线连接，串口服务器4与工控机3采用网线连接，工控机3内置采集程序，用于实时采集RFID读卡器5通过RFID天线6读取到的RFID标签7信息；所述物料配送模块包括配送操作电脑13和配送电子看板14，配送电子看板14与配送操作电脑13连接，配送操作电脑13内置配送程序，负责物料配送时数据库的修改及配送电子看板14的刷新；所述存储与管理模块包括数据库服务器1和客户端电脑2，数据库服务器1内置数据库用于存储所采集的装配线工位数据，客户端电脑2内置管理系统，管理系统包括通讯配置、装配产品切换、软看板、装配工位配置、装配线设置和产品BOM配置等功能模块。

所述数据采集装置的RFID标签安装在装配线工装板8上，工装板8安装在流水线9上按照一定的节拍运行，零部件12放置在工装板8上，工装板8到达工位10的时候会自动停下来，待工人装配完成后再进入下一个工位。

作为优选方案，所述数据采集装置的RFID标签在装配线工装板8上的安装方式可以是双面胶粘贴，也可以是在工装板上固定一个小盒子，然后将RFID标签放置于该盒子内，或者是可以将RFID标签固定于工装板8上的其他方式。

所述数据采集装置的RFID天线安装位置与工装板呈垂直关系，且其与RFID标签的距离为50-80cm。

所述数据采集装置的RFID频率为13.56MHz。

所述数据采集装置的工控机内置采集程序的采集数据的方法如下：

(1) 令RFID天线与装配线工位的映射集G_A={<a _i , s _i > | i=1, 2, …, n}，其中n表示需要采集的装配线工位数和RFID天线数，<a _i , s _i >表示工位编号a _i 与RFID天线编号s _i 的对应关系，其中a ₁和s ₁表示第1个工位和第1根RFID天线，a _n 和s _n 表示最后一个工位和最后一根RFID天线；

(2) 令工位与待装配零部件的映射集,，其中表示将在工位a _i 进行装配的零部件集合，表示在工位a _i 处装配的第j类零部件，表示第j类零部件在工位a _i 处的线边库存，表示工位a _i 处每次消耗第j类零部件的数量，n _i 表示工位a _i 处所要装配的零部件种类数；

(3) 利用多线程技术每隔Δt的间隔时间采集一次数据，在当前时刻t _k 采集到的a _i 工位的数据表示为(i=1, 2, …, n)，其中表示t _k 时刻在a _i 工位读到的RFID标签编号的集合，表示t _k 时刻在a _i 工位读到的RFID标签的数量，相应的，在前一时刻t _k-1的数据为，其中t _k =t _k-1+Δt；

(4) 针对每个工位a _i (i=1, 2, ..., n)，逐项检查中的标签编号，若该标签编号不在中且i=1，生成新的产品流水号并保存于数据库中；若该标签编号不在中且1＜i≤n且a _i-1工位已完成，则记录a _i 工位装配当前产品的起始时间；

(5) 针对每个工位a _i (i=1, 2, ..., n)，逐项检查中的标签编号，若该标签编号不在中，则表明a _i 工位已经完成，所粘贴的RFID标签已经通过a _i ，则记录a _i 工位装配当前产品的结束时间、将a _i 工位标记为已完成、按如下公式更新工位a _i 处的线边库存：；若该标签编号不在中且i=n则标记当前产品已经装配完成。已完成的产品产量在电子看板11上显示。

作为优选，所述多线程采集间隔时间Δt选取50到300毫秒之间的整数，本实施例中，Δt=200毫秒。

所述配送操作电脑内置配送程序根据(i=1, 2, …, n)以列表形式将零部件(j=1, 2, …, n _i )、线边库存(j=1, 2, …, n _i )实时显示在配送电子看板14上，以提醒仓库物料配送人员及时准备物料并进行配送；物料配送人员在配送时，利用配送程序选择待配送的零部件，输入配送数量(j=1, 2, …, n _i )，点击确定配送后，则按照下式自动更新线边库存：=+。

所述存储与管理模块中的软看板包括总装效率看板、装配线平均耗时看板、装配线动态耗时看板、单工位动态耗时看板、分时段产量动态看板、装配线产量动态看板，软看板在客户端电脑2内置管理系统中显示。

实施本发明后，可实现工位工时数据、线边库存的实时采集，不仅可以解决物料配送问题，同时为发现工位瓶颈及优化工位布局提供实时数据依据，另一方面，本发明将13.56MHz的RFID标签安装在装配线的工装板上，不仅节省了在每个零部件上粘贴RFID标签的时间、成本，同时，在装配线更换产品时，只需重新建立G_A和G_P即可实现装配线的柔性自动切换。

Claims (4)

1.一种装配线工位数据采集成套系统，由数据采集装置、物料配送模块和存储与管理模块构成，其特征在于：

所述数据采集装置包括工控机(3)、串口服务器(4)、RFID读卡器(5)、RFID天线(6)、RFID标签(7)及电子看板(11)，RFID天线(6)与RFID读卡器(5)相连，RFID读卡器(5)与串口服务器(4)采用串口线连接，串口服务器(4)与工控机(3)采用网线连接，电子看板(11)与工控机(3)连接，工控机(3)内置采集程序，RFID频率为13.56MHz，所述的RFID天线(6)与RFID标签(7)的距离为50-80cm，RFID频率为13.56MHz；

所述物料配送模块包括相互连接的配送操作电脑(13)和配送电子看板(14)，所述的配送操作电脑(13)内置配送程序，负责物料配送时数据库的修改及配送电子看板的刷新，客户端电脑(2)内的管理系统包括如下功能：通讯配置、装配产品切换、软看板、装配工位配置、装配线设置和产品BOM配置，所述软看板包括总装效率看板、装配线平均耗时看板、装配线动态耗时看板、单工位动态耗时看板、分时段产量动态看板、装配线产量动态看板；

所述存储与管理模块包括数据库服务器(1)和客户端电脑(2)，数据库服务器(1)内置用于存储所采集的装配线工位数据的数据库，客户端电脑(2)内置管理系统；

所述RFID标签(7)安装在流水线(9)上的装配线工装板(8)上，流水线(9)下设有装配线工位(10)，所述RFID天线(6)安装位置与装配线工装板(8)呈垂直关系；

采集程序按如下方法实现工位数据的采集：

1)令RFID天线(6)与装配线工位(10)的映射集G_A＝{<a_i,s_i>|i＝1,2,…,n}，其中n表示需要采集的装配线工位数和RFID天线数，<a_i,s_i>表示工位编号a_i与RFID天线编号s_i的对应关系，其中a₁和s₁表示第1个工位和第1根RFID天线，a_n和s_n表示最后一个工位和最后一根RFID天线；

2)令装配线工位(10)与待装配零部件(12)的映射集其中表示将在工位a_i进行装配的零部件集合，表示在工位a_i处装配的第j类零部件，表示第j类零部件在工位a_i处的线边库存，表示工位a_i处每次消耗第j类零部件的数量，n_i表示工位a_i处所要装配的零部件种类数；

3)利用多线程技术每隔Δt的间隔时间采集一次数据，在当前时刻t_k时采集到的a_i工位的数据表示为其中k表示时刻的序列号，表示t_k时刻在a_i工位读到的RFID标签编号的集合，表示t_k时刻在a_i工位读到的RFID标签的数量，相应的，在前一时刻t_k-1的数据为其中t_k＝t_k-1+Δt；

4)针对每个工位a_i(i＝1,2,...,n)，逐项检查中的标签编号，若该标签编号不在中且i＝1，生成新的产品流水号并保存于数据库中；若该标签编号不在中且1＜i≤n且a_i-1工位已完成，则记录a_i工位装配当前产品的起始时间

5)针对每个工位a_i(i＝1,2,...,n)，逐项检查中的标签编号，若该标签编号不在中，则表明a_i工位已经完成，所粘贴的RFID标签已经通过a_i，则记录a_i工位装配当前产品的结束时间将a_i工位标记为已完成，且按如下公式更新工位a_i处的线边库存：若该标签编号不在中且i＝n则标记当前产品已经装配完成。

2.根据权利要求1所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述的RFID标签(7)由双面胶粘贴在装配线工装板(8)上，或装配线工装板(8)上固定一个小盒子，将RFID标签(7)放置于该小盒子内。

3.根据权利要求1所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于步骤3)中的多线程采集间隔时间Δt为50到300毫秒之间的任意整数。

4.根据权利要求1所述的一种装配线工位数据采集成套系统，其特征在于所述的配送操作电脑(13)内置的配送程序根据 以列表形式将零部件线边库存实时显示在配送电子看板(14)上，以提醒仓库物料配送人员及时准备物料并进行配送；物料配送人员在配送时，利用配送程序选择待配送的零部件输入配送数量点击确定配送后，则按照下式自动更新线边库存：