龍志軍

青島昌隆文具有限公司 山東省青島市 266555

1.引 言

目前，國(guó)內(nèi)主要文具企業(yè)處于從人工和自動(dòng)化結(jié)合的制造形式逐漸向智能制造升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，ERP軟件作為企業(yè)資源管理平臺(tái)已經(jīng)在文具企業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用。但ERP軟件系統(tǒng)對(duì)于車間和制造現(xiàn)場(chǎng)的控制需要對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集和分析之后才可以做出反應(yīng)和決策，在執(zhí)行層面的決策時(shí)，有一定的滯后，因此作為車間層面的制造信息執(zhí)行系統(tǒng)，各類MES軟件開(kāi)始得到了逐步推廣使用。

MES系統(tǒng)相對(duì)于ERP系統(tǒng)而言，行業(yè)從屬性和流程定制化更為突出，因此一般的MES系統(tǒng)提供了企業(yè)建模平臺(tái)，靈活適應(yīng)不同行業(yè)的要求。并且在汽車、化工、機(jī)械制造等多個(gè)行業(yè)中，知名的MES軟件提供商都會(huì)提供相應(yīng)的典型建模方案或典型企業(yè)制造過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)流程，但對(duì)于文具行業(yè)，目前公開(kāi)信息中鮮見(jiàn)相關(guān)案例。

文具行業(yè)屬于輕工行業(yè)的細(xì)分門(mén)類，制造平臺(tái)有其獨(dú)特的不同維度多樣性的特點(diǎn)。例如：從工藝過(guò)程分類來(lái)說(shuō)存在多樣性，屬于精密機(jī)械加工、高分子材料應(yīng)用、精細(xì)化工、模具設(shè)計(jì)與制造等多個(gè)行業(yè)的交叉滲透；從需求驅(qū)動(dòng)模式分類來(lái)說(shuō)也存在著多樣性，同一類產(chǎn)品可能同時(shí)存在按單生產(chǎn)或按預(yù)測(cè)生產(chǎn)等多種形式；從生產(chǎn)排程來(lái)說(shuō)同樣存在多樣性，特別是隨著近幾年電商銷售渠道的拓展，對(duì)于交貨期和靈活定制化要求方面提出了更高的要求。因此，不同維度的多樣性對(duì)于MES系統(tǒng)的應(yīng)用提出了較大的挑戰(zhàn)。

精益制造是一種以最大限度地減少企業(yè)生產(chǎn)所占用的資源和減少浪費(fèi)為主要目標(biāo)的生產(chǎn)方式，精益制造力求均衡生產(chǎn)，主要通過(guò)拉動(dòng)模式組織生產(chǎn)；推動(dòng)完善整個(gè)供應(yīng)鏈以零缺陷作為目標(biāo)的質(zhì)量保證體系。關(guān)于精益制造思想如何同企業(yè)的制造系統(tǒng)整合，文獻(xiàn)[1]提出了通過(guò)創(chuàng)建精益生產(chǎn)系統(tǒng)模型的方式構(gòu)建離散式制造平臺(tái)的方案，但并未對(duì)具體的技術(shù)方案和流程布局進(jìn)行闡述。本文結(jié)合文具行業(yè)多樣性特點(diǎn)，擬通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)應(yīng)用的角度，對(duì)精益制造模式與ERP/MES系統(tǒng)結(jié)合進(jìn)行具體的方案研究。

2.根據(jù)文具行業(yè)的制造過(guò)程特點(diǎn)確定ERP/MES系統(tǒng)架構(gòu)和數(shù)據(jù)交互方案

如圖1示，是一個(gè)典型的ERP/MES制造平臺(tái)架構(gòu)。

圖1 ERP/MES制造平臺(tái)集成架構(gòu)

按照訂單信息流的傳遞方向和節(jié)點(diǎn)控制，ERP/MES系統(tǒng)分為訂單層、執(zhí)行層、通訊層、控制層四層。來(lái)自客戶的銷售訂單在ERP系統(tǒng)下達(dá)后，在ERP系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)物料資源計(jì)劃和能力平衡后分解為生產(chǎn)工單集合，并傳遞到MES系統(tǒng)中進(jìn)行生產(chǎn)工單的下達(dá)，通過(guò)通訊層的傳輸，直至控制層進(jìn)行生產(chǎn)工單執(zhí)行。在完成生產(chǎn)工單的整個(gè)過(guò)程中，完工信息、設(shè)備數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)不斷地反饋至執(zhí)行層和訂單層，基于數(shù)據(jù)反饋的結(jié)果，生產(chǎn)工單的調(diào)度部門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)的資源調(diào)整或數(shù)據(jù)分析和改善等工作。

在執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)于多樣性的客戶需求生成的多個(gè)生產(chǎn)工單集合進(jìn)行優(yōu)化排程，是執(zhí)行層中最核心的部分。如何確保排程的最優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)閉環(huán)反饋的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性尤為重要。以制造蠟筆套裝的某工廠為例，生產(chǎn)的產(chǎn)品有12色、36色、64色三種包裝方式的蠟筆，主要有配料、成型、貼標(biāo)、包裝四個(gè)工序。在一般工廠中，成型模具資源和設(shè)備資源是受限的，不能做到所有顏色齊頭并進(jìn)，但最終的包裝工序必須確保需求的所有顏色蠟筆齊套后才可以啟動(dòng)包裝，因此各種顏色蠟筆的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)采集及時(shí)性和準(zhǔn)確性成為了包裝工序啟動(dòng)和及時(shí)交貨的重要瓶頸。對(duì)于這些在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，可以通過(guò)條碼或二維碼掃描，智能終端錄入等很多方法錄入到系統(tǒng)中。但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，以上數(shù)據(jù)采集和讀入方法并不理想，原因是由于每天有多個(gè)不同顏色小批量訂單的各種物料均需要數(shù)據(jù)采集和錄入。如采用人工主動(dòng)掃描錄入的形式容易出現(xiàn)差錯(cuò)或遺忘，就算是采用自動(dòng)光學(xué)掃描的形式，也會(huì)受到打印質(zhì)量、光線、掃描位置和速度等環(huán)境影響，出現(xiàn)較多的誤讀問(wèn)題。

隨著RFID技術(shù)的不斷提升，可讀寫(xiě)RFID的識(shí)別精度和抗干擾能力有了較大提高，同時(shí)制造成本逐步下降，從軟硬件方面具備了作為文具制造企業(yè)的數(shù)據(jù)交互方案的條件；并通過(guò)該項(xiàng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在制品管理、質(zhì)量管理、物料管理、工廠布局的標(biāo)準(zhǔn)化，從而保障MES系統(tǒng)運(yùn)行所需數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性和穩(wěn)定性。

3.通過(guò)精益制造思想與MES制造執(zhí)行系統(tǒng)整合重構(gòu)文具智能制造平臺(tái)

以下用蠟筆制造過(guò)程為例，進(jìn)行精益制造模式與MES系統(tǒng)結(jié)合的規(guī)劃。

蠟筆生產(chǎn)的主體工藝路線如圖2示。

圖2 蠟筆生產(chǎn)工藝路線

在該案例中我們假設(shè)該車間主要生產(chǎn)12色的蠟筆套裝，有兩套蠟筆配料成型貼標(biāo)單元分別是A單元和B單元，可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)顏色蠟筆的制造，待12色齊套后進(jìn)行包裝。

通過(guò)價(jià)值流圖分析，產(chǎn)線平衡工作等精益工具的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)蠟筆成型和貼標(biāo)工序基本節(jié)拍一致，因此成型和貼標(biāo)工序之間的在制品物流可以采用FIFO流動(dòng)，其他工序工藝特點(diǎn)相差較大，節(jié)拍一致性較差，需要考慮設(shè)置物料超市用于平衡產(chǎn)能，確保齊套性。當(dāng)客戶需求形成補(bǔ)充看板時(shí)，MES系統(tǒng)分別給A單元和B單元下達(dá)看板拉動(dòng)指令，開(kāi)始通過(guò)拉動(dòng)生產(chǎn)的方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，通過(guò)價(jià)值流圖分析完成的蠟筆生產(chǎn)過(guò)程，示意圖如圖3。

圖3 蠟筆生產(chǎn)過(guò)程價(jià)值流示意圖

在這個(gè)拉動(dòng)系統(tǒng)中最為突出的瓶頸就是多種顏色的蠟筆生產(chǎn)共用一個(gè)生產(chǎn)單元，在一段時(shí)間內(nèi)只能每個(gè)單元中必須按顏色順序生產(chǎn)，在這個(gè)按順序逐色生產(chǎn)的過(guò)程，如果在制品物流信息和數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)疏漏時(shí)會(huì)導(dǎo)致：

（a）增加了不必要的等待時(shí)間，造成浪費(fèi)。

（b）下工序準(zhǔn)備時(shí)間出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)或太晚的問(wèn)題。

（c）產(chǎn)線運(yùn)維人員不能得到及時(shí)有效的通知或提醒。

（d）在制品數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

（e）排產(chǎn)或調(diào)度出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。

以上問(wèn)題會(huì)影響到ERP/MES制造系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此，對(duì)于工作單元層面的物流數(shù)據(jù)采集終端需要做好規(guī)劃，避免問(wèn)題產(chǎn)生，根據(jù)精益制造模式的需求，如果引入RFID終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合精益制造的要求，對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要進(jìn)行如下的規(guī)劃：

規(guī)劃各個(gè)生產(chǎn)工序精益看板單位批量、物流周轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)容器、物流周轉(zhuǎn)工具、周轉(zhuǎn)頻次等信息。

對(duì)物流周轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)容器RFID可讀寫(xiě)標(biāo)簽進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)于生產(chǎn)工單、物料編碼、物料型號(hào)、數(shù)量、顏色、重量等信息需要確認(rèn)標(biāo)簽的內(nèi)容、數(shù)量和位置。

評(píng)估MES軟件邏輯,對(duì)于采集操作過(guò)程中的一些異常失誤行為，例如重復(fù)讀取、擦除異常、信號(hào)方向異常等常見(jiàn)的問(wèn)題具有一定的判斷容錯(cuò)能力并及時(shí)對(duì)操作者給予提醒。

對(duì)車間和倉(cāng)庫(kù)、人員、物流周轉(zhuǎn)方案現(xiàn)場(chǎng)布局進(jìn)行規(guī)劃，既要滿足精益制造的需要，又要分析RFID讀寫(xiě)設(shè)備的定向采集和天線場(chǎng)強(qiáng)要求，設(shè)置合理的RFID采集通道，確保物流周轉(zhuǎn)容器與RFID讀寫(xiě)采集設(shè)備交互時(shí)不受到干擾。

評(píng)估工序操作終端的技術(shù)方案，確保實(shí)時(shí)有效的顯示RFID讀寫(xiě)設(shè)備采集在制品的數(shù)據(jù)信息和顯示讀寫(xiě)過(guò)程中的異常。采集終端既能夠進(jìn)行即時(shí)人機(jī)交互，滿足MES系統(tǒng)的要求，通過(guò)應(yīng)用集成接口，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到MES系統(tǒng)，接收顯示生產(chǎn)工單及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等信息。

評(píng)估與工序操作終端相連接的RFID讀寫(xiě)采集設(shè)備的技術(shù)方案，其中較為重要的是RFID讀寫(xiě)采集設(shè)備需支持多標(biāo)簽讀寫(xiě)。由于生產(chǎn)、物流、質(zhì)量、計(jì)劃等模塊對(duì)于采集信息的多樣性要求，在物料周轉(zhuǎn)容器上可能會(huì)有多個(gè)標(biāo)簽貼附，因此系統(tǒng)軟硬件和物流周轉(zhuǎn)過(guò)程應(yīng)支持多標(biāo)簽讀寫(xiě)。

蠟筆制造工藝主體部分屬于高分子材料成型過(guò)程，因此RFID讀寫(xiě)設(shè)備和標(biāo)簽需要適應(yīng)高溫、粉塵、有機(jī)氣體等生產(chǎn)環(huán)境中正常工作。特別是RFID標(biāo)簽對(duì)車間溫度和周轉(zhuǎn)過(guò)程中環(huán)境的適應(yīng)性，需要根據(jù)車間現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試確定。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)，RFID設(shè)備工作的穩(wěn)定性至關(guān)重要，特別是同一物流周轉(zhuǎn)容器有多個(gè)不同功用的RFID標(biāo)簽時(shí)。系統(tǒng)穩(wěn)定性需要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估，硬件方面的技術(shù)指標(biāo)，包括工作頻率、存儲(chǔ)器容量、發(fā)射功率、讀寫(xiě)速率和讀寫(xiě)距離、搭配標(biāo)簽材質(zhì)類型等，都屬于需要根據(jù)企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)布局反復(fù)篩選和評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)；在軟件方面，需要重點(diǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)校驗(yàn)和防沖突算法，數(shù)據(jù)校驗(yàn)指的是通過(guò)編碼格式和判斷邏輯用于多標(biāo)簽識(shí)讀時(shí)區(qū)分和糾錯(cuò)，防沖突算法主要用于解決RFID設(shè)備工作時(shí)，多標(biāo)簽信息讀取時(shí)可能出現(xiàn)信息處理沖突問(wèn)題，可選算法例如時(shí)分多路的ALOHA算法或二進(jìn)制樹(shù)確定性算法等[2]。由于不同的算法對(duì)于讀取延時(shí)和系統(tǒng)穩(wěn)定性有較大影響，因此在評(píng)估時(shí)需要重點(diǎn)論證和測(cè)試。

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃和精益價(jià)值流圖分析，對(duì)車間和倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了重新布局和設(shè)計(jì),每個(gè)蠟筆生產(chǎn)單元布局示意圖，如圖4示。

圖4 蠟筆生產(chǎn)單元布局示意圖

在蠟筆價(jià)值流運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，當(dāng)成品倉(cāng)庫(kù)出現(xiàn)補(bǔ)貨拉動(dòng)需求時(shí)，電子看板通過(guò)MES系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)工單下達(dá)到包裝工序，下達(dá)后的流程如下：

包裝工序則根據(jù)需求下達(dá)超市配送清單，揀配相應(yīng)規(guī)格的已貼標(biāo)各色蠟筆和包裝物到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)揀配物料通過(guò)RFID采寫(xiě)通道離開(kāi)超市時(shí)，RFID讀寫(xiě)設(shè)備讀取蠟筆和包裝物物流周轉(zhuǎn)容器標(biāo)簽，記錄數(shù)量、規(guī)格等信息，并自動(dòng)進(jìn)行超市物料出庫(kù)信息記錄。

出庫(kù)的物料到達(dá)包裝工序生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)后在指定通道通過(guò)RFID讀寫(xiě)設(shè)備讀取標(biāo)簽，自動(dòng)進(jìn)行工單匹配，物料齊套性和防呆防錯(cuò)檢查，在MES系統(tǒng)形成記錄寫(xiě)入到工單中并啟動(dòng)生產(chǎn)。

完成包裝后的成品蠟筆置于指定的物流標(biāo)準(zhǔn)容器中，并用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的操作終端進(jìn)行完工確認(rèn)，當(dāng)該容器通過(guò)指定RFID采寫(xiě)通道時(shí)，自動(dòng)將報(bào)工的看板、規(guī)格、數(shù)量等信息寫(xiě)入到容器標(biāo)簽上。需要注意的是在該環(huán)節(jié)中除了對(duì)產(chǎn)出進(jìn)行完工確認(rèn)外，還需要對(duì)投入的物料消耗進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)存在消耗蠟筆和包裝物料的物流周轉(zhuǎn)容器的狀況進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)于所盛放物料已用盡的物料周轉(zhuǎn)容器標(biāo)簽清零返回上工序，對(duì)于有余數(shù)的物料周轉(zhuǎn)容器則更新數(shù)量記錄并退回超市。

完成完工確認(rèn)信息寫(xiě)入的成品就可以進(jìn)入成品待檢區(qū)，通過(guò)指定的RFID采寫(xiě)通道進(jìn)入待檢區(qū)后，RFID讀寫(xiě)設(shè)備讀取容器標(biāo)簽數(shù)據(jù)自動(dòng)在MES系統(tǒng)中生成檢驗(yàn)批，等待FQC檢驗(yàn)。

完成檢驗(yàn)并合格的成品蠟筆通過(guò)指定通道的RFID讀寫(xiě)設(shè)備讀取標(biāo)簽信息并自動(dòng)入庫(kù)后，即可進(jìn)入成品超市用于銷售訂單發(fā)貨。

其他各工序的生產(chǎn)拉動(dòng)方案原理同包裝工序，其中需要注意的是成型工序和貼標(biāo)工序采用的是FIFO流動(dòng)策略，因此在這兩個(gè)工序之間所記錄的工序信息需要根據(jù)工序間流動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃。除了通過(guò)RFID的方式進(jìn)行批次數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的方案，也可以通過(guò)物料自動(dòng)傳送及相應(yīng)視覺(jué)、稱重檢測(cè)和記錄等方式進(jìn)行工序信息的采集。隨著精益制造過(guò)程的不斷改善，可以在完成可靠性測(cè)試后，引入AGV物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)傳輸，部分RFID讀寫(xiě)設(shè)備的位置也隨著生產(chǎn)流程的改進(jìn)，需要進(jìn)一步的增加、合并或變更。

文具行業(yè)的特點(diǎn)是客戶的需求有時(shí)候會(huì)存在多樣性，因此有一些突發(fā)的個(gè)性化定制需求會(huì)導(dǎo)致超市中各色蠟筆的數(shù)量不能滿足客戶的需求，在進(jìn)行拉動(dòng)需求信息流動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同顏色的多個(gè)需求逐級(jí)向下的連續(xù)性拉動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)。通過(guò)RFID讀寫(xiě)設(shè)備的實(shí)時(shí)采集信息成為了MES生產(chǎn)工單排程非常有力的數(shù)據(jù)保障，結(jié)合有限能力排產(chǎn)模塊可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的生產(chǎn)工單排產(chǎn)，最大程度的減少過(guò)程中的等待時(shí)間。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)行后，通過(guò)RFID數(shù)據(jù)采集讀寫(xiě)系統(tǒng)會(huì)獲得大量的質(zhì)量、工藝、產(chǎn)能、物料等數(shù)據(jù)。企業(yè)通過(guò)定期對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和分析，可以進(jìn)一步的對(duì)產(chǎn)線平衡、設(shè)備維保、ERP/MES系統(tǒng)排程、人員安排、質(zhì)量控制、車間布局等各項(xiàng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文以蠟筆生產(chǎn)為例，通過(guò)精益制造、ERP/MES信息管理執(zhí)行系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行了文具智能制造平臺(tái)升級(jí)的應(yīng)用的探索和研究。目前國(guó)內(nèi)文具企業(yè)都面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，客戶需求多樣性，各項(xiàng)成本壓力逐步增加的狀況，因此制造平臺(tái)智能化升級(jí)是企業(yè)發(fā)展的必由之路。通過(guò)精益制造模式對(duì)生產(chǎn)流程的數(shù)據(jù)信息流進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，驅(qū)動(dòng)MES系統(tǒng)的生產(chǎn)執(zhí)行，同時(shí)充分有效的應(yīng)用以RFID技術(shù)作為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，二者相輔相成，能夠成為文具行業(yè)智能制造平臺(tái)升級(jí)的有力保障。