Tóm tắt: Trước những vấn đề hiện tại về phương pháp thu thập dữ liệu lạc hậu và thiếu phương pháp giám sát tình trạng sản xuất trong các xưởng chế tạo máy móc nông nghiệp, bài nghiên cứu này đã đề xuất một giải pháp ứng dụng dựa trên công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID). Đầu tiên, trên cơ sở phân tích tình trạng sản xuất hiện tại của doanh nghiệp, một phương án thu thập dữ liệu và kiến ​​trúc hỗ trợ mạng dựa trên công nghệ RFID đã được đề xuất; thứ hai, một hệ thống theo dõi tình trạng sản xuất dở dang đã được phát triển thông qua nền tảng Visual Studio 2017 và ngôn ngữ C#; cuối cùng, một máy cắt ngô được chọn làm đối tượng nghiên cứu để triển khai phần cứng tại địa điểm sản xuất và tiến hành thử nghiệm trên quy trình sản xuất của nó; các trường hợp thử nghiệm cho thấy hệ thống có thể hoạt động nhanh chóng và ổn định, giúp công ty đạt được việc thu thập dữ liệu thời gian thực và giám sát trực quan tình trạng sản xuất, xác minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp được đề xuất. Từ khóa: xưởng chế tạo máy móc nông nghiệp; nhận dạng tần số vô tuyến; thu thập dữ liệu; giám sát trực quan


Nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) là công nghệ nhận dạng tự động không tiếp xúc có thể tự động nhận dạng các vật thể đứng yên hoặc di chuyển được gắn thẻ điện tử. Là một phần quan trọng của Internet vạn vật, công nghệ này đã nhận được sự quan tâm lớn trong và ngoài nước, và đã được các học giả trong và ngoài nước nghiên cứu sâu rộng ở các khía cạnh như quản lý kho, nhận dạng danh tính và kiểm soát sản xuất. Ngoài ra, so với công nghệ quét mã vạch truyền thống, công nghệ RFID có đặc điểm nhận dạng hàng loạt từ xa, tốc độ xử lý thông tin nhanh và khả năng thích ứng mạnh mẽ với môi trường, làm cho lợi thế ứng dụng của nó trong việc thu thập dữ liệu xưởng sản xuất, giám sát quy trình sản xuất và các lĩnh vực khác ngày càng rõ rệt, tác động to lớn đến sự phát triển của tin học hóa trong sản xuất rời rạc truyền thống [1]. Hiện nay, các học giả trong và ngoài nước đã thực hiện một số nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng công nghệ RFID: Tài liệu [2] tóm tắt mô hình ứng dụng công nghệ RFID trong sản xuất rời rạc. Tài liệu [3] tóm tắt bản chất ứng dụng của RFID: giám sát sự thay đổi trạng thái của tài nguyên sản xuất và thu thập dữ liệu liên quan đến sự thay đổi; và đề xuất mô hình thu thập dữ liệu trong quá trình sản xuất dựa trên RFID. Theo cấu trúc mã EPC trong thẻ điện tử, tài liệu [4] đề xuất các quy tắc mã hóa để liên kết các nguồn lực sản xuất nhằm đạt được liên kết tĩnh và liên kết động của quá trình xử lý nguồn lực sản xuất. Tài liệu [5-6] đề xuất thuật toán triển khai tối ưu hóa đầu đọc RFID, có thể được sử dụng trong điều kiện hạn chế. Đạt được diện tích phủ sóng tối đa trong không gian. Tài liệu [7] đề xuất sự kết hợp giữa công nghệ RFID và hệ thống quản lý kho, đồng thời phát triển thuật toán lựa chọn trong hệ thống quản lý hàng tồn kho RFID để tối đa hóa hiệu quả xử lý vật liệu và giảm chi phí vận hành. Các tài liệu nêu trên đề xuất nhiều mô hình ứng dụng và nghiên cứu thuật toán mô phỏng dựa trên công nghệ RFID, nhưng tất cả đều tập trung vào nghiên cứu lý thuyết và thiếu nghiên cứu kết hợp với các vấn đề sản xuất thực tế của doanh nghiệp. Do đó, tồn tại hiện tượng "nghiên cứu ứng dụng tụt hậu so với nghiên cứu lý thuyết". Dựa trên nghiên cứu của các học giả nêu trên, kết hợp với tình trạng sản xuất của một doanh nghiệp máy móc nông nghiệp ở Tân Cương, một giải pháp ứng dụng RFID cho các xưởng sản xuất máy móc nông nghiệp được đề xuất. Cấu hình phần cứng và thu thập dữ liệu thời gian thực của RFID được triển khai xung quanh quy trình sản xuất và các lô sản phẩm của quy trình sản xuất bán thành phẩm, và một nền tảng giám sát dựa trên kiến ​​trúc C/S đã được phát triển thông qua nền tảng Visual Studio 2017 để đạt được khả năng giám sát trực quan quy trình sản xuất.

2 Phân tích hiện trạng sản xuất và yêu cầu ứng dụng 2.1 Phân tích hiện trạng sản xuất Công ty TNHH M Tân Cương là một doanh nghiệp chuyên sản xuất máy móc nông nghiệp và chăn nuôi. Sau khi điều tra và phân tích, quy trình sản xuất máy cắt ngô chủ yếu được thực hiện bằng gia công cơ khí và lắp ráp. Quá trình lắp ráp chủ yếu được chia thành bốn công đoạn. Khung vỏ được đưa vào dây chuyền lắp ráp trước tiên. Mỗi khi đến một trạm lắp ráp, công nhân sẽ lắp đặt các bộ phận tương ứng theo yêu cầu lắp ráp cho đến khi máy rời khỏi dây chuyền. Quá trình lắp ráp phức tạp và có nhiều loại vật liệu. Có hai vấn đề chính: (1) Phương pháp thu thập dữ liệu lạc hậu. Thiết bị cũ và trình độ tin học hóa lạc hậu. Người phụ trách công đoạn cần phải ghi lại thông tin lắp ráp thủ công khi sản phẩm ra khỏi dây chuyền sản xuất. Không thể thu thập dữ liệu thời gian thực của quá trình sản xuất, và không thể phân tích năng lực sản xuất bằng cách phân tích dữ liệu lịch sử. Ví dụ, trình độ chuyên môn khác nhau của công nhân dẫn đến sự khác biệt lớn về thời gian hoàn thành của mỗi quy trình, dẫn đến hoạt động dây chuyền sản xuất không cân bằng. (2) Vấn đề giám sát tiến độ sản xuất theo thời gian thực. Các quản lý xưởng không thể nắm bắt thông tin tiến độ sản xuất thực tế của các sản phẩm hiện tại một cách kịp thời và cần phải liên tục kiểm tra tình trạng của dây chuyền sản xuất, dẫn đến hiệu quả công việc thấp và lãng phí thời gian, chi phí. 2.2 Phân tích nhu cầu ứng dụng Ngày càng nhiều học giả và doanh nghiệp nhận ra tầm quan trọng của việc kết hợp phân tích lý thuyết với điều kiện sản xuất của doanh nghiệp. Do đó, ở đây chúng tôi nghiên cứu quản lý thông tin của quy trình sản xuất thông qua sự kết hợp giữa công nghệ RFID và quy trình sản xuất. Nội dung cụ thể như sau: (1) Thu thập dữ liệu thời gian thực của quy trình sản xuất thông qua công nghệ RFID để đạt được việc truyền tải dữ liệu sản phẩm không cần giấy tờ trong quy trình sản xuất. Thông tin hóa. Loại bỏ tính không kịp thời và dễ xảy ra lỗi của các phương pháp thu thập thủ công truyền thống. (2) Trình độ chuyên môn khác nhau của công nhân dẫn đến sự khác biệt lớn về thời gian xử lý, và thời gian xử lý của mỗi trạm không thể được chuẩn hóa, dẫn đến lãng phí thời gian và chi phí. Thời gian xử lý thời gian thực được thu thập thông qua công nghệ RFID, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho việc phân tích năng lực sản xuất sau này của công ty. (3) Thực hiện quản lý dữ liệu thống nhất bằng cách xây dựng hệ thống hỗ trợ mạng xưởng, phát triển nền tảng theo dõi tiến độ công việc và đạt được giám sát trực quan quá trình sản xuất.

3. Thiết kế giải pháp ứng dụng dựa trên RFID
3.1 Thiết kế phương án thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu thời gian thực là nền tảng cho việc theo dõi trạng thái sản phẩm trong quá trình sản xuất theo thời gian thực, và quá trình thu thập dữ liệu đi kèm với toàn bộ quá trình sản xuất. Các ý tưởng thu thập dữ liệu cụ thể như sau:
3.1.1 Giai đoạn chuẩn bị vận hành Trước khi vận hành, vật liệu và thẻ RFID cần được liên kết. Đầu tiên, ghi thông tin sản phẩm và thông tin quy trình vào thẻ RFID, gán mã ID tạm thời cho sản phẩm để nhận dạng duy nhất và hoàn tất quá trình khởi tạo thẻ RFID. Sau đó, dán nhãn lên mô hình sản phẩm. Sau khi nhập thông tin thành công, bạn có thể chuẩn bị cho hoạt động trực tuyến.
3.1.2 Giai đoạn vận hành lắp ráp Thiết lập các điểm thu thập dữ liệu trong mỗi quy trình, tức là lắp đặt ăng-ten RFID. Khi sản phẩm đang trong quá trình sản xuất đến trạm lắp ráp, đầu đọc sẽ đọc thông tin quy trình trong thẻ thông qua ăng-ten RFID và thu được thông tin trạng thái xử lý hiện tại. Khi công nhân hoàn thành quy trình và kết quả kiểm tra chất lượng là "đạt yêu cầu", dữ liệu trên nhãn sẽ được tự động cập nhật theo thông tin quy trình. Quá trình trên sẽ được lặp lại cho đến khi tất cả các quy trình hoàn tất, chờ đến khi vào giai đoạn gỡ lỗi. 3.1.3 Giai đoạn gỡ lỗi Sau khi công việc lắp ráp của sản phẩm đang trong quá trình sản xuất hoàn tất, máy sẽ bước vào giai đoạn gỡ lỗi toàn bộ. Nếu gỡ lỗi thất bại, trạng thái xử lý của sản phẩm đang trong quá trình sản xuất sẽ được cập nhật thành "Làm lại". Sau khi làm lại hoàn tất, giai đoạn gỡ lỗi sẽ tiếp tục cho đến khi gỡ lỗi thành công; nếu gỡ lỗi thành công, thông tin trạng thái xử lý sẽ được cập nhật thành "Gỡ lỗi thành công".
3.1.4 Kết thúc công việc Sau khi tất cả các thao tác lắp ráp hoàn tất và toàn bộ máy được gỡ lỗi thành công, dữ liệu sẽ tự động được truyền đến máy chủ cơ sở dữ liệu thông qua phần mềm trung gian để lưu trữ. Tất cả các thẻ được khôi phục và thông tin thẻ được xóa đồng thời để tái chế. Quy trình cụ thể.

3.2 Nguyên tắc theo dõi trạng thái vật liệu Thông tin theo dõi trạng thái vật liệu [8] bao gồm thông tin vật liệu cơ bản và thông tin trạng thái vật liệu. Thông tin vật liệu cơ bản như tên vật liệu, mã vật liệu, mẫu thông số kỹ thuật, lô sản xuất, v.v.; thông tin trạng thái vật liệu như thông tin trạng thái lắp ráp, thông tin trạm làm việc, thời gian cần thiết để hoàn thành quy trình, v.v. Bằng cách lắp đặt các điểm thu thập dữ liệu RFID tại mỗi trạm làm việc, thông tin trạng thái thay đổi của sản phẩm trong quá trình sản xuất tại trạm làm việc đó có thể được ghi lại cho đến khi tất cả các quy trình hoàn tất. Toàn bộ quy trình thực hiện đồng bộ hóa dòng chảy vật lý và dòng chảy thông tin.

3.3 Kiến trúc hỗ trợ mạng hệ thống Dựa trên sơ đồ thu thập dữ liệu RFID, kiến ​​trúc hỗ trợ mạng hệ thống được thiết kế [9], như thể hiện trong Hình 3. Lớp thu thập dữ liệu trực tiếp tiếp xúc với địa điểm sản xuất của xưởng thông qua các thiết bị đầu cuối thu thập dữ liệu RFID để thực hiện việc thu thập và lưu trữ dữ liệu sản xuất. Dữ liệu cơ bản sau đó được tải lên máy chủ cơ sở dữ liệu thông qua phần mềm trung gian RFID và mạng LAN của xưởng; lớp xử lý dữ liệu cung cấp hỗ trợ dữ liệu cho lớp ứng dụng sau khi hoàn thành việc xử lý dữ liệu gốc; lớp ứng dụng doanh nghiệp được sử dụng để hỗ trợ các mô-đun chức năng như giám sát quy trình sản xuất và truy vấn thông tin lịch sử. Dữ liệu quy trình sản xuất cũng có thể được cung cấp cho các hệ thống khác thông qua Dịch vụ Web hoặc Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng (XML). Các nhà quản lý doanh nghiệp có thể trực tiếp hoặc gián tiếp thu được thông tin sản xuất theo thời gian thực thông qua việc tích hợp với các hệ thống MES. 272 ​​Fan Yuxin và cộng sự: Nghiên cứu về ứng dụng công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến trong các xưởng sản xuất máy móc nông nghiệp Số 5 Hình 3 Kiến trúc hỗ trợ mạng hệ thống Hình 3 Kiến trúc hỗ trợ mạng hệ thống

4 Triển khai hệ thống Dựa trên sơ đồ thu thập dữ liệu và cấu trúc hệ thống nêu trên, thông qua nền tảng Visual Studio dio2017 và ngôn ngữ lập trình C#, và tham khảo tệp cấu hình API do nhà phát triển thiết bị cung cấp [10], một nền tảng theo dõi trạng thái tiến độ công việc của xưởng sản xuất máy móc nông nghiệp đã được phát triển, sử dụng cơ sở dữ liệu SQL Server để lưu trữ dữ liệu sản xuất và chế tạo. Để đảm bảo tính thời gian thực và bảo mật của dữ liệu, hệ thống được phát triển bằng kiến ​​trúc C/S. Thiết kế mô-đun chức năng hệ thống, như thể hiện trong Hình 4. Nó chủ yếu bao gồm mô-đun thu thập dữ liệu, giám sát trạng thái sản xuất, thống kê thông tin thời gian thực và truy vấn dữ liệu lịch sử. Hình 4 Sơ đồ kiến ​​trúc chức năng hệ thống 4.1 Mô-đun thu thập dữ liệu Thu thập dữ liệu là cốt lõi của hệ thống, bao gồm khởi tạo thẻ và thu thập dữ liệu. Nghĩa là, dữ liệu được thu thập được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu thông qua thiết bị thu thập dữ liệu, và sau đó thông qua phân tích và xử lý dữ liệu, dữ liệu hỗ trợ được cung cấp cho việc giám sát trạng thái sản xuất. 4.2 Giám sát trạng thái sản xuất Khi sản phẩm được gắn thẻ đi vào khu vực quét của anten, thông tin cơ bản và thông tin trạng thái sản xuất của sản phẩm sẽ được thu thập, đồng thời trạng thái sản xuất của sản phẩm đang trong quá trình được giám sát theo thời gian thực; kế hoạch sản xuất được phản hồi theo thời gian thực thông qua số lô sản xuất của sản phẩm đang trong quá trình. Lịch trình hoàn thành. 4.3 Thống kê thông tin thời gian thực: Thống kê thời gian thực về tổng số thao tác trực tuyến, số lượng hoàn thành và số lượng đang lắp ráp của toàn bộ dây chuyền lắp ráp; thống kê về số lượng các sản phẩm khác nhau theo trạm làm việc, loại sản phẩm và kế hoạch sản xuất. 4.4 Truy vấn dữ liệu lịch sử Thống kê dữ liệu lịch sử của các sản phẩm được sản xuất dựa trên thời gian hoàn thành, thông số kỹ thuật và mẫu mã sản phẩm, số kế hoạch và mã sản phẩm. 5 Kiểm chứng trường hợp Thí nghiệm lấy quy trình lắp ráp máy băm ngô làm ví dụ. Cấu hình phần cứng RFID của dây chuyền sản xuất được thể hiện trong Hình 5. Đầu đọc thu thập và ghi dữ liệu vào thẻ bằng cách kết nối với anten RFID, sau đó kết nối với máy tính chủ để tạo thành mạng cục bộ. Máy tính chủ thực hiện thiết lập các thông số thiết bị phần cứng RFID và truyền dữ liệu với đầu đọc. Đầu đọc/ghi RFID Thẻ RFID Máy tính chủ Máy cắt ngô Ăng-ten RFID Hình 5 Sơ đồ cấu hình trạm RFID Hình 5 Bố trí trạm RFID Máy cắt ngô có bốn bộ phận lắp ráp, mỗi bộ phận được trang bị một ăng-ten RFID. Lấy quy trình lắp ráp máy cắt làm đối tượng nghiên cứu, mã vật liệu tương ứng với máy cắt là 202031506250001, kiểu máy là QS-3150, và kế hoạch sản xuất là 202006-01. Bảng lộ trình quy trình tương ứng được thể hiện trong Hình 6. Cần lưu ý rằng do sự phức tạp của môi trường tại chỗ, cấu hình của thiết bị RFID sẽ bị ảnh hưởng. Để đảm bảo hiệu quả đọc của ăng-ten RFID, nhãn điện tử được dán vào cạnh vỏ máy gần ăng-ten để đảm bảo có thể đọc được từng quy trình lắp ráp. Hình 6 Sơ đồ quy trình lắp ráp máy băm ngô. Hình 6 Quy trình lắp ráp máy băm ngô. Hình 7 Giao diện vận hành hệ thống. Hình 7 Giao diện vận hành hệ thống. Trước khi lắp ráp máy băm, gắn thẻ RFID và nhập thông tin ban đầu, chẳng hạn như tên sản phẩm, mã số, số kế hoạch sản xuất, v.v. Sau khi quá trình khởi tạo thẻ hoàn tất, thẻ sẵn sàng cho sản xuất trực tuyến. Khi sản phẩm vào quy trình đầu tiên, RFID đọc thông tin trên thẻ và thu được thông tin vị trí hiện tại và thông tin trạng thái. Đồng thời, nó ghi lại thời gian bắt đầu. Khi máy băm hoàn thành quy trình, thông tin trên nhãn sẽ được cập nhật tự động và thời gian hoàn thành sẽ được ghi lại, v.v. cho đến khi quá trình gỡ lỗi hoàn tất. Đồng thời, dữ liệu thu thập được sẽ được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu, và cuối cùng các thẻ sẽ được tái chế. Giao diện chạy chương trình hiển thị toàn bộ quy trình nêu trên theo thời gian thực, và cũng có thể hiển thị chính xác trạng thái hoàn thành của quy trình hiện tại và kế hoạch sản xuất, đồng thời tính toán thời gian hoàn thành của mỗi quy trình, số lượng trực tuyến của mỗi loại sản phẩm, số lượng hoàn thành và các thông tin khác.