Zusammenfassung: Angesichts der aktuellen Probleme veralteter Datenerfassungsmethoden und fehlender Verfahren zur Produktionsstatusüberwachung in Landmaschinenwerkstätten wurde eine Anwendungslösung auf Basis von RFID-Technologie (Radio Frequency Identification) untersucht. Zunächst wurden, basierend auf der Analyse des aktuellen Produktionsstatus des Unternehmens, ein Datenerfassungsschema und eine Netzwerkarchitektur auf RFID-Basis entwickelt. Anschließend wurde ein System zur Verfolgung des Produktionsfortschritts mithilfe von Visual Studio 2017 und der Programmiersprache C# implementiert. Schließlich wurde ein Maishäcksler als Forschungsobjekt ausgewählt, die Hardware vor Ort installiert und Experimente im Produktionsprozess durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das System schnell und stabil arbeitet und dem Unternehmen die Echtzeit-Datenerfassung und visuelle Überwachung des Produktionsstatus ermöglicht. Dies bestätigt die Machbarkeit und Effektivität der vorgeschlagenen Methode. Schlüsselwörter: Landmaschinenwerkstatt; Radiofrequenzidentifikation; Datenerfassung; visuelle Überwachung


Die Radiofrequenzidentifikation (RFID) ist eine berührungslose, automatische Identifikationstechnologie, die stationäre oder bewegliche Objekte mithilfe elektronischer Tags automatisch identifizieren kann. Als wichtiger Bestandteil des Internets der Dinge (IoT) hat sie im In- und Ausland große Beachtung gefunden und wurde von in- und ausländischen Wissenschaftlern intensiv in Bereichen wie Lagerverwaltung, Identitätserkennung und Produktionssteuerung untersucht. Im Vergleich zur herkömmlichen Barcode-Scanning-Technologie zeichnet sich die RFID-Technologie durch die Identifizierung von Chargen über große Entfernungen, eine hohe Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit und eine starke Anpassungsfähigkeit an die Umgebung aus. Dadurch werden ihre Anwendungsvorteile in der Datenerfassung in Fertigungswerkstätten, der Überwachung von Produktionsprozessen und anderen Bereichen immer deutlicher und haben die Entwicklung der Digitalisierung in der traditionellen diskreten Fertigung maßgeblich beeinflusst [1]. Aktuell haben in- und ausländische Wissenschaftler einige theoretische Untersuchungen zur Anwendung der RFID-Technologie durchgeführt: Literatur [2] fasst das Anwendungsmodell der RFID-Technologie in der diskreten Fertigung zusammen. Literatur [3] fasst die Kernanwendung von RFID zusammen: die Überwachung von Statusänderungen von Fertigungsressourcen und die Erfassung der damit verbundenen Daten; außerdem wird ein auf RFID basierendes Modell zur Erfassung von WIP-Daten (Work-in-Process) vorgeschlagen. Gemäß der EPC-Code-Struktur elektronischer Etiketten schlägt die Literatur [4] Codierungsregeln zur Verknüpfung von Fertigungsressourcen vor, um eine statische und dynamische Verknüpfung im Fertigungsprozess zu erreichen. Die Literatur [5-6] präsentiert einen Algorithmus zur Optimierung des RFID-Lesegeräteeinsatzes, der unter eingeschränkten Bedingungen eingesetzt werden kann, um die maximale Abdeckung im Raum zu erzielen. Literatur [7] schlägt die Kombination von RFID-Technologie und Lagerverwaltungssystem vor und entwickelt einen Auswahlalgorithmus für das RFID-Bestandsverwaltungssystem, um die Effizienz der Materialhandhabung zu maximieren und die Betriebskosten zu senken. Die oben genannte Literatur präsentiert verschiedene Anwendungsmodelle und Simulationsalgorithmen auf Basis der RFID-Technologie, konzentriert sich jedoch ausschließlich auf die Theorie und vernachlässigt die Anwendung auf die tatsächlichen Produktionsprobleme von Unternehmen. Daher besteht das Phänomen, dass die Anwendungsforschung hinter der Theorie zurückbleibt. Basierend auf den Forschungsergebnissen der genannten Wissenschaftler und unter Berücksichtigung der Produktionssituation eines Landmaschinenherstellers in Xinjiang wird eine RFID-Anwendungslösung für Landmaschinenwerkstätten vorgeschlagen. Die Hardwarekonfiguration und die Echtzeit-Datenerfassung mittels RFID wurden im Rahmen des Prozessablaufs und der Produktionschargen des Halbfertigprodukts implementiert. Zur visuellen Überwachung des Produktionsprozesses wurde eine Überwachungsplattform auf Basis einer C/S-Architektur mit Hilfe der Visual Studio 2017-Plattform entwickelt.

2 Analyse des Produktionsstatus und der Anwendungsanforderungen 2.1 Analyse des Produktionsstatus Die Xinjiang M Company ist ein Unternehmen, das Land- und Tierhaltungsmaschinen herstellt. Nach eingehender Untersuchung und Analyse besteht der Produktionsprozess des Maishäckslers hauptsächlich aus der Bearbeitung und Montage. Der Montageprozess ist in vier Arbeitsabschnitte unterteilt. Zunächst wird der Rahmen in die Montagelinie eingesetzt. An jeder Montagestation montieren die Arbeiter die entsprechenden Teile gemäß den jeweiligen Montagevorgaben, bis der Rahmen wieder vom Band genommen wird. Der Montageprozess ist komplex und umfasst viele verschiedene Materialien. Es bestehen zwei Hauptprobleme: (1) Die Datenerfassungsmethode ist veraltet. Die Ausrüstung ist alt und der Digitalisierungsgrad niedrig. Der zuständige Mitarbeiter muss die Montageinformationen manuell erfassen, sobald das Produkt die Produktionslinie verlässt. Es ist nicht möglich, Echtzeitdaten des Produktionsprozesses zu erhalten und die Produktionskapazität anhand historischer Daten zu analysieren. Beispielsweise führen unterschiedliche Qualifikationsniveaus der Arbeiter zu großen Unterschieden in der Bearbeitungszeit der einzelnen Arbeitsschritte, was zu einem unausgewogenen Produktionsablauf führt. (2) Probleme bei der Echtzeitüberwachung des Produktionsfortschritts. Werkstattmanager können den Produktionsfortschritt der aktuellen Produkte nicht in Echtzeit erfassen und müssen den Status der Fertigungslinie ständig überprüfen. Dies führt zu geringer Arbeitseffizienz sowie Zeit- und Kostenverschwendung. 2.2 Anwendungsbedarfsanalyse Immer mehr Wissenschaftler und Unternehmen erkennen die Bedeutung der Verknüpfung theoretischer Analysen mit den Produktionsbedingungen. Daher untersuchen wir hier das Informationsmanagement des Produktionsprozesses durch die Kombination von RFID-Technologie und Produktionsprozess. Die konkreten Inhalte sind: (1) Erfassung von Echtzeitdaten des Produktionsprozesses mittels RFID-Technologie zur papierlosen Übertragung von Produktdaten im Produktionsprozess. Dies führt zu einer Digitalisierung und beseitigt die Ungenauigkeit und Fehleranfälligkeit herkömmlicher manueller Erfassungsmethoden. (2) Unterschiedliche Qualifikationsniveaus der Mitarbeiter führen zu großen Unterschieden in den Bearbeitungszeiten. Die Bearbeitungszeiten der einzelnen Stationen können nicht standardisiert werden, was Zeit- und Kostenverschwendung verursacht. Die Echtzeit-Bearbeitungszeit wird durch RFID-Technologie erfasst und liefert Daten für die spätere Produktionskapazitätsanalyse des Unternehmens. (3) Eine einheitliche Datenverwaltung soll durch den Aufbau eines Werkstattnetzwerk-Unterstützungssystems realisiert, eine Plattform zur Verfolgung des Arbeitsfortschritts entwickelt und eine visuelle Überwachung des Produktionsprozesses erreicht werden.

3. RFID-basierte Anwendungslösungsentwicklung
3.1 Gestaltung des Datenerfassungsschemas Die Echtzeit-Datenerfassung bildet die Grundlage für die Echtzeit-Statusverfolgung von Produkten während des Produktionsprozesses und begleitet diesen. Die konkreten Datenerfassungskonzepte sind wie folgt:
3.1.1 Vorbereitungsphase für den Betrieb: Vor dem Betrieb müssen Materialien und RFID-Tags verknüpft werden. Schreiben Sie zunächst Produkt- und Prozessablaufinformationen auf den RFID-Tag, weisen Sie dem Produkt eine temporäre ID zur eindeutigen Identifizierung zu und initialisieren Sie den RFID-Tag. Kleben Sie den Tag anschließend auf das Produkt. Nach erfolgreicher Dateneingabe kann der Online-Betrieb vorbereitet werden.
3.1.2 Montagephase: In jedem Prozessschritt werden Datenerfassungspunkte eingerichtet, d. h. RFID-Antennen installiert. Sobald die Produkte an der Montagestation eintreffen, liest das Lesegerät die Prozessinformationen des Tags über die RFID-Antenne und ermittelt so den aktuellen Bearbeitungsstatus. Nach Abschluss des Prozesses durch den Mitarbeiter und positivem Ergebnis der Qualitätsprüfung werden die Daten im Etikett automatisch aktualisiert. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis alle Prozesse abgeschlossen sind. Anschließend wird die Debugging-Phase eingeleitet. 3.1.3 Debugging-Phase: Nach Abschluss der Montagearbeiten wird die Debugging-Phase der gesamten Maschine eingeleitet. Schlägt das Debugging fehl, wird der Bearbeitungsstatus des Produkts auf „Nachbearbeitung“ gesetzt. Nach Abschluss der Nachbearbeitung wird das Debugging wiederholt, bis es erfolgreich ist. Bei erfolgreichem Debugging wird der Bearbeitungsstatus auf „Debugging erfolgreich“ aktualisiert.
3.1.4 Auftragsende Nach Abschluss aller Montagevorgänge und erfolgreicher Fehlersuche an der gesamten Maschine werden die Daten automatisch über die Middleware zur Speicherung an den Datenbankserver übertragen. Alle Tags werden wiederhergestellt und die Tag-Informationen gleichzeitig für die Wiederverwendung gelöscht.

3.2 Prinzip der Materialstatusverfolgung Die Informationen zur Materialstatusverfolgung [8] umfassen grundlegende Materialinformationen und Informationen zum Materialstatus. Zu den grundlegenden Materialinformationen gehören beispielsweise Materialname, Materialcode, Spezifikationsmodell und Produktionscharge. Zu den Informationen zum Materialstatus gehören beispielsweise Montagestatus, Informationen zur Arbeitsstation und die für den Prozess benötigte Zeit. Durch die Installation von RFID-Datenerfassungspunkten an jeder Arbeitsstation können die sich ändernden Statusinformationen des Produkts während der Produktion an dieser Arbeitsstation erfasst werden, bis alle Prozesse abgeschlossen sind. Der gesamte Prozess gewährleistet die Synchronisierung des physischen und des Informationsflusses.

3.3 Systemnetzwerkarchitektur Basierend auf dem RFID-Datenerfassungsschema wurde die Systemnetzwerkarchitektur gemäß Abbildung 3 entworfen [9]. Die Datenerfassungsschicht ist über RFID-Datenerfassungsterminals direkt mit dem Produktionsstandort der Werkstatt verbunden, um die Erfassung und Speicherung von Produktionsdaten zu realisieren. Die zugrunde liegenden Daten werden anschließend über RFID-Middleware und das Werkstatt-LAN ​​auf den Datenbankserver hochgeladen. Die Datenverarbeitungsschicht stellt der Anwendungsschicht nach Abschluss der Verarbeitung der Originaldaten die Datenbasis bereit. Die Unternehmensanwendungsschicht unterstützt Funktionsmodule wie die Überwachung von Produktionsprozessen und die Abfrage historischer Informationen. Produktionsprozessdaten können auch über Webdienste oder XML (Extensible Markup Language) an andere Systeme bereitgestellt werden. Unternehmensmanager können durch die Integration mit MES-Systemen direkt oder indirekt Produktionsinformationen in Echtzeit abrufen. 272 ​​Fan Yuxin et al.: Forschung zur Anwendung der Radiofrequenzidentifikationstechnologie in landwirtschaftlichen Maschinenfertigungswerkstätten Ausgabe 5 Abbildung 3 Systemnetzwerkarchitektur

4. Systemimplementierung. Basierend auf dem oben beschriebenen Datenerfassungsschema und der Systemstruktur wurde mithilfe der Visual Studio dio2017-Plattform und der Programmiersprache C# sowie unter Berücksichtigung der vom Gerätehersteller bereitgestellten API-Konfigurationsdatei [10] eine Plattform zur Statusverfolgung der laufenden Produktion in einer Werkstatt für Landmaschinen entwickelt. Die Produktions- und Fertigungsdaten werden in einer SQL-Server-Datenbank gespeichert. Um Echtzeitfähigkeit und Datensicherheit zu gewährleisten, wurde das System mit einer Client-Server-Architektur (C/S) realisiert. Der Funktionsmodulaufbau des Systems ist in Abbildung 4 dargestellt. Er umfasst im Wesentlichen das Datenerfassungsmodul, die Produktionsstatusüberwachung, Echtzeit-Informationsstatistiken und die Abfrage historischer Daten. Abbildung 4: Funktionsarchitekturdiagramm des Systems. 4.1 Datenerfassungsmodul. Die Datenerfassung bildet den Kern des Systems und beinhaltet die Initialisierung von Tags und die Datenerfassung. Die erfassten Daten werden über das Datenerfassungsgerät in der Datenbank gespeichert und anschließend analysiert und verarbeitet, um die Produktionsstatusüberwachung zu unterstützen. 4.2 Produktionsstatusüberwachung: Sobald ein mit einem Tag versehenes Produkt in den Erfassungsbereich der Antenne gelangt, werden die Basisinformationen und der Produktionsstatus des Produkts erfasst und der Produktionsstatus des laufenden Arbeitsgangs in Echtzeit überwacht. Der Produktionsplan wird in Echtzeit über die Produktionschargennummer des laufenden Arbeitsgangs zurückgemeldet. 4.3 Echtzeit-Informationsstatistik: Echtzeitstatistik zur Gesamtzahl der Online-Operationen, der fertiggestellten Menge und der Menge in der Montage der gesamten Montagelinie; Statistik zur Menge verschiedener Produkte nach Arbeitsstationen, Produktkategorien und Produktionsplänen. 4.4 Abfrage historischer Daten: Statistik historischer Daten produzierter Produkte basierend auf Fertigstellungszeitpunkt, Produktspezifikationen und -modellen, Plannummern und Produktcodes. 5 Fallverifizierung: Das Experiment verwendet den Montageprozess eines Maiszerkleinerers als Beispiel. Die RFID-Hardwarekonfiguration der Produktionslinie ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Lesegerät erfasst und schreibt Daten auf den Tag, indem es mit der RFID-Antenne verbunden wird, und verbindet sich dann mit dem Host-Computer, um ein lokales Netzwerk zu bilden. Der Host-Computer implementiert die Konfiguration der RFID-Hardware-Geräteparameter und die Datenkommunikation mit dem Lesegerät. RFID-Lesegerät/Schreiber, RFID-Tag, Host-Computer, Maiszerkleinerer, RFID-Antenne, Abbildung 5: RFID-Standortkonfigurationsdiagramm. Abb. 5: RFID-Standortlayout. Der Maiszerkleinerer besteht aus vier Montageabschnitten, die jeweils mit einer RFID-Antenne ausgestattet sind. Der Montageprozess des Zerkleinerers dient als Untersuchungsobjekt. Die Materialnummer des Zerkleinerers lautet 202031506250001, das Spezifikationsmodell QS-3150 und der Produktionsplan 202006-01. Der zugehörige Prozessablauf ist in Abbildung 6 dargestellt. Aufgrund der komplexen Gegebenheiten vor Ort kann die Konfiguration der RFID-Ausrüstung variieren. Um die Leseeffizienz der RFID-Antenne zu gewährleisten, ist an der Gehäuseseite in Antennennähe ein elektronisches Etikett angebracht, sodass jeder Montageschritt erfasst werden kann. Abbildung 6: Ablaufdiagramm des Montageprozesses des Maiszerkleinerers. Abbildung 7: Systembedienoberfläche. Vor der Montage des Zerkleinerers wird ein RFID-Tag angebracht und mit Initialinformationen wie Produktname, Codierung, Produktionsplannummer usw. versehen. Nach Abschluss der Tag-Initialisierung ist die Produktion bereit. Beim ersten Prozess liest der RFID-Chip die Tag-Informationen und erfasst den aktuellen Standort und Status. Gleichzeitig wird die Startzeit aufgezeichnet. Nach Abschluss des Prozesses werden die Etiketteninformationen automatisch aktualisiert und die Fertigstellungszeit aufgezeichnet. Dieser Vorgang wird bis zum Abschluss der Fehlerbehebung fortgesetzt. Die gesammelten Daten werden in der Datenbank gespeichert, und die Tags werden anschließend recycelt. Die Programmoberfläche zeigt den gesamten Prozess in Echtzeit an und kann den Fertigstellungsstatus des aktuellen Prozesses und des Produktionsplans präzise darstellen. Außerdem werden die Fertigstellungszeit jedes Prozesses, die Online-Menge jedes Produktmodells, die Gesamtmenge der fertigen Produkte und weitere Informationen angezeigt.