条码技术在电力二次设备生产线中的应用

刘乐全，费 翔，李桂红

电力系统二次设备产品具有升级换代快、交货期短、按订单生产、小批量、多品种的特点，属于典型的离散制造模式。这些特点反映在信息模型上就是信息量大、关联和处理规则复杂，使得企业对生产过程的管理模式和信息化水平提出了更高的要求。对制造过程中不断产生的大量信息的实时采集、传递和处理，是企业管理人员做出实时、准确、可靠的计划和决策的前提和基础［1］。因此，对制造过程中的信息准确地进行实时采集，并保证制造过程物流和信息流的实时同步，在实现零部件和产品的零库存、生产管理精益化等方面起着至关重要的作用。

条码管理技术在企业管理中的应用具有投入少、成本低、采集数据迅速可靠、操作简单、应用面广等特点［2］。在制造业中采用条码管理技术，可以实现对生产动态跟踪、仓库数据管理、产品追溯、质量跟踪、人员管理等功能。

本文以某电力设备生产企业变电站装置生产流水线的数据管理为例，将条码管理技术应用于生产线数据采集，从制造过程物流和信息流实时同步的需求出发，构建生产线数据采集系统，实现生产过程的信息化管理。

1 系统概述

1.1 系统需求分析

根据生产线功能需求与软硬件环境，对系统需求分析如下:

a.能识别不同码制的一维码、二维码;

b.系统适应性广，适应不同类型的条码，不同尺寸、不同张贴位置;

c.条码扫描具备网络通讯功能，可将一条生产线的多套扫描器扫到的条码信息，通过有线网络传送给生产线数据采集电脑，统一进行数据收集;

d.提供计算机自动条码记录与管理软件，供生产管理系统进行跟踪和管理。

1.2 系统功能特点

变电站装置由插箱、插件、模件3部分组成，装置中任何一个零件发生变化都会产生不同的装置类型，因而其生产方式为小批量、多品种的离散制造模式。在装置生产流水线装配作业过程中，通过扫描装置采集零部件条码信息，建立装置与插箱、模件、插件的对应关系，即装置BOM。记录生产状态信息到数据库，如生产线号、作业员工号、扫描枪号、作业时间等。同时通过软件系统对数据进行分析，实现生产实时监控和产品信息管理。

2 系统方案设计

2.1 系统结构设计

数据采集系统由以下几部分组成:

a.条码打印机。用于打印不同码制的一维、二维条码。

b.条码扫描器。用于对工件上的条码进行扫描。

c.通讯网络和数据采集计算机。采用RS232/485的传输模式，通过多功能串口转换卡可以实现一台电脑接多个扫描器。生产线根据工位配置多个条码扫描器，这些扫描器通过有线方式与电脑连接。

d.条码数据记录与管理软件。一方面通过网络和生产线的各台条码扫描器通讯，实时收集最新的条码信息，存储在数据库中;另一方面生产管理者可通过客户端调用这些信息用于生产监控与管理。

数据采集系统结构图如图1所示。

图1 数据采集系统结构图

2.2 系统软硬件构成

条码扫描器:Honeywell 1900系列扫描器

条码打印机:DATAMAX公司M－4206CLASS工业级条码打印机

数据传输适配器:MOXA CP－118U多串口卡

转换器:RS232/485转换器

条码打印软件:BarTender

数据库:Microsoft SQL Server

操作系统:Windows XP

2.3 系统流程设计

数据采集系统工作流程为:制订扫描流程→扫描员工条码→条码数据采集、监控→数据查询与输出。

a.制订扫描流程:生产部门接到生产计划，根据装置装配工艺，为每台扫描器制订扫描任务。

b.扫描员工条码:工作人员在扫描开始时，先扫描自己的员工条码，以确定操作岗位的人员信息。

c.条码数据采集、监控:作业员根据扫描任务进行扫描，条码信息经数据采集系统处理，符合扫描流程的信息存储到数据库，不符合扫描流程的信息给予错误报警。数据采集系统对条码信息的处理流程如图2所示。

d.数据查询与输出:采集到的信息可查询、统计、输出，为生产管理提供数据。

图2 条码信息处理流程图

3 关键技术与算法

3.1 条码编码规则

条码编码规则应遵循以下原则:唯一性、简单性、易识别性、可扩充性、合理性、规范性、快捷性、连续性、系统性［2］。根据此原则，本系统条码编码由装置物料代码(SAP编码)+生产批号+流水号组成，利用条码软件生成条形码。物料代码指在SAP系统中使用的装置物料编码，由9位数字组成，如700081345;生产批号指产品生产的年月，如1104代表2011年4月生产;流水号指对应产品生产的顺序号，占5位，即每种产品共可计数至约10万。

3.2 串口通信技术

本系统扫描器和上位机之间的连接采用串口通信技术。在Windows下开发串行通信程序通常有如下几种方法:利用Windows API通信函数;利用Windows的读写端口函数_inp、_inpd、_outpw或开发驱动程序直接对串口进行操作;利用第三方提供或自己编写的串口通信类，如CSerialPort类;使用串口通信组件，如ActiveX控件MSComm。本系统采用第三方提供的通信类CSerialPort类实现串口通信编程。该类使用面向对象技术封装Win32 API函数，能支持多串口、多线程，使用方便。通过CSerialPort串口类，可以方便地实现扫描器与上位机的串口通信。

3.3 多线程、线程池

在离散型制造过程中，大量的数据采集、分析、处理和存储等需要满足一定的实时性要求，包括数据实时性和事务实时性两个方面［3］。数据实时性是指现场采集数据的更新周期;事务实时性是指数据平台对其事务处理的响应速度，可以是事件触发方式或定时触发方式。为满足本系统的实时性和稳定性需求，本系统采用多线程和线程池两种编程技术来实现。

多线程(CWinThread)是指程序可以同时运行多个并行执行的线程。使用多线程编程，可以派生出后台任务、管理同时发生的输入流、管理用户界面等［4］。线程池(CThreadPool)是一种多线程处理形式，处理过程中将任务添加到队列，然后在创建线程后自动启动这些任务。使用线程池的优点是:首先，线程池中线程的数目是动态调整的;其次，线程池利用IO完成端口的特性，它可以限制并发运行的线程数目，默认情况下，将会限制为CPU的数目，这样可以减少线程切换。

在本系统中，由一台计算机辅助整条装置生产线的数据采集、监控、错误报警、数据上传等任务，多个扫描器同时工作时，须处理多个并发数据，因此需要采用多线程技术，为每个扫描器设置一个线程，负责该扫描器的串口通信与数据处理。同时，由于系统只有一个语音报警系统，在多个扫描器产生并发错误报警时，需要采用线程池技术，实现按报警出现的先后顺序输出报警。

3.4 装置BOM数据结构

BOM数据结构一般有两种类型:双层父子结构和多级树形结构。由于装置是由插箱、插件、模件3部分组成，BOM结构为两层，因此装置BOM采用双层父子结构实现。通过合理地设置数据库表结构，可以方便地实现装置BOM搭建及生产数据信息的可追溯。双层父子结构表见表1、表2。

表1 双层父子结构－主表

表2 双层父子结构－从表

3.5 SAP 接口技术

SAP系统作为公司的数据管理平台，是本系统物料基础数据的来源和生产数据信息目的地。为实现本系统与SAP系统数据的统一性，需要用到SAP的接口技术［5］。本系统采用RFC技术实现数据采集系统与SAP系统的集成［6］。要实现与SAP数据交换与传递，需要在SAP开发环境下通过SAP开发工具ABAP建立两个RFC函数(Function)，分别实现对SAP物料主数据的输出及生产信息输入。系统与SAP系统的集成模式如图3所示。

图3 系统与SAP集成

4 系统应用效果

通过基于条码技术的数据采集系统开发，系统实现了以下功能。

a.产品追溯。通过记录和跟踪整机及主要部件的生产场地、生产日期、班组生产线、作业员、机台号等相关资料，建立起良好的可追溯性。

b.生产过程控制。通过扫描装置和各主要部件条码，可自动完成装置的生产流程控制、错误报警、产量统计等。通过扫描作业员编号、机台号，记录每个作业员的工作时间，实现员工作业管理。

c.生产管理。利用条码采集数据，可以建立包括产品的制造过程、部件配置等信息，为企业生产管理提供数据。

d.报表输出。输出生产所需的统计分析报表。

5 结束语

电力设备产品生产包括很多环节，如板件生产、板件测试、装置装配、装置调试、整机装配、整机调试、仓库管理、产品维护等多个环节。本系统仅从装置装配环节阐述了条码管理技术的应用。要使条码技术在公司信息化管理中发挥更大作用，需将条码管理应用到生产过程的各个环节，实现在产品全生命周期管理中的应用。实践证明，采用以条码为纽带的信息管理技术后，显著提高了企业的生产信息化管理水平。

［1］ 孙棣华，宋潇潇，郑林江.RFID与条码融合的离散制造过程自动标识技术［J］.计算机工程与应用，2010，46(7):1－4.

［2］ 张成海，张铎，赵守香.条码技术与应用［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［3］ 何伟，曾隽芳.RFID生产线监控及调度管理系统［J］.自动化仪表，2010，31(3):35－37.

［4］ 微软.MSDN Library for Visual Studio 2008［CP/DK］，2007.

［5］ 于烨，李向辉.SAP与外围系统接口的开发与实现［J］.自动化与仪表，2010(3):48－51.

［6］ 唐骏华.SAP ABAP实用程序开发攻略［M］.北京:机械工业出版社，2010.