基于RFID技術(shù)的油漆車(chē)身跟蹤系統設計及應用

1.前言

近年來(lái)，隨著(zhù)制造業(yè)自動(dòng)化水平的快速提高和迅猛發(fā)展，生產(chǎn)線(xiàn)的信息跟蹤管理體現出越來(lái)越高的重要性。實(shí)現產(chǎn)品信息跟蹤管理的核心就是要有標明產(chǎn)品本身信息的載體，常見(jiàn)的信息載體有二維碼、條形碼、射頻識別系統RFID（Radio Frequency Identification）。RFID是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種快速識別技術(shù)，通過(guò)對載碼體的無(wú)接觸識別獲得存儲的信息代碼。載碼體又俗稱(chēng)電子標簽（TAG），與傳統條形碼技術(shù)相比，電子標簽具有數據記憶容量大；可讀可寫(xiě)、無(wú)接觸識別；耐高溫、耐腐蝕適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)；而且具有穿透性可無(wú)障礙讀寫(xiě)，可以穿透覆蓋的紙張、木材、塑料等非金屬或非透明材質(zhì)，誤讀率也低，因此被廣泛應用于各行業(yè)。

本文以實(shí)際項目使用經(jīng)驗介紹RFID技術(shù)在汽車(chē)制造業(yè)使用的實(shí)例，實(shí)現油漆車(chē)間車(chē)身信息的跟蹤管理。

2.系統總體結構

2.1車(chē)身跟蹤系統的結構

神龍汽車(chē)有限公司武漢二廠(chǎng)油漆車(chē)間從生產(chǎn)管理到制造工藝設備及技術(shù)均達到了PSA全球精益化樣板工廠(chǎng)標桿水平。在車(chē)間內部車(chē)身跟蹤系統采用了目前先進(jìn)的RFID識別技術(shù)，系統總體設計結構如圖1。從控制角度分，大致分為如圖所示三個(gè)層面：基礎設備層、控制層、中央管理層；ERP層屬企業(yè)管理層。車(chē)身數據流如圖中箭頭所示，各層級之間數據雙向傳遞，生產(chǎn)管理所需的車(chē)身信息永久保存在數據服務(wù)器中。在生產(chǎn)過(guò)程中，工藝、機器人、輸送設備可從電子標簽獲得指導生產(chǎn)必需的車(chē)身信息。

圖1RFID系統總體結構

2.2系統各組成部分任務(wù)簡(jiǎn)述

1)中央管理層：EN數據服務(wù)器是整個(gè)系統的數據處理管理中心。負責信息管理和控制生產(chǎn)流程，上連企業(yè)ERP系統，下管理整個(gè)油漆車(chē)間的生產(chǎn)物流指導，信息收集。隸屬于中控系統的現場(chǎng)客戶(hù)端，通過(guò)應用系統CCR-View操作平臺可以實(shí)現在線(xiàn)查詢(xún)、修改車(chē)間內部實(shí)際車(chē)身的信息，譬如顏色、車(chē)型等信息。

2)控制層：本地輸送PLC主要控制輸送鏈的運行，并負責車(chē)身信息上傳下達的作用，在接收到中央管理層發(fā)出的信息后負責傳遞至下層讀/寫(xiě)站，在收到下層讀/寫(xiě)站上傳的信息后負責傳送至機器人PLC、大屏幕顯示板以及工藝PLC，電泳線(xiàn)控制PLC收到不同的車(chē)型信息時(shí)，可以調用不同的電壓參數；噴漆機器人PLC可以根據收到的車(chē)型、顏色信息選擇不同的噴涂軌跡及油漆管線(xiàn)噴漆，從而實(shí)現工藝過(guò)程控制。本項目采用施奈德Premium 57系列5634M CPU，使用以太網(wǎng)連接實(shí)現信息傳遞。

3)基礎設備層：主要包含完整的RFID（射頻識別系統）和現場(chǎng)操作終端。RFID系統包含電子標簽（Tag）和讀/寫(xiě)站，電子標簽用來(lái)存儲必需的車(chē)身物流信息，讀/寫(xiě)站從標簽里讀取和寫(xiě)入數據，讀/寫(xiě)站通訊協(xié)議基于TCP/IP，直接通過(guò)以太網(wǎng)和控制PLC連接；現場(chǎng)操作終端用以控制讀寫(xiě)站，給人提供一個(gè)人機交互界面，可以顯示電子標簽存儲的相關(guān)信息，可實(shí)現緊急或信息錯誤情況下本地信息錄入、修改、查詢(xún)等功能。

3.系統功能

3.1使用RFID前的信息傳遞方式及特點(diǎn)

在使用RFID技術(shù)前，存儲車(chē)身信息主要是紙質(zhì)條形碼，采用條形碼的方式就是要在所用功能需求點(diǎn)設置企業(yè)管理層SPPV系統的客戶(hù)端，通過(guò)讀取條形碼，查詢(xún)SPPV系統的數據庫獲取需要的車(chē)身信息，指導生產(chǎn)管理。優(yōu)點(diǎn)是方便靈活，缺點(diǎn)是對于車(chē)間生產(chǎn)管理的幫助有很大局限性，只能提供車(chē)型、顏色等信息，不能融入車(chē)間自動(dòng)化系統的控制。隨著(zhù)光電技術(shù)的發(fā)展，一段時(shí)期內，很多汽車(chē)企業(yè)也使用了一種條形碼延伸技術(shù)——機械條碼（機械梳子），就是在每個(gè)雪橇上安裝一個(gè)具有唯一性的鋼制條形碼，使用光電傳感器來(lái)掃描讀寫(xiě)完成不同車(chē)身信息的傳遞，其特點(diǎn)是車(chē)身信息必須存儲在PLC里，設置一個(gè)專(zhuān)用車(chē)身數據PLC管理車(chē)間內部運行的所有車(chē)身的數據，BODY DATA PLC在車(chē)間運行時(shí)有大量數據交換，所以，對PLC性能要求高，大容量的內存，對網(wǎng)絡(luò )通訊的速率、可靠性要求都很高。

3.2RFID解決方案

采用RFID系統后，在每個(gè)雪橇底部保護盒里安裝一個(gè)電子標簽，電子標簽存儲著(zhù)條形碼、車(chē)型、顏色、整車(chē)定義碼等大量信息，形成多個(gè)小型移動(dòng)數據庫，在整個(gè)生產(chǎn)流程中經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)站點(diǎn)可讀可寫(xiě)。在多方技術(shù)調研和方案論證后，武漢二廠(chǎng)油漆項目選用了EMS公司的RFID識別系統。電子標簽采用最高可承受240℃ HMS150HT高溫系列產(chǎn)品，移動(dòng)電子標簽存儲了大量車(chē)身及物流指導信息（見(jiàn)圖2）。

圖2移動(dòng)電子標簽

因此當本地PLC與數據服務(wù)器通訊異常時(shí)，RFID系統利用電子標簽存儲的信息仍然可以生產(chǎn)，不會(huì )導致大面積生產(chǎn)終止。讀寫(xiě)頭采用HF-CNTL-IND-02，通訊協(xié)議基于TCP/IP，傳輸速度更快、穩定性也更好。根據生產(chǎn)和管理功能需要，在油漆車(chē)間出入口處、工件物流的分岔處、重要的工藝過(guò)程（如電泳線(xiàn)、UBS線(xiàn)、噴漆室、儲存區等）入口處總共設置了26套讀/寫(xiě)站，從而實(shí)現對車(chē)身進(jìn)入油漆車(chē)間到發(fā)總裝整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行RFID跟蹤管理和控制。

3.3車(chē)身跟蹤系統實(shí)現的主要功能

3.3.1生產(chǎn)管理指導功能

1)車(chē)身數據指導機器人及人工識別車(chē)型、噴涂顏色，

2)各類(lèi)車(chē)身物流的管理：包括車(chē)身的導入、導出、側厚管理，多次循環(huán)統計等，

3)載具的管理：包括底、面漆雪橇、UBS吊具清洗、導出修理等，

4)向下游車(chē)間系統傳遞車(chē)身信息。

3.3.2信息統計報表功能

1)實(shí)時(shí)統計各工藝段、生產(chǎn)線(xiàn)區域內在制品數量，

2)班、日、月等生產(chǎn)信息統計報表，

3)分時(shí)段，分車(chē)型、顏色統計已生產(chǎn)的各類(lèi)車(chē)身數量

3.3.3生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)監控功能

1)查找某輛車(chē)所在的具體位置，譬如是在存儲區或者點(diǎn)修補間等，

2)查閱在線(xiàn)或歷史車(chē)身在油漆車(chē)間的狀態(tài)，

RFID車(chē)身跟蹤系統作為油漆車(chē)間ENCCR系統的重要子模塊，各類(lèi)相關(guān)的生產(chǎn)管理人員通過(guò)獨立的使用權限登錄，從中控室或現場(chǎng)的客戶(hù)端CCR-View平臺可以進(jìn)入RFID車(chē)身跟蹤系統，實(shí)現生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)查詢(xún)、打印功能。

4.軟件設計

4.1讀寫(xiě)站標準功能塊內部結構

軟件方面，二廠(chǎng)油漆車(chē)間監控系統采用的Wonderware公司的InTouch 9.0作為上位機組態(tài)軟件。讀/寫(xiě)站采用標準以太網(wǎng)協(xié)議和操作終端及PLC連接并通訊，PLC與讀/寫(xiě)站控制器的通訊程序，是用Unity Pro開(kāi)發(fā)的Premium PLC的讀/寫(xiě)站功能塊MFC_MAIN，MFC_MAIN 功能塊涵蓋了所有與讀/寫(xiě)站有關(guān)的必要的程序邏輯，程序塊結構如圖3：

圖3程序塊結構

主程序塊內部結構主要包含與中央監控系統的報文消息CCR_MSG，與輸送系統的接口MFC_FTS_IF，與讀寫(xiě)系統的接口MFC_READ_WRITE_IF，以及與操作終端的數據接口RW_DB。

4.2標準程序塊的時(shí)序邏輯

標準的讀寫(xiě)站程序邏輯如圖4，圖中①號實(shí)線(xiàn)和②號虛線(xiàn)鏈路是程序中輸送系統與讀寫(xiě)站的交換信號，主要包括輸送發(fā)給讀寫(xiě)站的循環(huán)啟動(dòng)FT_START信號，循環(huán)結束信號SDS_FINISHED，還有讀寫(xiě)站發(fā)給輸送系統的反饋信號SDS_DFRG及輸送系統的修改及確認信號FT_DFRG；⑤號實(shí)線(xiàn)命令是讀寫(xiě)系統的執行信號READ和WRITE；③號邏輯鏈路主要是指PLC與CCR物流跟蹤體統數據庫的報文信號REQ_D、DATA_D，④號虛線(xiàn)是CCR數據庫給PLC的報文應答信號DATA_P；⑥號虛線(xiàn)部分DATR和DATW信號是執行讀寫(xiě)命令后的數據狀態(tài)，即讀出或寫(xiě)入的數據包。

圖4標準讀寫(xiě)站程序邏輯

4.3PLC程序中數據包格式

圖5站點(diǎn)提取數據

前文已經(jīng)描述過(guò)電子標簽中包含四大類(lèi)數據，在實(shí)際使用過(guò)程中多數情況下讀/寫(xiě)站功能塊并不需要讀取標簽中的全部數據，就是由讀寫(xiě)站的物理位置決定讀寫(xiě)站數據接口讀取范圍的不同，這樣能有效地縮短讀取字節長(cháng)度，從而節約讀取/寫(xiě)入時(shí)間。對于大多數站點(diǎn)在運行時(shí)只提取了車(chē)身和雪橇等關(guān)鍵數據，如下圖5，這些數據都從屬于RW_DB塊，RW_DB作為PLC與操作終端的接口，除了數據信息外，還定義了操作過(guò)程中的狀態(tài)、錯誤信息，以及緊急情況的處理，包括人工輸入車(chē)身條碼、雪橇號等對話(huà)窗口。

5.系統可靠性

所有應用于工業(yè)系統的技術(shù)解決方案，穩定性和可靠性都是第一決定要素，離開(kāi)其一都無(wú)法體現工業(yè)應用的實(shí)際價(jià)值。統觀(guān)RFID識別系統總體結構的各個(gè)環(huán)節，影響穩定性和可靠性的主要因素有：

5.1數據來(lái)源的可靠性

提到數據來(lái)源，對于本系統，數據來(lái)源包含三種方式：標簽源數據、操作終端手工錄入、

中控室數據庫手動(dòng)編輯。在系統自動(dòng)運行方式下，在車(chē)間入口，RFID讀寫(xiě)系統會(huì )將數據庫中的源數據寫(xiě)入電子標簽，并在系統中和該雪橇綁定，在輸送系統定位準確的情況下，剔除測試車(chē)、試驗車(chē)，首點(diǎn)寫(xiě)入的可靠性已高達千分之一。另外兩種數據錄入方式主要是在應急情況下的操作，譬如無(wú)車(chē)身信息的調試車(chē)、試驗車(chē)通過(guò)油漆車(chē)間，需要手工錄入車(chē)身信息；或者手動(dòng)導入無(wú)車(chē)身信息的車(chē)，需要在數據庫定義該車(chē)的信息。人工干預的過(guò)程給數據來(lái)源的可靠性帶來(lái)風(fēng)險，因此在所有讀/寫(xiě)站的操作終端，粘貼了詳細的操作流程及說(shuō)明，盡量減弱這個(gè)風(fēng)險，從而保證系統的可靠性。

5.2數據傳輸的可靠性、穩定性

從RFID系統結構來(lái)看，車(chē)身數據從電子標簽到中控室數據庫的雙向傳輸要經(jīng)過(guò)四個(gè)環(huán)節：讀/寫(xiě)站、操作終端、輸送PLC、數據服務(wù)器，其中讀/寫(xiě)站采用無(wú)線(xiàn)電波，其可靠識別率高達99.99%，其他三個(gè)環(huán)節的數據傳輸采用10M/100M工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸速度和通訊距離都是有可靠保障的，而且下層三個(gè)環(huán)節的設備都在本地，以太網(wǎng)連接的距離也不長(cháng)，即使和中控室數據庫的通訊出現問(wèn)題時(shí)，本地設備仍然可以降級運行，不影響底層數據的傳輸及設備的運行。

6.結束語(yǔ)

神龍汽車(chē)有限公司武漢二廠(chǎng)油漆車(chē)間自2009年6月開(kāi)始批量生產(chǎn)以來(lái)，車(chē)身跟蹤系統運行穩定，RFID系統讀寫(xiě)信息可靠，誤讀率低，選用的電子標簽在高溫、酸堿等惡劣環(huán)境下運行良好，操作系統人機界面友好，操作簡(jiǎn)便，車(chē)身跟蹤系統對全車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的指導管理功能大幅提升，有效提高生產(chǎn)效率。RFID技術(shù)在神龍汽車(chē)有限公司武漢二廠(chǎng)油漆車(chē)間應用的成功范例，對于促進(jìn)RFID全油漆車(chē)間解決方案在PSA集團的推廣有一定的積極意義。