基于RFID技術(shù)的油漆車身跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1.前言

近年來，隨著制造業(yè)自動化水平的快速提高和迅猛發(fā)展，生產(chǎn)線的信息跟蹤管理體現(xiàn)出越來越高的重要性。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息跟蹤管理的核心就是要有標(biāo)明產(chǎn)品本身信息的載體，常見的信息載體有二維碼、條形碼、射頻識別系統(tǒng)RFID（Radio Frequency Identification）。RFID是近年來迅速發(fā)展的一種快速識別技術(shù)，通過對載碼體的無接觸識別獲得存儲的信息代碼。載碼體又俗稱電子標(biāo)簽（TAG），與傳統(tǒng)條形碼技術(shù)相比，電子標(biāo)簽具有數(shù)據(jù)記憶容量大；可讀可寫、無接觸識別；耐高溫、耐腐蝕適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)；而且具有穿透性可無障礙讀寫，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(yīng)用于各行業(yè)。

本文以實(shí)際項(xiàng)目使用經(jīng)驗(yàn)介紹RFID技術(shù)在汽車制造業(yè)使用的實(shí)例，實(shí)現(xiàn)油漆車間車身信息的跟蹤管理。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1車身跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

神龍汽車有限公司武漢二廠油漆車間從生產(chǎn)管理到制造工藝設(shè)備及技術(shù)均達(dá)到了PSA全球精益化樣板工廠標(biāo)桿水平。在車間內(nèi)部車身跟蹤系統(tǒng)采用了目前先進(jìn)的RFID識別技術(shù)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1。從控制角度分，大致分為如圖所示三個(gè)層面：基礎(chǔ)設(shè)備層、控制層、中央管理層；ERP層屬企業(yè)管理層。車身數(shù)據(jù)流如圖中箭頭所示，各層級之間數(shù)據(jù)雙向傳遞，生產(chǎn)管理所需的車身信息永久保存在數(shù)據(jù)服務(wù)器中。在生產(chǎn)過程中，工藝、機(jī)器人、輸送設(shè)備可從電子標(biāo)簽獲得指導(dǎo)生產(chǎn)必需的車身信息。

圖1RFID系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2系統(tǒng)各組成部分任務(wù)簡述

1)中央管理層：EN數(shù)據(jù)服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理管理中心。負(fù)責(zé)信息管理和控制生產(chǎn)流程，上連企業(yè)ERP系統(tǒng)，下管理整個(gè)油漆車間的生產(chǎn)物流指導(dǎo)，信息收集。隸屬于中控系統(tǒng)的現(xiàn)場客戶端，通過應(yīng)用系統(tǒng)CCR-View操作平臺可以實(shí)現(xiàn)在線查詢、修改車間內(nèi)部實(shí)際車身的信息，譬如顏色、車型等信息。

2)控制層：本地輸送PLC主要控制輸送鏈的運(yùn)行，并負(fù)責(zé)車身信息上傳下達(dá)的作用，在接收到中央管理層發(fā)出的信息后負(fù)責(zé)傳遞至下層讀/寫站，在收到下層讀/寫站上傳的信息后負(fù)責(zé)傳送至機(jī)器人PLC、大屏幕顯示板以及工藝PLC，電泳線控制PLC收到不同的車型信息時(shí)，可以調(diào)用不同的電壓參數(shù)；噴漆機(jī)器人PLC可以根據(jù)收到的車型、顏色信息選擇不同的噴涂軌跡及油漆管線噴漆，從而實(shí)現(xiàn)工藝過程控制。本項(xiàng)目采用施奈德Premium 57系列5634M CPU，使用以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

3)基礎(chǔ)設(shè)備層：主要包含完整的RFID（射頻識別系統(tǒng)）和現(xiàn)場操作終端。RFID系統(tǒng)包含電子標(biāo)簽（Tag）和讀/寫站，電子標(biāo)簽用來存儲必需的車身物流信息，讀/寫站從標(biāo)簽里讀取和寫入數(shù)據(jù)，讀/寫站通訊協(xié)議基于TCP/IP，直接通過以太網(wǎng)和控制PLC連接；現(xiàn)場操作終端用以控制讀寫站，給人提供一個(gè)人機(jī)交互界面，可以顯示電子標(biāo)簽存儲的相關(guān)信息，可實(shí)現(xiàn)緊急或信息錯(cuò)誤情況下本地信息錄入、修改、查詢等功能。

3.系統(tǒng)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(shè)置企業(yè)管理層SPPV系統(tǒng)的客戶端，通過讀取條形碼，查詢SPPV系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫獲取需要的車身信息，指導(dǎo)生產(chǎn)管理。優(yōu)點(diǎn)是方便靈活，缺點(diǎn)是對于車間生產(chǎn)管理的幫助有很大局限性，只能提供車型、顏色等信息，不能融入車間自動化系統(tǒng)的控制。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，一段時(shí)期內(nèi)，很多汽車企業(yè)也使用了一種條形碼延伸技術(shù)——機(jī)械條碼（機(jī)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，使用光電傳感器來掃描讀寫完成不同車身信息的傳遞，其特點(diǎn)是車身信息必須存儲在PLC里，設(shè)置一個(gè)專用車身數(shù)據(jù)PLC管理車間內(nèi)部運(yùn)行的所有車身的數(shù)據(jù)，BODY DATA PLC在車間運(yùn)行時(shí)有大量數(shù)據(jù)交換，所以，對PLC性能要求高，大容量的內(nèi)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(tǒng)后，在每個(gè)雪橇底部保護(hù)盒里安裝一個(gè)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽存儲著條形碼、車型、顏色、整車定義碼等大量信息，形成多個(gè)小型移動數(shù)據(jù)庫，在整個(gè)生產(chǎn)流程中經(jīng)過讀寫站點(diǎn)可讀可寫。在多方技術(shù)調(diào)研和方案論證后，武漢二廠油漆項(xiàng)目選用了EMS公司的RFID識別系統(tǒng)。電子標(biāo)簽采用最高可承受240℃ HMS150HT高溫系列產(chǎn)品，移動電子標(biāo)簽存儲了大量車身及物流指導(dǎo)信息（見圖2）。

圖2移動電子標(biāo)簽

因此當(dāng)本地PLC與數(shù)據(jù)服務(wù)器通訊異常時(shí)，RFID系統(tǒng)利用電子標(biāo)簽存儲的信息仍然可以生產(chǎn)，不會導(dǎo)致大面積生產(chǎn)終止。讀寫頭采用HF-CNTL-IND-02，通訊協(xié)議基于TCP/IP，傳輸速度更快、穩(wěn)定性也更好。根據(jù)生產(chǎn)和管理功能需要，在油漆車間出入口處、工件物流的分岔處、重要的工藝過程（如電泳線、UBS線、噴漆室、儲存區(qū)等）入口處總共設(shè)置了26套讀/寫站，從而實(shí)現(xiàn)對車身進(jìn)入油漆車間到發(fā)總裝整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行RFID跟蹤管理和控制。

3.3車身跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

3.3.1生產(chǎn)管理指導(dǎo)功能

1)車身數(shù)據(jù)指導(dǎo)機(jī)器人及人工識別車型、噴涂顏色，

2)各類車身物流的管理：包括車身的導(dǎo)入、導(dǎo)出、側(cè)厚管理，多次循環(huán)統(tǒng)計(jì)等，

3)載具的管理：包括底、面漆雪橇、UBS吊具清洗、導(dǎo)出修理等，

4)向下游車間系統(tǒng)傳遞車身信息。

3.3.2信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能

1)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各工藝段、生產(chǎn)線區(qū)域內(nèi)在制品數(shù)量，

2)班、日、月等生產(chǎn)信息統(tǒng)計(jì)報(bào)表，

3)分時(shí)段，分車型、顏色統(tǒng)計(jì)已生產(chǎn)的各類車身數(shù)量

3.3.3生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

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

2)查閱在線或歷史車身在油漆車間的狀態(tài)，

RFID車身跟蹤系統(tǒng)作為油漆車間ENCCR系統(tǒng)的重要子模塊，各類相關(guān)的生產(chǎn)管理人員通過獨(dú)立的使用權(quán)限登錄，從中控室或現(xiàn)場的客戶端CCR-View平臺可以進(jìn)入RFID車身跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)查詢、打印功能。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1讀寫站標(biāo)準(zhǔn)功能塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

軟件方面，二廠油漆車間監(jiān)控系統(tǒng)采用的Wonderware公司的InTouch 9.0作為上位機(jī)組態(tài)軟件。讀/寫站采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議和操作終端及PLC連接并通訊，PLC與讀/寫站控制器的通訊程序，是用Unity Pro開發(fā)的Premium PLC的讀/寫站功能塊MFC_MAIN，MFC_MAIN 功能塊涵蓋了所有與讀/寫站有關(guān)的必要的程序邏輯，程序塊結(jié)構(gòu)如圖3：

圖3程序塊結(jié)構(gòu)

主程序塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含與中央監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)文消息CCR_MSG，與輸送系統(tǒng)的接口MFC_FTS_IF，與讀寫系統(tǒng)的接口MFC_READ_WRITE_IF，以及與操作終端的數(shù)據(jù)接口RW_DB。

4.2標(biāo)準(zhǔn)程序塊的時(shí)序邏輯

標(biāo)準(zhǔn)的讀寫站程序邏輯如圖4，圖中①號實(shí)線和②號虛線鏈路是程序中輸送系統(tǒng)與讀寫站的交換信號，主要包括輸送發(fā)給讀寫站的循環(huán)啟動FT_START信號，循環(huán)結(jié)束信號SDS_FINISHED，還有讀寫站發(fā)給輸送系統(tǒng)的反饋信號SDS_DFRG及輸送系統(tǒng)的修改及確認(rèn)信號FT_DFRG；⑤號實(shí)線命令是讀寫系統(tǒng)的執(zhí)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(tǒng)數(shù)據(jù)庫的報(bào)文信號REQ_D、DATA_D，④號虛線是CCR數(shù)據(jù)庫給PLC的報(bào)文應(yīng)答信號DATA_P；⑥號虛線部分DATR和DATW信號是執(zhí)行讀寫命令后的數(shù)據(jù)狀態(tài)，即讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)包。

圖4標(biāo)準(zhǔn)讀寫站程序邏輯

4.3PLC程序中數(shù)據(jù)包格式

圖5站點(diǎn)提取數(shù)據(jù)

前文已經(jīng)描述過電子標(biāo)簽中包含四大類數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用過程中多數(shù)情況下讀/寫站功能塊并不需要讀取標(biāo)簽中的全部數(shù)據(jù)，就是由讀寫站的物理位置決定讀寫站數(shù)據(jù)接口讀取范圍的不同，這樣能有效地縮短讀取字節(jié)長度，從而節(jié)約讀取/寫入時(shí)間。對于大多數(shù)站點(diǎn)在運(yùn)行時(shí)只提取了車身和雪橇等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如下圖5，這些數(shù)據(jù)都從屬于RW_DB塊，RW_DB作為PLC與操作終端的接口，除了數(shù)據(jù)信息外，還定義了操作過程中的狀態(tài)、錯(cuò)誤信息，以及緊急情況的處理，包括人工輸入車身?xiàng)l碼、雪橇號等對話窗口。

5.系統(tǒng)可靠性

所有應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的技術(shù)解決方案，穩(wěn)定性和可靠性都是第一決定要素，離開其一都無法體現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值。統(tǒng)觀RFID識別系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的各個(gè)環(huán)節(jié)，影響穩(wěn)定性和可靠性的主要因素有：

5.1數(shù)據(jù)來源的可靠性

提到數(shù)據(jù)來源，對于本系統(tǒng)，數(shù)據(jù)來源包含三種方式：標(biāo)簽源數(shù)據(jù)、操作終端手工錄入、

中控室數(shù)據(jù)庫手動編輯。在系統(tǒng)自動運(yùn)行方式下，在車間入口，RFID讀寫系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)庫中的源數(shù)據(jù)寫入電子標(biāo)簽，并在系統(tǒng)中和該雪橇綁定，在輸送系統(tǒng)定位準(zhǔn)確的情況下，剔除測試車、試驗(yàn)車，首點(diǎn)寫入的可靠性已高達(dá)千分之一。另外兩種數(shù)據(jù)錄入方式主要是在應(yīng)急情況下的操作，譬如無車身信息的調(diào)試車、試驗(yàn)車通過油漆車間，需要手工錄入車身信息；或者手動導(dǎo)入無車身信息的車，需要在數(shù)據(jù)庫定義該車的信息。人工干預(yù)的過程給數(shù)據(jù)來源的可靠性帶來風(fēng)險(xiǎn)，因此在所有讀/寫站的操作終端，粘貼了詳細(xì)的操作流程及說明，盡量減弱這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，從而保證系統(tǒng)的可靠性。

5.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性

從RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，車身數(shù)據(jù)從電子標(biāo)簽到中控室數(shù)據(jù)庫的雙向傳輸要經(jīng)過四個(gè)環(huán)節(jié)：讀/寫站、操作終端、輸送PLC、數(shù)據(jù)服務(wù)器，其中讀/寫站采用無線電波，其可靠識別率高達(dá)99.99%，其他三個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)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(jié)的設(shè)備都在本地，以太網(wǎng)連接的距離也不長，即使和中控室數(shù)據(jù)庫的通訊出現(xiàn)問題時(shí)，本地設(shè)備仍然可以降級運(yùn)行，不影響底層數(shù)據(jù)的傳輸及設(shè)備的運(yùn)行。

6.結(jié)束語

神龍汽車有限公司武漢二廠油漆車間自2009年6月開始批量生產(chǎn)以來，車身跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，RFID系統(tǒng)讀寫信息可靠，誤讀率低，選用的電子標(biāo)簽在高溫、酸堿等惡劣環(huán)境下運(yùn)行良好，操作系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作簡便，車身跟蹤系統(tǒng)對全車間生產(chǎn)過程的指導(dǎo)管理功能大幅提升，有效提高生產(chǎn)效率。RFID技術(shù)在神龍汽車有限公司武漢二廠油漆車間應(yīng)用的成功范例，對于促進(jìn)RFID全油漆車間解決方案在PSA集團(tuán)的推廣有一定的積極意義。