基于Profibus的煙絲裝箱RFID應(yīng)用控制系統(tǒng)

李鈺靚，方柏楊，錢永安，袁根洪

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠，杭州市中山南路77號(hào)310008

根據(jù)杭州卷煙廠“十一五”易地技改后生產(chǎn)新模式對(duì)儲(chǔ)絲及供絲方式提出的“柔性化儲(chǔ)絲，精細(xì)化生產(chǎn)”的需求［1］，各類煙絲將以箱裝的形式進(jìn)入物流高架庫(kù)系統(tǒng)（入庫(kù)），再根據(jù)制造執(zhí)行系統(tǒng)的生產(chǎn)訂單（出庫(kù)）進(jìn)行煙絲的自動(dòng)摻配。在此過程中，物流高架庫(kù)系統(tǒng)首先要對(duì)箱裝煙絲進(jìn)行產(chǎn)品信息識(shí)別，包括品牌代碼、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)序號(hào)、重量、含水率等產(chǎn)品信息。在傳統(tǒng)的物流高架庫(kù)中，普遍采用的條碼識(shí)別方式存在易污染、折損、需要精確定位、對(duì)環(huán)境要求高等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代物流高架庫(kù)的需求。射頻識(shí)別技術(shù)（RadioFrequency Identification，RFID）是一種非接觸式感應(yīng)識(shí)別技術(shù)，具有讀寫距離長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量大、速度快、效率高、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線、分揀系統(tǒng)、交通管控、安防、物流、軍事等領(lǐng)域［2］。在煙草行業(yè)RFID技術(shù)主要應(yīng)用于物流方面［3］，例如卷煙生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策管理系統(tǒng)（一號(hào)工程系統(tǒng)）在2004年就采用RFID載碼體作為件煙整托盤物流的信息介質(zhì)，取得了良好的應(yīng)用效果［4-5］，其他如片煙物流系統(tǒng)、濾棒高架庫(kù)、輔料高架庫(kù)也都逐漸開始采用RFID技術(shù)替代傳統(tǒng)的條碼識(shí)別技術(shù)。為此，將RFID作為箱裝煙絲的“身份證”，設(shè)計(jì)了基于Profibus的煙絲裝箱RFID應(yīng)用控制系統(tǒng)，不僅為物流高架庫(kù)提供完善的產(chǎn)品信息，也為后續(xù)的批次管理提供準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

1 煙絲裝箱工作流程

煙絲裝箱生產(chǎn)線的主要功能是將制絲線上生產(chǎn)的煙絲，經(jīng)過銜接輸送帶的運(yùn)輸裝入含蓋的煙絲箱，見圖1。叉車工將空煙絲箱運(yùn)輸?shù)竭M(jìn)箱位，由輸送輥分別運(yùn)送至兩個(gè)加蓋去蓋位，將空箱去蓋后，輸送輥繼續(xù)輸送煙絲箱進(jìn)入裝箱位。煙絲箱到位后，裝箱位上部倒順輸送帶開始對(duì)其罐裝煙絲，待罐裝量達(dá)到預(yù)置重量后，倒順輸送帶停止，煙絲箱重新回到加蓋去蓋位，加蓋后分別從兩個(gè)加蓋去蓋位進(jìn)入出箱位，至此煙絲裝箱生產(chǎn)線完成正常生產(chǎn)的全部動(dòng)作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝箱生產(chǎn)線完成煙絲裝箱后，就要利用RFID應(yīng)用控制系統(tǒng)為每個(gè)煙絲箱增加一張“身份證”，以滿足物流高架庫(kù)的需求。在裝箱生產(chǎn)線的加蓋去蓋位增加RFID控制系統(tǒng)后，其工作流程見圖2。

圖1 煙絲裝箱生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 增加RFID控制系統(tǒng)后裝箱線工作流程圖

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RFID控制系統(tǒng)主要由主控PLC、裝箱PLC、RFID控制器以及RFID數(shù)采終端組成，見圖3。其中主控PLC為西門子公司S7-400系列，支持Profibus通訊和以太網(wǎng)通訊；裝箱PLC為西門子S7-300系列，與RFID控制器一起作為智能從站掛接到主控PLC的Profibus總線上，通過通訊編程可實(shí)現(xiàn)三者之間基于Profibus的S7通訊；主控PLC和RFID數(shù)采終端的以太網(wǎng)端口分別連接至工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，RFID數(shù)采終端可從主控PLC獲得RFID控制器的工作狀態(tài)，記錄每條寫入載碼體內(nèi)的信息并將其儲(chǔ)存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，并且具有數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、打印及導(dǎo)出等功能。

RFID控制器采用的是德國(guó)倍加福公司的Ident識(shí)別控制系統(tǒng)的System Q系列，該系列產(chǎn)品工作頻段是13.56 MHz，包含控制器、讀寫頭及相應(yīng)的載碼體。其中，控制器是該系統(tǒng)的核心，通過Profibus協(xié)議與主控西門子S7-400 PLC無縫集成；讀寫頭受控制器控制，按需讀寫載碼體信息，讀寫距離可達(dá)18 cm，單次讀寫時(shí)間10 ms；RFID載碼體，存儲(chǔ)空間達(dá)2 kBit，可滿足產(chǎn)品所有信息的存儲(chǔ)需求，每個(gè)煙絲箱底部都裝備一個(gè)載碼體用于儲(chǔ)存箱內(nèi)產(chǎn)品的物料信息。

2.2 數(shù)據(jù)采集流程

煙絲的品牌代碼、生產(chǎn)日期、含水率、重量等信息由主控PLC通過Profibus總線發(fā)送至RFID控制器，控制器控制讀寫頭將該信息寫入煙絲箱攜帶的載碼體內(nèi)，同時(shí)該信息又作為物流高架庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源被記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)跟蹤與追溯，滿足批次管理的需要。如圖4所示，在中控上位機(jī)中輸入需要寫入RFID載碼體的品牌代碼、生產(chǎn)日期、含水率、重量等信息，通過以太網(wǎng)發(fā)送到主控PLC，主控PLC獲取數(shù)據(jù)后通過Profibus將該信息發(fā)送至RFID控制器，RFID數(shù)采終端通過以太網(wǎng)采集該信息并將每條信息轉(zhuǎn)存到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 RFID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 RFID應(yīng)用控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)集成

由于系統(tǒng)采用的都是西門子產(chǎn)品或支持標(biāo)準(zhǔn)Profibus協(xié)議的產(chǎn)品，將RFID控制器和裝箱設(shè)備的控制器連接到再造煙葉生產(chǎn)線的主控PLC上，通過西門子的編程軟件Step7可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)集成［6］。系統(tǒng)集成后的硬件組態(tài)見圖5，其中2個(gè)IDENT Control RFID控制器子站號(hào)20，21，作為主控PLC的標(biāo)準(zhǔn)DP從站直接掛接到主控PLC的DP主站系統(tǒng)（1）；而裝箱PLC系統(tǒng)中安裝的CP342-5模塊（通訊卡）作為主控PLC的DP主站系統(tǒng)（1）的第26號(hào)子站，是主控PLC和裝箱PLC之間信息交互的橋梁［7］。

3.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)圖4所示數(shù)據(jù)采集流程，整個(gè)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)可分為3部分。

（1）數(shù)據(jù)采集。由于主控PLC采用的是西門子公司S7-400系列的CPU 414-2 DP，所以利用西門子公司的上位機(jī)軟件Wincc進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，Wincc對(duì)其系列PLC提供驅(qū)動(dòng)支持，并可通過多種渠道進(jìn)行通訊。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Wincc采集到的每條寫入RFID載碼體內(nèi)的信息，包含了每個(gè)煙絲箱的固有屬性，如箱號(hào)、料箱狀態(tài)等，還包含了煙絲箱內(nèi)所裝煙絲的生產(chǎn)屬性，如批號(hào)、牌號(hào)、生產(chǎn)時(shí)間、班次、生產(chǎn)線、生產(chǎn)序號(hào)、物料凈重等。利用Wincc的工業(yè)數(shù)據(jù)橋（Industrial Data Bridge，IDB），可以將Wincc從主控PLC采集到的數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。IDB具有以下特點(diǎn)：①既可作為數(shù)據(jù)源，又可作為數(shù)據(jù)目的地；②兼容各種標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，可以連接由不同制造商生產(chǎn)的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，將過程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在歷史數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，便于數(shù)據(jù)歸檔；③可以將自動(dòng)化層的數(shù)據(jù)連接到IT層等。

寫入RFID載碼體內(nèi)的信息在數(shù)據(jù)采集終端上位機(jī)的后臺(tái)轉(zhuǎn)存過程見圖6，Wincc運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行后，默認(rèn)開啟OPC服務(wù)器，工業(yè)數(shù)據(jù)橋以該OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，經(jīng)過相應(yīng)的編程與設(shè)置，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)目的地，如SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、微軟Access數(shù)據(jù)庫(kù)等［8］。

圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存示意圖

（3）數(shù)據(jù)查詢。利用可視化編程軟件Delphi 6.0開發(fā)了基于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)查詢軟件，實(shí)現(xiàn)了按產(chǎn)品信息關(guān)鍵字進(jìn)行查詢、分析及統(tǒng)計(jì)，按時(shí)間段將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel及報(bào)表打印等功能。

4 結(jié)語

杭州卷煙廠再造煙葉制絲線煙絲裝桶RFID應(yīng)用控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行后，經(jīng)過2個(gè)多月的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，故障率極低，RFID載碼體克服了傳統(tǒng)紙質(zhì)條碼的缺點(diǎn)，從根本上確保了煙絲箱內(nèi)煙絲信息的準(zhǔn)確與安全，煙絲箱RFID載碼體有效識(shí)別率達(dá)到了96.2%。采用RFID技術(shù)的半成品煙絲桶，所攜帶的RFID載碼體內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為物流高架庫(kù)提供了完善的入庫(kù)、出庫(kù)、流轉(zhuǎn)及摻配所需的產(chǎn)品信息，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析、導(dǎo)出及打印等功能，滿足了生產(chǎn)新模式以及批次管理的需求。

［1］李濤，管仲，馬路.卷煙制絲生產(chǎn)的柔性制造初探［J］.煙草科技，2006（12）：20-22，25.

［2］章強(qiáng)，樓衛(wèi)東，盛志芳，等.RFID在卷煙廠成品碼垛系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煙草科技，2006（5）：18-21.

［3］譚仲夏.射頻識(shí)別技術(shù)及其在煙草上的應(yīng)用［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2006，35（9）：73-76.

［4］李鈺靚.RFID技術(shù)在卷煙廠物流管理中的應(yīng)用［J］.硅谷，2009（17）：124.

［5］李鈺靚.基于PLC的卷煙廠RFID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

［6］Siemens automation and drives.Helping document with STEP7［G］.German：Siemens AG，2006.

［7］崔堅(jiān)，李佳，楊光.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［8］Siemens automation and drives.Helping document with industrial data bridge［G］.German：Siemens AG，2005.