RFID在箱體類柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用

邱 紅，嚴江云，張 韜，封光磊

（沈機集團 昆明機床股份有限公司，昆明 650203）

0 引言

RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)，是利用無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，當貼有電子標簽的待識別物料出現(xiàn)在讀寫器的讀出范圍內(nèi)時，讀寫器自動以非接觸的方式將電子標簽內(nèi)的約定識別信息取出，實現(xiàn)物料自動識別和數(shù)據(jù)交換功能。RFID自動識別系統(tǒng)一般由電子標簽(Tag)、讀寫器(Reader)以及發(fā)送接收信號的天線(Antenna) 部分組成，在本文應(yīng)用中還包括網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。本文基于設(shè)備層配置的是西門子S7-300 PLC控制，該系統(tǒng)具有PROFIBU集成DP接口，所以選用與之相匹配的RF 300射頻識別系統(tǒng)，以便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。RF 300具有可工作于惡劣環(huán)境、讀取距離大、讀取方便快捷、存儲數(shù)據(jù)容量大、存儲信息更改自如、診斷功能強和支持PROFIBUS-DP通信協(xié)議等特點，為RFID應(yīng)用于FMS物料自動識別與監(jiān)控提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 RFID應(yīng)用于FMS的設(shè)計方案

昆機研發(fā)的FMS1600箱體類柔性制造系統(tǒng)共配置8套RFID系統(tǒng)，分別安裝于7臺加工主機和物流小車上，30 個移動工作臺（以下簡稱托盤）安裝RFID電子標簽。設(shè)計方案基于PROFIBUSDP總線，集成RFID技術(shù)、PLC控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建RFID與設(shè)備控制層、現(xiàn)場層控制管理系統(tǒng)的鏈接，實現(xiàn)對RFID電子標簽的信息讀寫、托盤的自動識別與監(jiān)控管理。設(shè)計方案如圖1所示。

RFID通過通信模塊ASM456與數(shù)控系統(tǒng)的集成DP口連接，經(jīng)PROFIBUS總線連接到主控PLC系統(tǒng)，組態(tài)為物流系統(tǒng)的從站。WinCC上位機系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通信卡與主控 PLC以及RFID通信模塊ASM456通信，主要任務(wù)之一是通過主控PLC向設(shè)備控制系統(tǒng)傳遞托盤任務(wù)及控制指令、監(jiān)控電子標簽MOBY的工作狀態(tài)、監(jiān)控托盤當前位置。小車控制系統(tǒng)按照上位機系統(tǒng)為托盤分配的任務(wù)和控制指令，控制RFID讀寫器對30個托盤上電子標簽MOBY的初始化參數(shù)寫入，寫入信息包括：工作參數(shù)、托盤編碼和工件類型編碼等，自動執(zhí)行30個托盤的識別與搬運。加工設(shè)備的RFID系統(tǒng)讀取MOBY信息，判別小車送達托盤與主控PLC控制指令的一致性，同時依據(jù)本機加工工序完成情況實時修改MOBY的加工信息，反饋至上位機監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)設(shè)計方案主要包括RFID的通信和物流自動化控制功能的實現(xiàn)。

2 RFID通信

實現(xiàn)RFID網(wǎng)絡(luò)通信需要經(jīng)過通信模塊硬件編碼、工作參數(shù)設(shè)置、RFID組態(tài)和讀寫控制程序編程四個步驟。

1）通信模塊硬件地址編碼：PLC控制系統(tǒng)可以連接各種I/O模塊，每個模塊有特定的識別編碼，同理，每個RFID需設(shè)置唯一的識別地址。

2）工作參數(shù)設(shè)置：FSM項目通過通信功能塊程序（FC45）為ASM456寫入工作參數(shù)，設(shè)置信息包括：RFID的類型、在PLC控制器中的I/O地址、通信通道、糾錯碼方式、工作方式5、讀寫數(shù)據(jù)的字節(jié)、指定讀寫數(shù)據(jù)存放的地址（數(shù)據(jù)塊）和診斷信息等。

圖1 RFID應(yīng)用于FMS的設(shè)計方案

3）RFID組 態(tài)： 首 先 將RFID的GSD文件（GSD文件提供了RFID的選型和組態(tài)信息）安裝到S7 project組態(tài)軟件規(guī)定的路徑下，新建SIMATIC→插入project→插入站→插入RACK-300→插入Rail→插入電源模塊PS307（如果配置了該硬件）→插入CPU模塊→雙擊硬件→右鍵點擊DP→Add Master system→選PROFIBUS→產(chǎn)生一條線ProfiBus(1) DP master system(1) →光表對準這條線→右鍵點擊→Insert object →Additional Field→ID systems→ASM456→OK 就插入了ASM456組態(tài)。

圖2 單個RFID通信模塊組態(tài)

組態(tài)完成，分配了FPOFIBUS總線通信的IP地址和診斷地址，F(xiàn)MS共8套RFID，照此方法一一組態(tài)到FPOFIBUS總線，所有RFID完成組態(tài)的總線連接如圖3中的ASM456，PLC對MOBY的讀寫通過ASM456通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接。

4）編程讀寫控制程序：編寫RFID讀寫控制程序功能塊FC45，F(xiàn)C45的背景數(shù)據(jù)塊是DB45（用于存儲MOBY參數(shù))，DB45中內(nèi)嵌調(diào)用DB47(用于存儲MOBY的命令)和 DB48(用于存儲要讀寫的數(shù)據(jù)).。在加工設(shè)備、物流小車和主控PLC系統(tǒng)控制系統(tǒng)分別控制FC45功能塊，即實現(xiàn)了電子標簽的讀寫功能。讀寫程序如圖4所示。

圖3 MOBY 在PROFIBUS總線組態(tài)圖

圖4 讀寫程序

當搬運或交換托盤時，托盤上的電子標簽進入讀寫器感應(yīng)區(qū)域，讀寫器被激發(fā)，讀取MOBY標簽信息傳遞給PLC控制系統(tǒng)。小車系統(tǒng)和加工系統(tǒng)將讀取托盤標簽上的數(shù)據(jù)與主控PLC的控制指令做一致性比對，數(shù)據(jù)吻合小車執(zhí)行搬運，加工系統(tǒng)執(zhí)行加工或托盤暫存處置，否則向主控PLC發(fā)出錯誤信息，終止搬運或退回誤送托盤。

3 上位機系統(tǒng)與PROFIBUS-DP從站的通信連接

FMS物流系統(tǒng)的托盤任務(wù)分配、托盤調(diào)度、運行控制以及對托盤信息的讀寫和監(jiān)控，是通過構(gòu)建現(xiàn)場層控制系統(tǒng)與設(shè)備層控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通信鏈接實現(xiàn)的。主要經(jīng)過PROFIBUS主控站和從站的硬件組態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)配置、創(chuàng)建任務(wù)變量表（定義主/從站之間控制信號接口地址和控制功能）和創(chuàng)建視窗任務(wù)等步驟，完成物流系統(tǒng)主/從站之間的通信鏈接。

1）硬件組態(tài)：在WinCC側(cè)硬件組態(tài)是通過組態(tài)軟件，插入PC STATION，添加CP5613A2模塊，并將其設(shè)為DP-MASTER(主站)；PROFIBUS從站組態(tài)：添加CP342-5模塊，并將其設(shè)為DPSLEVER(從站)。組態(tài)完成，將組態(tài)下載到PC STATION，在WinCC側(cè)添加PRROFIBUS-DP協(xié)議，在DP協(xié)議下，設(shè)置連接從站地址。

2）配置系統(tǒng)參數(shù)：分別設(shè)置主站和從站的信號輸入/輸出地址，至此完成了WinCC與物流從站之間的PRROFIBUS-DP鏈接。

3）創(chuàng)建任務(wù)變量表：所謂變量表就是設(shè)計任務(wù)視窗使用的任務(wù)表，是以WinCC和數(shù)控系統(tǒng)都可以識別和應(yīng)用的符號表、共享數(shù)據(jù)塊DB和功能程序塊本身要用的背景數(shù)據(jù)塊DB的形式定義和編輯的。通過任務(wù)表，實現(xiàn)管理信息與控制信息的對接。

如圖5所示，WinCC通過變量管理器處理變量的集中管理和WinCC項目產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和存儲在項目數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。在WinCC 組態(tài)軟件的運行環(huán)境下，現(xiàn)場狀況將實時地反映在變量的數(shù)值中；操作人員監(jiān)控過程數(shù)據(jù)，以及在WinCC視窗上設(shè)置的控制指令通過變量傳送給現(xiàn)場PLC控制系統(tǒng)，所有的控制程序都以WinCC變量的形式從變量管理器中請求數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括圖形運行系統(tǒng)、報警記錄運行系統(tǒng)和變量記錄運行系統(tǒng)等。

圖5 WinCC與物流從站通信結(jié)構(gòu)

4 物流儲運系統(tǒng)自動化控制功能的實現(xiàn)

本項目物流主控系統(tǒng)是以WinCC上位機和主控PLC控制系統(tǒng)為核心，集成加工單元、物流小車的控制系統(tǒng)、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線、RFID、主/從站系統(tǒng)組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)組成的現(xiàn)場控制管理系統(tǒng)。物流儲運系統(tǒng)的自動化控制與管理功能主要包括：托盤任務(wù)分配、托盤調(diào)度與信息監(jiān)控、托盤儲運控制、RFID系統(tǒng)監(jiān)控。監(jiān)控管理任務(wù)如下：

1）分配托盤任務(wù)：由于柔性制造線可實現(xiàn)多類型工件混線加工，因此上位機系統(tǒng)對工件名稱和類型進行定義、識別編碼、便于控制系統(tǒng)識別和監(jiān)控。

2）設(shè)置托盤信息：需要識別的信息包括托盤上有無工件、工件類型、工件是否已加工完成、托盤當前在物流線上的位置。WinCC上位機分配托盤任務(wù)的同時賦予了托盤承載工件的特征信息，以便托盤的搬運控制和跟蹤記錄。全線自動運行時，托盤電子標簽的信息被實時更新。WinCC 顯示的托盤信息與實際情況出現(xiàn)偏差時，經(jīng)授權(quán)可以對托盤的信息進行手動修改。

3）監(jiān)控MOBY狀態(tài)：RFID的智能信息存儲卡MOBY的工作狀態(tài)對本項目FMS的物料自動識別、調(diào)度、管理的可靠性有著至關(guān)重要的作用。為此專門研發(fā)了機床MOBY狀態(tài)監(jiān)控視窗。WinCC通過設(shè)置的外部變量從控制系統(tǒng)的信息傳遞通道獲取RFID狀態(tài)信息：每臺加工設(shè)備和小車上的RFID讀寫器是否準備就緒、是否有故障、30個托盤上的MOBY信息。

4）監(jiān)控托盤移動位置：根據(jù)RFID信息的跟蹤記錄，監(jiān)控機床雙工位托盤架上有臺或無臺、是要加工還是暫存的工件、上下料站和緩存站上放的是幾號臺信息以及物流小車承載托盤信息的監(jiān)控。

綜上所述，基于RFID技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，物流儲運系統(tǒng)的工作過程是自動的，無需人工參與，保證了托盤信息采集、識別和處理的實時性及準確性，實現(xiàn)了托盤網(wǎng)絡(luò)化自動調(diào)度和管理功能。

5 結(jié)束語

通過PROFIBUS現(xiàn)場總線和組態(tài)技術(shù)，RFID讀寫控制、物流主/從站通信與控制和WinCC上位機系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了物流控制系統(tǒng)對所有RFID信息的自動獲取、存儲和在線更改功能。將RFID應(yīng)用于FMS物流系統(tǒng)，實現(xiàn)物料的自動識別、調(diào)度和可視化監(jiān)控功能。經(jīng)實際使用驗證，提高了托盤調(diào)度的準確性、可靠性和可維護性，以及物料搬運和存儲的效率。

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