射頻識別技術(shù)在噴涂自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用

徐 煒

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200240）

1 引言

射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID)是一種采用射頻信號及其空間耦合傳送特性進(jìn)行識別通信的技術(shù)。這是一種非接觸的數(shù)據(jù)采集手段，對于要求頻繁讀取及改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用[1]。

上世紀(jì)八九十年代，隨著芯片和電子技術(shù)的提高和普及，歐洲開始率先將RFID技術(shù)應(yīng)用到公路收費等民用領(lǐng)域。目前RFID技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家已大量應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線、門禁、公路與停車收費、身份識別、貨物跟蹤等領(lǐng)域，覆蓋了運輸、倉儲、加工、配送等物流全過程。例如德國寶馬公司在汽車裝配線上配有RFID系統(tǒng)，以保證汽車在流水線各個位置不出差錯地完成裝配任務(wù)。沃爾瑪整個物流配送使用RFID每年為其節(jié)省數(shù)十億美元的人力成本開支[2]。

本世紀(jì)初，RFID已經(jīng)開始在中國進(jìn)行試探性的應(yīng)用。由于RFID特有的非接觸、快速識別、多點同步、多次讀寫、耐久抗污、外形多樣等優(yōu)勢，該項技術(shù)很快得到我國政府的大力支持，二代身份證就是RFID在我們生活中的最典型例子。2006年6月，中國發(fā)布了《中國RFID技術(shù)政策白皮書》，標(biāo)志著RFID的發(fā)展已經(jīng)提高到國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略層面。RFID在中國的多個行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)或正在逐步替代條形碼。例如作為中國重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)的汽車工業(yè)，幾乎所有整車企業(yè)在生產(chǎn)過程中對每個車體都采用RFID卡自動識別裝置，貫穿了從沖壓、焊接、噴漆、總裝全過程。

汽車外飾塑料保險杠作為汽車主要的配套零部件需要在復(fù)雜的機(jī)器人噴涂線上進(jìn)行生產(chǎn)制造。在以往配套車型少、顏色品種不多的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，國內(nèi)許多噴涂線采用臨時停線靠人工識別切換噴涂程序和顏色的方式進(jìn)行生產(chǎn)。但隨著客戶提出小批量、多批次、多車型、多顏色的要求，靠人工辨識來改變生產(chǎn)產(chǎn)品模式的作業(yè)方法顯然已不能適應(yīng)，因此對傳統(tǒng)基于人工識別的噴涂線進(jìn)行自動化識別改造勢在必行。

2 問題描述

2.1 塑料保險杠噴涂自動化生產(chǎn)線簡介

汽車外飾塑料保險杠的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，通常采用可編程控制器（Programmable Logic Controller,PLC）網(wǎng)絡(luò)和噴涂機(jī)器人進(jìn)行自動化控制。以Y公司某兩層樓面分布的噴涂線為例，其工藝流程與產(chǎn)品生產(chǎn)行進(jìn)方向如下:上件-前處理-機(jī)器人底漆噴涂-機(jī)器人色漆噴涂-機(jī)器人清漆噴涂-烘烤-冷卻-下件，布局如圖1、圖2所示。

(1)上件:將待噴涂塑料保險杠產(chǎn)品放到滑撬掛具上。

(2)前處理:通過自動水洗及擦拭對塑料件表面進(jìn)行調(diào)整處理使之達(dá)到油漆噴涂所需底材附著力。

(3)底漆噴涂:通過自動噴涂機(jī)器人對保險杠表面噴涂第一層油漆，統(tǒng)稱底漆，起粘接促進(jìn)作用。

(4)色漆噴涂:通過自動噴涂機(jī)器人對保險杠表面噴涂第二層油漆，統(tǒng)稱色漆，匹配車身顏色。

(5)清漆噴涂:通過自動噴涂機(jī)器人對保險杠表面噴涂第三層油漆，統(tǒng)稱清漆，起罩光保護(hù)作用。

(6)油漆烘烤:對噴涂好油漆的產(chǎn)品進(jìn)行加熱烘烤，使其表面油漆固化。

(7)冷卻:對烘烤好的產(chǎn)品進(jìn)行自然(或人工)冷卻，達(dá)到正常室溫。

(8)下件:將冷卻后的產(chǎn)品從滑撬掛具上取下。

2.2 人工切換產(chǎn)品模式存在的問題

上述圖1、圖2所示的Y公司保險杠噴涂線為一條典型的基于人工識別的噴涂線。上件工位人員按照書面計劃把對應(yīng)的產(chǎn)品放上滑撬掛具，隨輸送鏈進(jìn)入生產(chǎn)線，當(dāng)?shù)竭_(dá)底漆噴房之前由機(jī)器人操作員目視確認(rèn)產(chǎn)品型號，并在操作臺上輸入對應(yīng)的程序代碼和顏色代碼，由PLC發(fā)送給機(jī)器人執(zhí)行對應(yīng)噴涂軌跡，色漆噴房與清漆噴房采用同樣的方式處理。這種生產(chǎn)模式在產(chǎn)品品種少、顏色數(shù)量不多的情況下，機(jī)器人操作員每班只需停頓生產(chǎn)線幾次以用于操作臺輸入信息的變換。但隨著保險杠產(chǎn)品種類的增多、顏色數(shù)量的擴(kuò)展，尤其是小批量多批次的生產(chǎn)需求，頻繁的人工切換暴露出諸多弊端:

(1)由于需要人工對在線產(chǎn)品進(jìn)行辨識，因此機(jī)器人操作臺一次只能輸入一組信息，且只能在產(chǎn)品到達(dá)噴房前輸入。

(2)頻繁的人工信息輸入難免出現(xiàn)錯誤，而這些錯誤一旦發(fā)生將造成生產(chǎn)的故障：輕則產(chǎn)品報廢，重則損壞設(shè)備。

(3)無法準(zhǔn)確獲知實時生產(chǎn)線上生產(chǎn)工件的位置狀態(tài)和工況。

(4)不同產(chǎn)品需要執(zhí)行不同的程序，人工輸入切換過程中往往需要暫停生產(chǎn)。切換一次大約需要1分鐘，假如每天需要變換60次則意味著4%的產(chǎn)能白白損失。

3 應(yīng)用RFID的解決方案

3.1 總體思路

應(yīng)用RFID技術(shù)，通過在生產(chǎn)線上必要的位置增加自動讀寫識別裝置，讀取每輛滑撬掛具對應(yīng)的生產(chǎn)信息，適時發(fā)送給噴涂機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)程序。

3.2 確定識別裝置的設(shè)立位置

從代替人工判別和人工輸入信息的角度出發(fā)，每個滑撬掛具上必須安裝一個RFID卡以存儲需要對該保險杠進(jìn)行處理的信息，因此噴房之前必須增加一個識別器來讀出這些信息?？紤]到配合實施現(xiàn)場生產(chǎn)信息化管理，在上件和下件區(qū)域也需要增加識別器。而前處理、烘道及冷卻區(qū)域?qū)γ總€產(chǎn)品的工藝處理完全相同不存在差異性，所以該些區(qū)段無須設(shè)立識別器。生產(chǎn)線上需要設(shè)立識別裝置的位置見表1。

3.3 確定RFID卡需要包含的信息

按照噴涂機(jī)器人所需的工況判別條件以及PLC尋址檢索的依據(jù)，每個RFID卡需要記錄如下信息數(shù)據(jù)：

(1)生產(chǎn)產(chǎn)品的代碼:即保險杠產(chǎn)品代碼，該代碼將傳送給機(jī)器人，以確定對應(yīng)的執(zhí)行程序。

(2)是否需要底漆噴涂工序:需要進(jìn)行噴涂時為1，反之為0。

(3)底漆顏色號:噴涂第一道油漆的顏色代碼，該代碼將傳送給機(jī)器人。

(4)是否需要色漆噴涂工序:需要進(jìn)行噴涂時為1，反之為0。

(5)色漆顏色號:噴涂第二道油漆的顏色代碼，該代碼將傳送給機(jī)器人。

(6)是否需要清漆噴涂工序:需要進(jìn)行噴涂時為1，反之為0。

(7)清漆顏色號:噴涂第三道油漆的顏色代碼，該代碼將傳送給機(jī)器人。

(8)滑撬掛具號:每輛滑撬掛具的唯一序列號，用于PLC系統(tǒng)的尋址判別。

3.4 相關(guān)軟硬件的工程改造

鑒于Y公司的這條噴涂線采用了基于PROFIBUS通訊協(xié)議的西門子PLC網(wǎng)絡(luò)和噴涂機(jī)器人，考慮到改造后的適應(yīng)性，我們選取了能適應(yīng)PROFIBUS通訊的讀寫識別器。按照改造設(shè)計理念安放在五個對應(yīng)的位置，相關(guān)位置如圖3、圖4所示。每輛滑撬掛具安裝RFID卡，生產(chǎn)計劃的編輯主要依靠上位WINCC組態(tài)軟件。工程改造硬件結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，虛線框內(nèi)為新增組件。

改造項目采用了P+F(倍加福)IPC系列RFID卡，其特點:

具有32位固定碼位，用作滑撬的代號編碼；

928位存儲碼位，用作讀寫操作所要執(zhí)行的產(chǎn)品程序代碼,顏色代碼,油漆代碼,工序屏蔽代碼等；

可以適應(yīng)較惡劣的生產(chǎn)環(huán)境,抗120度高溫,防水防油,能抵御一般的化學(xué)品腐蝕；

可重復(fù)進(jìn)行寫操作100000次以上,讀操作無次數(shù)限制；

配合適當(dāng)?shù)淖x寫裝置,在100mm之內(nèi)有效感應(yīng)；

無源(被動式)。

讀寫裝置:采用P+F(倍加福)U-P6+IPT系列,特點:

能作為遠(yuǎn)程站通過PROFIBUS聯(lián)入PLC主站；

能同時傳輸7個雙字(每個字32位)；

工作頻率125KHZ；

配合合適的標(biāo)簽100mm之內(nèi)讀覆蓋,50mm之內(nèi)寫覆蓋。

讀寫識別裝置由于選擇西門子控制器PROFIBUS接口，具備完整的GSD配置文件和標(biāo)準(zhǔn)接口程序。因此只需在PLC中導(dǎo)入這些配置文件和接口程序，即可形成通訊形式，幾乎不需要額外編寫通訊程序，只需編寫數(shù)據(jù)塊傳遞結(jié)構(gòu)即可，此處不再贅述。

4 應(yīng)用RFID技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)控制

4.1 生產(chǎn)控制流程

(1)生成生產(chǎn)信息。由于噴涂生產(chǎn)線為訂單生產(chǎn)模式，按照批次產(chǎn)品的不同有不同的機(jī)器人執(zhí)行程序號和顏色代碼。通常作為執(zhí)行計劃，先由計劃員在生產(chǎn)線主控計算機(jī)的生產(chǎn)計劃輸入欄內(nèi)輸入一個班次的計劃，一般有多個批次，該計劃實質(zhì)為一批數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)包包含了產(chǎn)品的數(shù)量、程序代碼、顏色代碼、某道處理工序是否需要屏蔽等信息。

(2)向PLC和RFID卡輸入生產(chǎn)信息。每當(dāng)上件完一個批次的產(chǎn)品后，主計劃會在上件區(qū)域更新提示線上人員需要變更產(chǎn)品類型，上件人員只需按照提示屏的代碼上件即可。產(chǎn)品被安放在運行于輸送鏈上的滑撬掛具上，每個滑撬掛具底部固定了一個RFID卡，上件區(qū)域的識別器將生產(chǎn)信息逐個寫入每個經(jīng)過該識別器的RFID卡，同時每個信息也同步上傳給PLC的數(shù)據(jù)塊。

（3）核對生產(chǎn)信息。每個噴房的入口分別安裝了識別器。當(dāng)滑撬掛具經(jīng)過噴房入口識別器時RFID卡被閱讀，將對應(yīng)生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)器人PLC，PLC將讀到的數(shù)據(jù)與之前在數(shù)據(jù)塊中的存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果一致說明沒有錯誤，若不一致則立刻現(xiàn)場報警提示,由機(jī)器人操作人員判別是否需要執(zhí)行。

(4)向機(jī)器人傳送生產(chǎn)信息。在PLC系統(tǒng)完成生產(chǎn)信息核對，確認(rèn)一致后將直接把信息傳給機(jī)器人，機(jī)器人將執(zhí)行相關(guān)噴涂程序。上述生產(chǎn)信息控制流程圖如圖6所示。

4.2 使用RFID技術(shù)的效用評估

通過上述的RFID技術(shù)應(yīng)用，Y公司的噴涂生產(chǎn)線運作效能得到很大的提升，體現(xiàn)在如下方面：

(1)產(chǎn)品生產(chǎn)信息批處理功能實現(xiàn)。由于配合RFID同步實施的WINCC計劃，在中央監(jiān)控計算機(jī)上一次可以輸入一個班次的計劃，完全消除了繁瑣的反復(fù)計劃人工輸入。無論對于生產(chǎn)計劃員和機(jī)器人操作員都是極大的精力解放，可以集中更多的時間處理其它生產(chǎn)運作事務(wù)。

(2)杜絕生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸出錯。之前的人工輸入模式幾乎每天都會發(fā)生1-2次操作失誤，對正常的機(jī)器人工作造成極大的隱患。采用RFID卡和讀寫識別后，完全杜絕人為誤操作的可能性，加之系統(tǒng)內(nèi)部添加的雙重比較判斷功能，更加保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在改造完成直至目前信息傳遞出錯率為零。

(3)實現(xiàn)不停線的程序切換。之前已經(jīng)提到，在人工切換模式下每次切換必須暫停生產(chǎn)1分鐘左右，每天的累計切換損失時間在1小時。實現(xiàn)RFID功能后，程序切換完全由PLC系統(tǒng)執(zhí)行判別，適時發(fā)送給機(jī)器人，無須停止生產(chǎn)。這樣節(jié)省的時間就能完全增加到生產(chǎn)中去，實現(xiàn)了生產(chǎn)效率的提升，變相節(jié)省了能耗，降低了單位產(chǎn)品的成本。

(4)實現(xiàn)生產(chǎn)工況的信息實時檢查。由于使用了RFID卡，使得每輛滑撬掛具的在線跟蹤成為可能?，F(xiàn)場工程師和管理人員通過連接PLC計算機(jī)可以方便地獲知每輛滑撬掛具何時上件、何時進(jìn)入噴涂工段、噴涂何種油漆等數(shù)據(jù)，可以在線掌握生產(chǎn)狀態(tài)，并及時調(diào)整作業(yè)計劃。RFID技術(shù)的應(yīng)用為工廠日后的MES管理提供了堅實的基礎(chǔ)。

此次改造對200輛滑撬掛具加裝RFID卡，安裝5套識別讀寫裝置，并開發(fā)了相關(guān)PLC和生產(chǎn)計劃系統(tǒng)。雖然一次改造投資30萬元人民幣，但所獲得的生產(chǎn)效能提升卻是顯而易見的。經(jīng)過實際財務(wù)成本的核算，該次改造的投資在4個月內(nèi)就收回了成本。

[1]姜大立，張劍芳，王豐.現(xiàn)代物流裝備（修訂第二版）[M].北京：首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)出版社，2008.

[2]王麗亞.物流信息系統(tǒng)與應(yīng)用案例[M].北京：科學(xué)出版社，2007.