淺析無線射頻技術(shù)在柔性自動化中的應(yīng)用

夏鑫，龔硯豪

(上海電氣自動化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步，對柔性自動化的研究越來越受到人們的重視。發(fā)達(dá)國家大多以提高系統(tǒng)可靠性、實(shí)用性為重點(diǎn)，已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了很大成就。而我國距離國際先進(jìn)水平還存在一定的差距，難以滿足生產(chǎn)需求，因此對柔性自動化技術(shù)的研究已迫在眉睫。

RFID技術(shù)則是目前最具發(fā)展前景的先進(jìn)技術(shù)之一，它以無線通訊的方式進(jìn)行雙向通訊，具有非接觸、可批量讀取、長距離讀寫、適應(yīng)惡劣環(huán)境、可識別運(yùn)動目標(biāo)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。正被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通、物流等多個(gè)領(lǐng)域之中。

本文將結(jié)合筆者目前為上海電機(jī)學(xué)院研發(fā)的柔性自動化生產(chǎn)線項(xiàng)目，重點(diǎn)闡述如何利用RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工件從出庫到加工、檢測、裝配、直到入庫的整個(gè)自動化控制過程，并且全程實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的數(shù)據(jù)無線傳輸。

1 柔性自動化生產(chǎn)線技術(shù)

1.1 柔性自動化的產(chǎn)生

眾所周知，只有品種單一、批量大、有專用設(shè)備，才能使工藝穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，才能構(gòu)成規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益;反之，多品種、小批量生產(chǎn)，設(shè)備的專用性低，生產(chǎn)效率勢必受到影響。為了同時(shí)提高制造工業(yè)的柔性和生產(chǎn)效率，使之在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，降低成本，最終使中小批量生產(chǎn)的效率能與大批量生產(chǎn)相抗衡，柔性自動化系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。

上世紀(jì)70年代初，柔性自動化剛剛正式應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)用階段，這幾十年來從單臺數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用逐漸發(fā)展到加工中心、柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。柔性自動化系統(tǒng)得到了高速蓬勃的發(fā)展［1］。

1.2 柔性自動化的構(gòu)成

就目前的機(jī)械制造業(yè)柔性生產(chǎn)線而言，主要由三大部分組成:物流系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)［2］。各部分主要功能如圖1所示。

圖1 柔性自動化生產(chǎn)線構(gòu)成圖

1.3 柔性自動化的優(yōu)點(diǎn)

和傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)線相比，柔性生產(chǎn)線的優(yōu)勢是毋庸置疑的，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)設(shè)備利用率更高;

(2)生產(chǎn)能力更加穩(wěn)定［3］;

(3)產(chǎn)品質(zhì)量更高;

(4)生產(chǎn)線運(yùn)行方式更靈活;

(5)產(chǎn)品應(yīng)變能力大［4］。

2 RFID技術(shù)

2.1 RFID技術(shù)簡介

RFID技術(shù)是一種新興的無線通訊技術(shù)，其主要特點(diǎn)是通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。

上世紀(jì)80年代，由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，射頻識別系統(tǒng)的體積大大縮小，使得射頻識別技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段，相比傳統(tǒng)的條形碼技術(shù)而言，RFID技術(shù)在讀寫速度、讀寫距離、批量讀寫及環(huán)境適應(yīng)程度等各方面具有優(yōu)勢，因此RFID技術(shù)在我國擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場潛力。

2.2 RFID的基本組成及工作原理

一套成熟的RFID系統(tǒng)一般由以下四個(gè)部分組成:

(1)標(biāo)簽:由耦合元件及芯片組成，具有唯一的電子編碼，附著在物體上識別目標(biāo)。

(2)讀寫器:用來讀寫電子編碼，一般分為手持式和固定式兩種。

(3)天線:在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號。

(4)中央信息系統(tǒng):對讀寫數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，可采用第三方軟件。

RFID技術(shù)的基本工作原理是:當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入天線磁場范圍后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號(有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)，讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理［5］。

2.3 RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用

目前RFID技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，比如貨物的跟蹤管理;車輛的自動識別;公路的自動收費(fèi);生產(chǎn)線的自動化過程控制;個(gè)人身份識別等。簡單的RFID技術(shù)就是一種非接觸的IC卡，而復(fù)雜的RFID產(chǎn)品能和外部傳感器接口連接來測量、記錄不同的參數(shù)，甚至可與GPS系統(tǒng)連接來跟蹤物體［6］。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)實(shí)際構(gòu)成如下:存儲單元由5排8列立庫系統(tǒng)組成;輸送單元采用了festo傳送帶系統(tǒng);搬運(yùn)單元由fanuc機(jī)器人、機(jī)械手(自制)以及堆垛機(jī)組成;執(zhí)行系統(tǒng)由數(shù)控車床、數(shù)控磨床、五軸加工中心組成;過程控制單元由西門子PLC300、PLC200以及RFID系統(tǒng)構(gòu)成，其中PLC300作為主站，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，PLC200作為從站負(fù)責(zé)立庫系統(tǒng)，4套RFID系統(tǒng)分別用于出入庫、加工、檢測、裝配4個(gè)工位，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.2 RFID 通訊

RFID系統(tǒng)在我們的柔性生產(chǎn)線中發(fā)揮了重要的作用，正是由于它的數(shù)據(jù)交互為我們提供了下一步動作的依據(jù)，根據(jù)讀到的數(shù)據(jù)我們需要判斷是否放托盤經(jīng)過，是否停下來進(jìn)行加工或檢測、裝配、入庫;需要判斷是否需要寫入新的數(shù)據(jù);需要判斷寫入什么樣的數(shù)據(jù)。也正是因?yàn)樗膸椭覀儾拍軐?shí)現(xiàn)在無人值守的情況下完成復(fù)雜的加工流程，大大提高了生產(chǎn)效率。

RFID系統(tǒng)選型時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn):第一，數(shù)據(jù)讀寫可靠，否則會使整個(gè)控制系統(tǒng)發(fā)生混亂。第二，數(shù)據(jù)讀寫迅速，因?yàn)樾酒趥魉蛶辖?jīng)過讀寫器的時(shí)間不到1 s，在這么短的時(shí)間里面要完成讀取數(shù)據(jù)，傳送至PLC，PLC進(jìn)行判斷，發(fā)出指令，寫入數(shù)據(jù)這一系列工作。第三，要能夠完成無線、非接觸、移動讀寫，柔性生產(chǎn)線的理念決定了傳送帶需要一直運(yùn)轉(zhuǎn)，因此一些只能讀取靜止目標(biāo)的國產(chǎn)讀寫器顯然無法滿足要求。

為此我們選取了美國某公司的一款高頻讀寫器，其讀寫速度可達(dá)115 Rb/s以上，讀寫距離可達(dá)150 mm。考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群途嚯x，整個(gè)系統(tǒng)采用了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)傳輸(為此需增配RS-485-PROFIBUS轉(zhuǎn)換器)，在PLC系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

其中從站號為64-67的四個(gè)從站就是我們在四個(gè)工位的4臺RFID讀寫器

硬件設(shè)置并連接好后，嘗試進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，首先需要設(shè)置共享存儲區(qū)(輸入輸出緩沖區(qū))，主站和從站需要互相交互共享存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，以向?qū)Ψ教峁┍匾男畔?。通常情況下所謂的共享存儲區(qū)都為主站所有，即總線掃描模塊向主站寫入輸入緩沖，PLC向輸出緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)。如圖3所示。

緩沖區(qū)的大小可通過PLC的GSD文件來修改，但最大不能超過152字節(jié)。

接下來設(shè)置PBS網(wǎng)關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)溢出控制，輸入和輸出緩沖區(qū)必須被平均分配，其中前三個(gè)字節(jié)為固定分配，不得占用，字節(jié)0:控制字節(jié)，用于設(shè)定DAD協(xié)議，提供溢出、丟失或同步等處理功能。字節(jié)1:服務(wù)允許，用來區(qū)分不同的服務(wù)和其他擴(kuò)展。字節(jié)2:字節(jié)總長度，指示使用時(shí)命令所需要的字節(jié)總長度。

圖3 數(shù)據(jù)交互共享

為確保數(shù)據(jù)正確讀寫，必須保證握手通訊流程正常進(jìn)行，在PBS協(xié)議中規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的握手流程為以下四步，(1)PLC請求;(2)RFID應(yīng)答;(3)RFID請求;(4)PLC應(yīng)答。在控制字節(jié)中用Bit0和Bit1作為請求和應(yīng)答位，見表1所示。

表1 握手過程在控制字節(jié)中的位置

當(dāng)相應(yīng)的位狀態(tài)由0變?yōu)?，或由1變?yōu)?時(shí)都表示在握手流程中作出了響應(yīng)，一個(gè)完整的握手過程如表2所示。

表2 奇數(shù)次的握手過程

當(dāng)需要再次進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，握手過程如表3所示。

表3 偶數(shù)次的握手過程

如此循環(huán)，就可以完成多次的數(shù)據(jù)讀寫了。

3.3 RFID數(shù)據(jù)傳輸

在實(shí)際的生產(chǎn)加工過程中，我們從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的第四個(gè)字節(jié)開始定義傳輸內(nèi)容，取兩個(gè)字節(jié)作為讀寫的數(shù)據(jù)位，用16進(jìn)制表示，其范圍為“0 000”～“F FFF”。首先用“0 000”來表示毛坯件，當(dāng)毛坯件經(jīng)過加工工位時(shí)，該處的讀寫器讀到芯片內(nèi)數(shù)值為“0 000”即啟動加工程序，加工機(jī)器人將毛坯件取走送到車床加工，同時(shí)將芯片內(nèi)的值修改為“0 001”，并放空托盤繼續(xù)在傳送帶上運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)毛坯件加工完成要返回傳送帶時(shí)，自動擋停值為“0 001”的空托盤。與此同時(shí)將值修改為“0 012”，表示已經(jīng)加工好的零件A(如零件B則用“0 022”表示，以此類推)。之后來到檢測工位，檢測工位的讀寫器讀到最后一位數(shù)字是“2”時(shí)，機(jī)械手自動將工件取走，進(jìn)入檢測工序，同時(shí)將值改寫為“0 013”。當(dāng)檢測完成后，將值為“0 013”的托盤擋停，同時(shí)將值改寫為“0 114”表示合格工件A，如合格工件B則用“0 124”表示;如果檢測不合格的，則將第二位寫入“2”，如“0 214”表示不合格工件A，“0 224”表示不合格工件B。不合格的工件經(jīng)過出入庫工位時(shí)，該處的RFID讀寫器，讀到第二位是“2”，會自動將不合格品送入廢品庫。最后來到裝配工位，該處的RFID讀寫器讀到“0 114”時(shí)會進(jìn)入裝配工序，裝配機(jī)器人將工件A放在裝配臺上等待裝配。直到此處的讀寫器再讀到“0 124”時(shí)，則將工件B取走，與A完成裝配，同時(shí)將值改寫成“0 125”完成裝配后，裝配處的RFID讀到值為“0 125”的托盤會發(fā)送信號，裝配機(jī)器人將裝配件放回托盤，同時(shí)將值改寫成“1 126”，完成裝配過程。當(dāng)出入庫處的RFID讀寫器讀到首位是1的芯片，會發(fā)送信號自動將合格的裝配件入庫，整個(gè)加工過程結(jié)束。

4 結(jié)束語

目前該項(xiàng)目已圓滿完成，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的初衷，可以多批次、不停頓地加工多種零件，并且預(yù)留了足夠的擴(kuò)展空間;可以加入多種新的零件、新的工藝;加工過程質(zhì)量可靠，多次讀寫數(shù)據(jù)正常。由此可得出結(jié)論RFID技術(shù)在柔性生產(chǎn)線的應(yīng)用中擁有廣闊的發(fā)展空間。

［1］馬履中，周建忠.機(jī)器人與柔性制造系統(tǒng)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］劉美俊.西門子S7系列PLC的應(yīng)用與維護(hù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］劉德忠，費(fèi)人元.Stefan Hesse.裝配自動化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］武興兵.中國汽車企業(yè)需要循序漸進(jìn)的柔性制造［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2009，16(6):26-27.

［5］蔣皓石，張成，林嘉宇.無線射頻識別技術(shù)及其應(yīng)用和發(fā)展趨勢［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2005，31(5):1-4.

［6］程晨.淺談射頻識別技術(shù)在中國的發(fā)展［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.