射頻識別技術(shù)在定制化產(chǎn)品柔性制造系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用*

李 帆，高 東，張玉良

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

射頻識別技術(shù)在定制化產(chǎn)品柔性制造系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用*

李 帆，高 東，張玉良

(北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

基于射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID),提出了一種定制化柔性制造系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計方案。通過把定制化生產(chǎn)信息寫入RFID標(biāo)簽，并借助生產(chǎn)線RFID模塊和PLC通信的方式，利用WinCC平臺，實現(xiàn)了柔性生產(chǎn)數(shù)據(jù)在RFID和生產(chǎn)信息系統(tǒng)之間的信息交互。重點對柔性生產(chǎn)線的RFID模塊以及它的柔性信息交互進行了設(shè)計，并應(yīng)用于實際系統(tǒng)中，實現(xiàn)了定制化產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的柔性生產(chǎn)，具有一定研究意義和應(yīng)用價值。

RFID；定制化生產(chǎn)；信息交互

0 引言

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID) ，又稱為無線射頻識別，利用無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信。當(dāng)貼有電子標(biāo)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(biāo)簽內(nèi)的識別信息取出，實現(xiàn)物料自動識別和數(shù)據(jù)交換功能。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader)以及遠(yuǎn)距離收發(fā)信號的天線(Antenna)組成。將RFID技術(shù)應(yīng)用到柔性制造系統(tǒng)中，能夠把管理層中的產(chǎn)品定制數(shù)據(jù)、柔性生產(chǎn)計劃、排產(chǎn)調(diào)度指令等信息下達(dá)到生產(chǎn)層，同時又能實時采集生產(chǎn)層的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并傳輸?shù)焦芾韺?，有助于管理層調(diào)整生產(chǎn)計劃和調(diào)度安排，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)和數(shù)字化管理，解決了傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品種類單一，工藝路線固定，物料與信息脫節(jié)等諸多弊端。

目前，對RFID技術(shù)應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)的研究仍處于發(fā)展階段，Robin G Qiu將RFID技術(shù)應(yīng)用于工廠系統(tǒng)集成中[1]，Barenji等研究了RFID應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)[2]，RV Barenji等引入多智能體結(jié)構(gòu)到分布式RFID柔性制造系統(tǒng)中[3]，譚杰等分析和總結(jié)了RFID在制造業(yè)中的技術(shù)特點和應(yīng)用模式[4]，李作海等將RFID技術(shù)應(yīng)用到一套實際柔性制造系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)硬件和軟件部分[5]。本文在以上研究基礎(chǔ)上針對RFID與柔性生產(chǎn)的信息交互方面進行了進一步研究，并基于柔性系統(tǒng)的分布式RFID架構(gòu)，設(shè)計了RFID Tag變量表和柔性信息交互方案，為RFID應(yīng)用到定制化產(chǎn)品的柔性制造系統(tǒng)提供了新的實現(xiàn)方法。

1 RFID應(yīng)用于FMS的需求分析

柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS)由兩臺或兩臺以上加工中心或數(shù)控機床組成，并在加工自動化的基礎(chǔ)上完成物料流和信息流的自動化，以實現(xiàn)柔性生產(chǎn)，基本組成有：信息控制系統(tǒng)，工件、刀具儲運系統(tǒng)，自動化加工設(shè)備等。

FMS相較于傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)線的先進之處在于它具備柔性。將RFID技術(shù)應(yīng)用于FMS中，使柔性生產(chǎn)信息(定制，工藝，操作，質(zhì)量，時間等信息)寫入RFID電子標(biāo)簽，有利于實現(xiàn)生產(chǎn)線柔性生產(chǎn)，并使生產(chǎn)系統(tǒng)更加分散，生產(chǎn)過程更加靈活；系統(tǒng)也可以通過RFID技術(shù)獲得生產(chǎn)線產(chǎn)品實時信息，有利于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。同時，RFID可以與MES、ERP等系統(tǒng)集成，進一步為CPS(信息物理融合系統(tǒng))[6]系統(tǒng)融合和PLM(產(chǎn)品生命周期管理)[7]功能擴展提供支持。

2 RFID應(yīng)用于FMS系統(tǒng)架構(gòu)方案

本文提出基于RFID的垂直分布式系統(tǒng)架構(gòu)方案，底層的RFID采用設(shè)備級別的分布方式[4]，RFID模塊直接與生產(chǎn)線每站主控PLC連接。

整體設(shè)計架構(gòu)基于西門子PROFINET總線，分為用戶層，服務(wù)層，生產(chǎn)層，結(jié)構(gòu)如圖1所示。對FMS生產(chǎn)線上柔性產(chǎn)品加入電子標(biāo)簽芯片，通過生產(chǎn)層RFID模塊對生產(chǎn)線產(chǎn)品上的電子標(biāo)簽芯片進行讀寫，實現(xiàn)對產(chǎn)品的自動識別，數(shù)據(jù)交互與監(jiān)控管理，構(gòu)建RFID與生產(chǎn)層PLC、服務(wù)層MES系統(tǒng)的鏈接。

(1)生產(chǎn)層：各加工站主控PLC通過I/O口連接現(xiàn)場設(shè)備和傳感器。RFID讀寫器和通信終端構(gòu)成生產(chǎn)層的RFID模塊，讀寫器可讀寫生產(chǎn)線柔性產(chǎn)品電子標(biāo)簽上的內(nèi)容，通信終端通過工業(yè)以太網(wǎng)線連接到主控PLC。

(2)服務(wù)層：MES系統(tǒng)包括一系列功能模塊，其中的排產(chǎn)模塊經(jīng)過排產(chǎn)調(diào)度運算將來自用戶層的產(chǎn)品訂單進行分解，整合，列入排產(chǎn)表，通過WinCC把訂單產(chǎn)品信息通過主控PLC寫入產(chǎn)品電子標(biāo)簽，并接收來自生產(chǎn)層的實時數(shù)據(jù)至MES系統(tǒng)[8]。

(3)用戶層：采用B/S模式，在網(wǎng)頁瀏覽器中以實時交互方式對FMS生產(chǎn)線進行WEB數(shù)據(jù)發(fā)布和監(jiān)控[9]。網(wǎng)頁可完成產(chǎn)品定制化，下訂單，追蹤生產(chǎn)線產(chǎn)品，歷史數(shù)據(jù)顯示，質(zhì)量管理，統(tǒng)計分析等功能。

2015年1月至2017年1月我院對60例重癥并發(fā)肺炎患者進行了研究分析,將患者分成了治療組和對照組,治療組有18例男性,12例女性,最小患者27歲,最大患者78歲。對照組有16例男性和14例女性,最小患者26歲,最大患者74歲。兩組的一般性資料對比不存在統(tǒng)計學(xué)差異性,可以進行比較分析。

3 RFID應(yīng)用于FMS技術(shù)實現(xiàn)方案

3.1 RFID通信

生產(chǎn)層控制系統(tǒng)包括：西門子S7-300PLC(SIEMENS CPU314C-2PNDP)，電源模塊(SIEMENS PS307 5A)和工業(yè)交換機(SIEMENS XB005)，采用工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET總線，控制器PN口連接RFID通信終端(SIEMENS RF180C)，RF180C通道連接讀寫器(SIEMENS RF240R),共同構(gòu)成FMS生產(chǎn)線上的RFID模塊，在STEP 7 V5.5環(huán)境下組態(tài)編程，實現(xiàn)PLC對RFID電子標(biāo)簽(SIEMENS MDS D424)的讀寫訪問，系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)配置

RFID讀寫器對含有電子標(biāo)簽的產(chǎn)品信息進行讀寫，通過通信終端與生產(chǎn)層PLC通信，交互信息由PLC連接PC上的WinCC集成到服務(wù)層 MES系統(tǒng)。在STEP7中組態(tài)RFID180C，需安裝RF180CGSDML文件，設(shè)置相關(guān)工作參數(shù)，組態(tài)如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)層RFID組態(tài)

在STEP 7進行PLC編程，調(diào)用RFID讀寫控制程序功能塊FB45,其背景數(shù)據(jù)塊為DB45,用于存儲MOBY參數(shù)。DB45模塊中內(nèi)嵌調(diào)用DB47和DB48數(shù)據(jù)塊。DB47用于存儲MOBY指令，DB48用于存儲要讀寫的數(shù)據(jù)，對應(yīng)存儲RFID Tag變量表中的信息[10]。

FB45是RFID識別系統(tǒng)功能塊，PLC通過FB45與RFID識別系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。對RFID讀寫器預(yù)分配參數(shù)，并存儲到參數(shù)DB塊中。參數(shù)DB塊通過UDT(用戶數(shù)據(jù)類型)生成，UDT定義了輸入?yún)?shù)，控制命令，過程信息，內(nèi)部變量，狀態(tài)和控制字，錯誤狀態(tài)信息等。輸入?yún)?shù)包括RF180C的邏輯地址，讀寫器通道號，命令DB塊號，命令DB的起始地址；命令控制字所在字節(jié)為DBW18，涉及對RFID的編程，操作，狀態(tài)監(jiān)視等。如圖4所示。

圖4 DBW18命令控制字

3.2 RFID Tag變量表

根據(jù)RFID應(yīng)用于FMS的需求分析，建立RFID Tag變量表。它是完成柔性信息交互，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，包括訂單產(chǎn)品ID、產(chǎn)品定制信息、產(chǎn)品生產(chǎn)路線信息、產(chǎn)品執(zhí)行狀態(tài)信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息等。在PLC的DB 48數(shù)據(jù)塊中建立與之對應(yīng)的變量表，使產(chǎn)品電子標(biāo)簽與PLC之間的讀寫信息對應(yīng)，便于信息在PLC和物料電子標(biāo)簽間的傳輸。RFID Tag變量表如表1所示。

表1 RFID Tag變量表

RFID Tag變量表應(yīng)用于FMS的流程步驟如下：

STEP 1：網(wǎng)頁把訂單信息(包括訂單產(chǎn)品ID，產(chǎn)品定制信息等)寫入數(shù)據(jù)庫，MES根據(jù)訂單信息、生產(chǎn)線產(chǎn)品和設(shè)備信息執(zhí)行排產(chǎn)調(diào)度，生成產(chǎn)品生產(chǎn)的柔性信息(包括工藝路線編碼，生產(chǎn)路線執(zhí)行碼等)。

STEP 2：PLC根據(jù)訂單定制信息控制設(shè)備推出相應(yīng)物料進入生產(chǎn)線。

STEP 4：物料進入生產(chǎn)線加工環(huán)節(jié)。

STEP 5：PLC讀取電子標(biāo)簽RFID Tag變量表中的工藝路線編碼，執(zhí)行不同傳輸渠道和加工路徑。

STEP 6：PLC讀取電子標(biāo)簽RFID Tag變量表中的生產(chǎn)路線執(zhí)行碼，調(diào)用編碼對應(yīng)的PLC程序，選擇不同加工刀具。

STEP 7：電子標(biāo)簽RFID Tag變量表中記錄的產(chǎn)品執(zhí)行狀態(tài)信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息等寫入PLC，并傳輸?shù)組ES。

RFID Tag變量表應(yīng)用于信息交互，便于實現(xiàn)定制化生產(chǎn)，物料配送，流程管理，質(zhì)量監(jiān)控等功能，并滿足了以下柔性生產(chǎn)需求：

①產(chǎn)品柔性：生產(chǎn)線可以制造不同產(chǎn)品，把定制信息寫入產(chǎn)品上的RFID電子標(biāo)簽。②機器柔性：RFID讀寫產(chǎn)品定制信息為加工平臺上刀具的使用提供選擇，以完成不同加工任務(wù)。③加工路徑柔性：RFID讀取產(chǎn)品定制信息和加工信息為混線生產(chǎn)柔性加工路徑選擇提供信息。④產(chǎn)能柔性：RFID讀寫生產(chǎn)線產(chǎn)品實時數(shù)據(jù)為MES系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度排產(chǎn)方案提供信息，調(diào)整生產(chǎn)率，改變產(chǎn)能。⑤物料運輸柔性：RFID讀寫產(chǎn)品信息為生產(chǎn)線提供多渠道物料運輸。⑥擴展柔性： RFID為系統(tǒng)離散化，模塊化的組合，擴展提供支持。

3.3 RFID信息交互設(shè)計

RFID模塊與生產(chǎn)層主控PLC通信，電子標(biāo)簽RFID Tag變量表中的信息被上傳到WinCC和數(shù)據(jù)庫，為服務(wù)層MES系統(tǒng)和用戶層WEB應(yīng)用提供數(shù)據(jù)，因此需要完成對PLC變量，WinCC，MySQL之間的數(shù)據(jù)交互。

對于生產(chǎn)層，在WinCC對變量管理添加驅(qū)動并建立TCP/IP連接；在STEP 7中，PLC的DB48模塊對應(yīng)存儲RFID Tag變量表的變量，標(biāo)記共享DB變量并編譯，變量即導(dǎo)入到WinCC，成為WinCC外部變量，實現(xiàn)RFID變量與WinCC的關(guān)聯(lián)[11]。

對于服務(wù)層，在ODBC管理器DSN文件安裝配置MySQL-connector-odbc插件，為WinCC編寫VB-Script程序連接MySQL數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)源驅(qū)動。在VB-Script中使用ADO數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，利用ADO對象訪問MySQL數(shù)據(jù)庫并執(zhí)行SQL語句，存儲信息，操作相關(guān)記錄集[12]。利用ADODB.Recordset和ADODB.Command對象讀寫數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，完成WinCC與數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)。對于復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫操作，可在MySQL中編寫存儲過程(Stored Procedure)[13]，在WinCC編寫VB-Script程序調(diào)用存儲過程即可。在WinCC全局腳本建立項目模塊，把以上相關(guān)VB-Script程序模塊寫入模塊，設(shè)置動作觸發(fā)器循環(huán)時間，使全局腳本開啟后周期觸發(fā)動作，運行項目模塊中的腳本程序，在每個周期內(nèi)完成生產(chǎn)層RFID，PLC相關(guān)變量和服務(wù)層數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)讀寫。以上過程借助WinCC平臺打通了數(shù)據(jù)庫和RFID間的數(shù)據(jù)鏈，使數(shù)據(jù)信息可以在系統(tǒng)中雙向傳輸。

對于用戶層，采用PHP技術(shù)讀寫MySQL數(shù)據(jù)庫，存儲系統(tǒng)以Ibatis和JDBC相結(jié)合的方式，提供對數(shù)據(jù)的持久化支持。WEB應(yīng)用采用Struts2技術(shù)框架，利用FlexAjax等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)頁列表，工藝流程，統(tǒng)計趨勢報表等表現(xiàn)形式，可以在網(wǎng)頁上完成工藝監(jiān)控，數(shù)據(jù)實時和歷史趨勢，統(tǒng)計分析，系統(tǒng)管理等功能。

4 RFID在FMS的應(yīng)用實例

本文將RFID技術(shù)應(yīng)用到一套FMS生產(chǎn)系統(tǒng)，系統(tǒng)生產(chǎn)線的每個站有緩沖區(qū)和多條分支皮帶傳輸，可排列組合，并行串行擴展連接，使FMS每個站的加工平臺在工藝能力上相互補充或替代，實現(xiàn)混線生產(chǎn)，多線柔性生產(chǎn)。范例產(chǎn)品模擬由主件物料和配件物料裝配而成，物料有多種顏色和加工方式，以一條加工路徑為例，說明各站工藝流程：供料站，物流倉儲站分別推出主件、配件物料，主件在傳送皮帶上經(jīng)顏色檢測，移至檢測加工站的加工平臺，經(jīng)高度檢測，多種刀具定制化加工，至自動裝配站，機械臂抓取主件、配件至裝配平臺，裝配完成后，成品至物流倉儲站，再經(jīng)視覺機器掃碼，由抓取機構(gòu)執(zhí)行入庫。生產(chǎn)線工藝流程如圖5所示。

圖5 FMS生產(chǎn)線工藝流程

該柔性制造系統(tǒng)采用了垂直分布式架構(gòu)方案，生產(chǎn)線每站均有分布式RFID模塊讀寫產(chǎn)品或物料上的電子標(biāo)簽信息。服務(wù)層的MES系統(tǒng)排產(chǎn)后把訂單產(chǎn)品ID，產(chǎn)品定制信息，產(chǎn)品路線信息等通過PLC控制RFID模塊寫入主件物料上的電子標(biāo)簽，物料進入生產(chǎn)線后與每一站的RFID讀寫器信息交互，主控PLC根據(jù)主件物料電子標(biāo)簽上的柔性信息配送到不同加工站，在相同站可執(zhí)行不同加工路線和加工方式，推出不同配件物料，同時把執(zhí)行狀態(tài)信息，質(zhì)量信息等通過RFID讀寫器寫入電子標(biāo)簽。生產(chǎn)層的現(xiàn)場設(shè)備，PLC，RFID等數(shù)據(jù)信息通過WinCC平臺，存儲到MES系統(tǒng)和WEB服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。用戶可以通過網(wǎng)頁實時掌握訂單產(chǎn)品的生產(chǎn)情況；查看物料配送信息，瀏覽柔性生產(chǎn)線工藝流程；查看柔性生產(chǎn)線的排產(chǎn)和調(diào)度情況；瀏覽質(zhì)量分析的統(tǒng)計圖和相關(guān)趨勢圖。部分網(wǎng)頁頁面如圖6所示。

圖6 網(wǎng)頁頁面

5 結(jié)束語

RFID作為一種先進的識別技術(shù)，在柔性生產(chǎn)、智能制造等領(lǐng)域提供了支持。本文分析了RFID應(yīng)用于FMS的需求，在分布式RFID構(gòu)架的基礎(chǔ)上提出了新的技術(shù)實現(xiàn)方案，解決了生產(chǎn)過程的柔性實現(xiàn)和信息交互問題，提高了生產(chǎn)靈活性和生產(chǎn)效率，并成功運用到一套制造系統(tǒng)中，運行良好，實現(xiàn)了定制化產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)，為RFID在FMS上的推廣積累了技術(shù)經(jīng)驗，具有一定借鑒意義。

[1] RobinG Qiu.RFID-enabled automation in support of factory integration[J]．Robotics And Computer-Integrated Manufacturing,2007(23)：677-683.

[2] Barenji VA, Barenji VR, Hashemipour M.Structural modeling of a RFID-enabled reconfigurable architecture for a flexible manufacturing system[J].ITG-Fachbericht-Smart SysTech, 2013:1-10.

[3] RV Barenji，AV Barenji，M Hashemipour. Structural Modeling of a RFID-enabled Reconfigurable Architecture for a Flexible Manufacturing System[J]. Int J Adv Manuf Technol, 2014 (71):1773-1791.

[4] 譚杰，蔣邵崗，王啟剛. 制造業(yè)中的RFID應(yīng)用模式研究及實例[J].控制工程，2008(10)：36-39.

[5] 李作海,姚錫凡. 基于RFID的信息集成柔性制造系統(tǒng)設(shè)計研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2011(4)：14-18.

[6] 黎作鵬，張?zhí)祚Y，張菁. 信息物理融合系統(tǒng)(CPS)研究綜述[J].計算機科學(xué)，2011(9)：25-31.

[7] 朱浩，尹澤勇，劉建武，等. PLM的內(nèi)涵和功能分析[J]. 中國制造業(yè)信息化，2004(15)：151-154.

[8] 席海峰，陳華，蹇潔. 基于RFID技術(shù)的汽車生產(chǎn)流程管理架構(gòu)模式研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(11)：136-140.

[9] 孫栓柱，孫彬，周春蕾，等. 基于WEB的生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2013(10)：36-39.

[10] 邱紅，嚴(yán)江云，張韜，等. RFID在箱體類柔性制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2012(34)：4-7.

[11] 向曉汗，劉搖搖. 西門子WinCC V7 從入門到提高[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[12] 李德錄，王昱，楊小萍. VB下基于ADO的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置，2011(4)：12-15.

[13] 王雨竹，高飛. MySQL入門經(jīng)典[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013.

TheDesignandApplicationofRFIDintheFMSofProductCustomization

LI Fan, GAO Dong, ZHANG Yu-liang

(College of Information Science & Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

This paper puts forward a design and architecture of flexible manufacturing system on RFID technology. By means of writing the custom production information to the RFID tag, and through the communication way between RFID and PLC, using the WinCC platform, the system achieves the flexible data exchange between RFID and production information system in the production line.It focuses on the design and implication of RFID module and interaction of flexible information，making the product on the line to realize flexible，which has certain research significance and practical application value.

RFID;customizon production; information interaction

TH165;TG659

A

1001-2265(2017)12-0113-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.028

2017-03-02；

2017-04-08

國家自然科學(xué)基金資助項目(61703026)

李帆(1990—)，男，山東萊州人，北京化工大學(xué)碩士研究生，研究方向為自動化和制造系統(tǒng)信息化，(E-mail)lf673778861@163.com；通訊作者：高東(1982—)，男，河北保定人，北京化工大學(xué)博士，研究方向為化工過程仿真建模、化工過程診斷，(E-mail)gaodong@mail.buct.edu.cn。

(編輯李秀敏)