基于RFID的機(jī)車生產(chǎn)線監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳少華，時(shí)繼潮，呂 閃，李新紅,吳陽明

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 遼寧 大連 116028)

近年來，隨著軌道交通產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展以及中國高鐵“走出去”戰(zhàn)略的提出，中國收到越來越多的鐵路裝備制造訂單.面對與日俱增的生產(chǎn)訂單，工廠生產(chǎn)線效率低下的問題日漸突出，如何有效地提高裝配效率是當(dāng)前機(jī)車生產(chǎn)車間亟待解決的問題.

據(jù)調(diào)查，目前生產(chǎn)線裝配工藝復(fù)雜，進(jìn)度信息種類繁多，信息量大且信息采集手段落后，生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行情況可視化程度低，進(jìn)度監(jiān)控實(shí)時(shí)性差，嚴(yán)重影響進(jìn)度信息的透明化與實(shí)時(shí)化管理，車間生產(chǎn)效率不高，無法保證訂單的及時(shí)交付.

因此，機(jī)車車輛總裝車間迫切需要開發(fā)一種具有車間無紙化生產(chǎn)支持、生產(chǎn)過程狀態(tài)信息實(shí)時(shí)采集、車間生產(chǎn)運(yùn)行管理、生產(chǎn)過程監(jiān)控，以及與其它信息系統(tǒng)的集成等功能為一體的三維可視化監(jiān)測管理系統(tǒng)，以推動(dòng)信息技術(shù)深入車間底層，促進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)制造能力、市場快速響應(yīng)能力和綜合競爭力的提高.

1 監(jiān)測管理系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)以RFID電子標(biāo)簽作為載體，通過讀卡器讀取每個(gè)工作臺位的標(biāo)簽信息，并經(jīng)過MCU微控制單元處理后，由無線通信模塊發(fā)送至接收終端，經(jīng)過服務(wù)器處理后，將每個(gè)臺位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息以三維立體化模型的形式呈現(xiàn)在監(jiān)控中心的監(jiān)控屏幕上；同時(shí)，設(shè)有移動(dòng)接收終端，方便工作人員隨時(shí)對車間生產(chǎn)臺位的生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)度，使工作人員對整個(gè)車間生產(chǎn)流程的監(jiān)控更加實(shí)時(shí)高效、直觀有效.

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.由圖1可知，生產(chǎn)線上有多個(gè)臺位，每個(gè)臺位都設(shè)有相應(yīng)的讀取模塊及微控單元，將臺位相應(yīng)的狀態(tài)信息讀取后通過無線模塊傳送給中繼，中繼中的MCU控制器將這一狀態(tài)信息讀取后并進(jìn)行處理，最終通過無線模塊傳遞給服務(wù)器.服務(wù)器與PC機(jī)和多個(gè)移動(dòng)終端相連，將臺位所反應(yīng)的信息實(shí)時(shí)顯示出來，方便工作人員對整個(gè)車間生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控[1].

圖1 監(jiān)測管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)測管理系統(tǒng)工作流程與硬件設(shè)計(jì)

此無線三維管理系統(tǒng)工作流程主要分為標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、PC顯示、移動(dòng)終端顯示4個(gè)部分.

2.1 標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)采用RFID射頻識別技術(shù)對生產(chǎn)中的機(jī)車車廂信息進(jìn)行采集和傳輸.在車廂的首尾兩端分別貼上抗金屬標(biāo)簽，標(biāo)簽中包含該節(jié)列車的位置以及加工情況的信息，然后利用頻率為 913 MHz的射頻天線對標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取[2].本方案所使用的標(biāo)簽采用背膠粘貼的方式固定，拆卸簡單，不會(huì)對車體產(chǎn)生任何傷害.

標(biāo)簽信息采集流程如圖2所示.RFID標(biāo)簽采集設(shè)備每兩秒采集工作一次，如果沒有標(biāo)簽數(shù)據(jù)，則繼續(xù)等待；如果采集到標(biāo)簽數(shù)據(jù)，則對標(biāo)簽進(jìn)行識別；如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則丟棄；如果正確，則提取標(biāo)簽內(nèi)的信息；加入臺位信息，加入幀頭，構(gòu)成一個(gè)完整的幀，然后發(fā)送至中繼，采集過程完成.

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)讀卡器讀取了RFID電子標(biāo)簽的內(nèi)容后，比特率為 9 600 bps的UART(異步收發(fā)傳輸器)將數(shù)據(jù)發(fā)送給該臺位的處理器單元(MCU)進(jìn)行處理，處理器會(huì)在數(shù)據(jù)幀中加入該臺位的編號信息[3].經(jīng)過處理后，通過無線模塊發(fā)送至 PC 終端.數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示.

圖2 標(biāo)簽信息采集流程

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程

采集工作完成后，就要進(jìn)行對數(shù)據(jù)幀的傳輸，每個(gè)臺位通過自己的發(fā)射模塊，將幀發(fā)送給中繼.中繼收到幀后，先要識別是否是有效的信息：如果不是則丟棄;如果信息有效，則在幀里加入自己的廠區(qū)標(biāo)號，重新封裝為一個(gè)新幀，再通過自己的無線模塊發(fā)送至PC終端.至此，傳輸過程完成.

2.3 PC顯示

圖4 三維建模工作流程

PC端計(jì)算機(jī)安裝無線接收設(shè)備，在接到數(shù)據(jù)之后，計(jì)算機(jī)會(huì)對標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在三維管理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，而加工臺位上的車廂會(huì)隨著標(biāo)簽位置的變化在軌道上進(jìn)行移動(dòng)，能夠真實(shí)反映出車廂的加工和移動(dòng).三維立體顯示，簡潔清楚，更加直觀，管理人員在控制室的PC機(jī)上就能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控車間的生產(chǎn)情況，可隨時(shí)對工人和設(shè)備進(jìn)行調(diào)度[4].

三維建模工作流程如圖4所示.PC終端接收到中繼發(fā)來的數(shù)據(jù)幀后，提取其中的廠區(qū)、臺位和標(biāo)簽信息，對各類信息進(jìn)行分類整理；進(jìn)入圖像處理階段，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、配準(zhǔn)、分割之后，進(jìn)行三維建模，并使其可視化[5].至此，1個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示過程完成.

2.4 移動(dòng)終端顯示

針對廠區(qū)內(nèi)工作臺位的工作情況設(shè)置移動(dòng)接收終端，利用現(xiàn)有移動(dòng)終端的人性化、個(gè)性化以及多功能化特點(diǎn)，對廠區(qū)內(nèi)工作臺位進(jìn)行監(jiān)控；以現(xiàn)下普遍使用的平板電腦作為載體，將整個(gè)廠區(qū)內(nèi)的工作臺位以三維立體化模型的形式顯示在平板屏幕上，將臺位工作情況的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行后臺云處理.當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，工作人員無需親臨監(jiān)控中心即可對工作臺位進(jìn)行隨時(shí)隨地的監(jiān)控與調(diào)度，從而避免延誤工作臺位的維修時(shí)機(jī)，而這既能滿足生產(chǎn)進(jìn)度的需要，又能保證對廠區(qū)管理的實(shí)時(shí)性、高效性.

2.5 監(jiān)測管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分有電源模塊、控制器模塊、RFID射頻采集模塊、無線模塊及MAX3485通信模塊.

3 結(jié)語

本系統(tǒng)以RFID射頻技術(shù)結(jié)合無線傳輸為橋梁，以高性能、快處理速度的STM32F103芯片為核心，通過網(wǎng)絡(luò)與MAX3485等通信協(xié)議，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)行終端，最終實(shí)現(xiàn)對車輛車間生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)督與管理，提高生產(chǎn)運(yùn)行效率.同時(shí)，此系統(tǒng)還具有傳輸效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、便于操作等優(yōu)勢，并已完成實(shí)物的研發(fā)和測試,其性能穩(wěn)定，因而具有較高的商業(yè)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.

(責(zé)任編輯 李 瑩)