提升件煙托盤RFID芯片讀寫成功率的技術(shù)方案研究

文/郭凱 胡安琪

隨著湖北中煙武漢卷煙廠易地技術(shù)改造項(xiàng)目完成，成品高架庫自動(dòng)化物流系統(tǒng)中引入RFID技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了整托盤聯(lián)運(yùn)，增加出庫效率，減少人工搬運(yùn)成本，而且通過掃描件煙條碼，運(yùn)用壓縮算法，實(shí)現(xiàn)件煙條碼寫入RFID芯片并與芯片ID信息關(guān)聯(lián)，將倉庫管理顆粒度由老廠的托盤單位縮小到件煙單位，使成品高架庫的管理水平提升。但在實(shí)際RFID技術(shù)使用中，會(huì)出現(xiàn)芯片寫入信息成功率較低的情況，影響出入庫效率。針對(duì)芯片寫入信息成功率未到100%的原因，本文進(jìn)行了深入分析，并提出改進(jìn)辦法。

一、RFID在武漢卷煙廠物流系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.RFID在件煙碼垛入庫流程的應(yīng)用

（1）件煙分揀以及支線道口條碼采集

卷包車間生產(chǎn)的成品件煙，經(jīng)過件煙輸送線運(yùn)送至成品碼垛入庫區(qū)域。件煙首先會(huì)經(jīng)過分揀機(jī)的掃碼器進(jìn)行一號(hào)工程碼的采集，以確定件煙被分揀的道口。件煙到達(dá)相應(yīng)支線道口后，件煙輸送線上的掃碼器會(huì)再次采集件煙的一號(hào)工程碼。該掃碼器擁有兩路輸出信號(hào)：一路輸出采用網(wǎng)口通訊的形式，將條碼發(fā)送給WCS進(jìn)行牌號(hào)校驗(yàn)，用于判斷分揀是否正確；另一路輸出采用串口通訊的形式，將條碼發(fā)送給一號(hào)工程系統(tǒng)，用于碼垛完成后的條碼校驗(yàn)和RFID芯片信息寫入。

（2）成品件煙碼垛以及入庫申請(qǐng)

件煙經(jīng)過支線掃碼器的條碼采集之后，被件煙輸送線運(yùn)送至碼垛機(jī)械手的抓取工位，機(jī)械手按預(yù)先設(shè)定好的碼垛方式進(jìn)行碼垛作業(yè)。機(jī)械手每完成一次碼放動(dòng)作，會(huì)將相應(yīng)的碼放件煙數(shù)量發(fā)送給托盤輸送線PLC進(jìn)行暫存。

當(dāng)機(jī)械手碼滿一個(gè)整托盤后，機(jī)械手給托盤輸送線PLC發(fā)送碼垛完成信號(hào)。托盤輸送線PLC接收到信號(hào)之后，將托盤件煙數(shù)量和條碼發(fā)送給WCS，同時(shí)向WCS申請(qǐng)入庫。WCS接到電控層的入庫申請(qǐng)后，檢查件煙數(shù)量和接收的條碼數(shù)量是否一致——如果不一致，直接將該托盤剔除至人工口等待人工處理；如果一致，再判斷WCS是否開啟校驗(yàn)功能。若校驗(yàn)功能開啟，將條碼發(fā)送給一號(hào)工程系統(tǒng)申請(qǐng)進(jìn)行條碼校驗(yàn)；如果校驗(yàn)功能未開啟，則直接給該托盤分配一個(gè)隨機(jī)托盤號(hào)生成入庫任務(wù)。[1]

（3）條碼校驗(yàn)以及成品入庫

一號(hào)工程系統(tǒng)在接收到由WCS發(fā)送過來的條碼后，與掃碼器發(fā)過來的條碼進(jìn)行校驗(yàn)比對(duì)。如果校驗(yàn)比對(duì)結(jié)果一致，則開始對(duì)條碼進(jìn)行組包和壓縮，調(diào)用RFID讀寫器進(jìn)行RFID芯片信息寫入。寫入完成后，RFID讀寫器會(huì)再次讀取RFID芯片信息，以確認(rèn)信息是否寫入正確；如果校驗(yàn)比對(duì)結(jié)果或?qū)懭胄畔⒉徽_，一號(hào)工程系統(tǒng)向WCS發(fā)送一個(gè)校驗(yàn)或?qū)懭胧〉男盘?hào)，WCS將該托盤剔除至人工口等待人工處理。如果校驗(yàn)比對(duì)結(jié)果正確，一號(hào)工程系統(tǒng)將RFID芯片ID發(fā)送給WCS作為托盤編號(hào)，WCS生成入庫任務(wù)進(jìn)行入庫。[1]

2.RFID在件煙整托盤出庫流程的應(yīng)用

（1）創(chuàng)建出庫訂單以及根據(jù)波次分配出庫貨位

根據(jù)銷售訂單需求，由人工在WMS系統(tǒng)中創(chuàng)建出庫訂單。出庫訂單中包含需出庫的成品牌號(hào)、數(shù)量和目標(biāo)站臺(tái)信息。出庫訂單創(chuàng)建后，系統(tǒng)根據(jù)訂單中的成品牌號(hào)、數(shù)量和目標(biāo)站臺(tái)等信息，依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的波次算法進(jìn)行運(yùn)算，確定相應(yīng)的出庫貨位，并在WMS系統(tǒng)中生成相應(yīng)的訂單出庫任務(wù)。[2]

（2）成品出庫以及RFID信息讀取

WCS系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)的WMS訂單出庫任務(wù)執(zhí)行出庫作業(yè)，將相應(yīng)的托盤運(yùn)送到指定的目標(biāo)站臺(tái)，并在目標(biāo)站臺(tái)的LED顯示屏上顯示相應(yīng)的托盤信息：包括任務(wù)編號(hào)、托盤芯片ID、成品牌號(hào)、發(fā)貨門編號(hào)等。人工叉車將托盤搬運(yùn)到發(fā)貨門后，將托盤放置在預(yù)埋在地面的RFID芯片讀寫器上，一號(hào)工程系統(tǒng)通過讀寫器會(huì)自動(dòng)讀取芯片內(nèi)件煙品牌、數(shù)量和相應(yīng)的一號(hào)工程碼等相關(guān)信息，并將這些條碼判定為銷售出庫后，人工將該托盤裝車完成出庫。[2]

二、RFID使用過程中的問題分析

在試運(yùn)行期間，對(duì)入庫任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析之后我們發(fā)現(xiàn)，入庫托盤的RFID芯片寫入成功率只有92.38%，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。為了減少人工處理強(qiáng)度，武漢卷煙廠試運(yùn)行期間只能采用入庫有條碼校驗(yàn)但不剔除托盤的模式進(jìn)行生產(chǎn)，未寫入芯片信息的托盤采用件煙拆垛的方式出庫。如果遇到需要托盤聯(lián)運(yùn)的件煙托盤沒有RFID芯片信息，只能人工更換托盤重新裝載件煙并寫入RFID芯片信息。根據(jù)上述的碼垛入庫作業(yè)流程，導(dǎo)致芯片寫入失敗的原因分為以下兩種：

1.RFID芯片信息寫入失敗

經(jīng)過托盤聯(lián)運(yùn)，返回到高架庫的托盤不可避免地會(huì)出現(xiàn)RFID芯片缺失或損壞的情況。這些托盤通過RFID讀寫器再次寫入RFID信息時(shí)就會(huì)出現(xiàn)無法讀取芯片或芯片無法寫入的情況。

同時(shí)，托盤在機(jī)械手碼垛工位的定位，也是影響RFID芯片讀寫成功率的重要因素。然而，托盤上的封蠟、輸送機(jī)鏈條拉伸、光電管位置或清潔程度等都會(huì)影響托盤的定位。

2.件煙條碼校驗(yàn)失敗

條碼在支線道口通過同一個(gè)掃碼器采集，在理論上說，如果件煙輸送線PLC中有的條碼，在一號(hào)工程系統(tǒng)中也同樣會(huì)有。但當(dāng)件煙出現(xiàn)未封箱等質(zhì)量問題時(shí)，需要人工將件煙從輸送線上取下，此時(shí)件煙輸送線通過相應(yīng)工位的光電管可以識(shí)別出件煙已被人工取走，通過有信息無貨的報(bào)警復(fù)位，可以將相應(yīng)的條碼信息自動(dòng)清除；而一號(hào)工程系統(tǒng)無法采集相應(yīng)工位的光電信號(hào)，因此需要手動(dòng)刪除條碼。如果人為忘記刪除或誤刪除了其他條碼，就會(huì)導(dǎo)致一號(hào)工程系統(tǒng)中的條碼順序和條碼內(nèi)容與WCS系統(tǒng)中的不相符，條碼校驗(yàn)失敗，從而導(dǎo)致一號(hào)工程系統(tǒng)停止RFID芯片信息的寫入。

通過對(duì)上述的原因分析，我們決定對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

三、減少RFID芯片信息讀寫失敗的方案設(shè)計(jì)

1.增加入庫托盤芯片讀寫校驗(yàn)系統(tǒng)

在托盤輸送線拆盤機(jī)出口處增加一個(gè)RFID讀寫器，當(dāng)托盤經(jīng)過拆解形成單一空托盤經(jīng)過此處時(shí)，我們啟動(dòng)新增的RFID讀寫器對(duì)其進(jìn)行芯片讀取。如果能夠獲取其芯片ID，則認(rèn)為該托盤芯片正常，允許其進(jìn)入后續(xù)的托盤輸送線；如果不能獲取其芯片ID，則認(rèn)為該托盤芯片異常，將該托盤剔除至新增的碼盤機(jī)碼放，積攢一定數(shù)量的異常托盤后由輸送機(jī)將其輸送到指定工位，由人工叉車取下處理。

（1）站臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖1所示，每一個(gè)橢圓圈數(shù)字所在的方框示意為一個(gè)站臺(tái)，由5238站臺(tái)拆盤機(jī)拆出的單一空托盤經(jīng)5028站臺(tái)鏈條輸送機(jī)運(yùn)送到5029站臺(tái)等待備用。我們將RFID讀寫器安裝在5238站臺(tái)拆盤機(jī)和5029站臺(tái)之間的位置，當(dāng)托盤經(jīng)過該讀寫器時(shí)啟動(dòng)讀寫器讀取芯片ID。

圖1 入庫托盤芯片讀寫校驗(yàn)系統(tǒng)硬件安裝示意圖

同時(shí)，在5028站臺(tái)末端增加5241、5242、5243三個(gè)站臺(tái)：

5241站臺(tái)對(duì)接5028站臺(tái)，用于接收芯片ID校驗(yàn)失敗的托盤。

5242站臺(tái)為新增的碼盤機(jī)，位于5241站臺(tái)的位置，用于將5241站臺(tái)接收的托盤碼放成10個(gè)一組的托盤組。

5243站臺(tái)為末端站臺(tái)，用于接收5242站臺(tái)碼好的托盤組，供人工叉車進(jìn)行叉取。

（2）電控和信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5238站臺(tái)碼盤機(jī)拆分完托盤組后，會(huì)在5028站臺(tái)出現(xiàn)一個(gè)單一空托盤。當(dāng)5029站臺(tái)無托盤且無信息時(shí)，5028站臺(tái)啟動(dòng)將空托盤送至5029站臺(tái)。在此過程中，空托盤會(huì)脫離5028站臺(tái)的載貨光電PH5028-2，此刻PLC將會(huì)向5028站臺(tái)信息中的起始地址寫入一個(gè)整數(shù)100（整數(shù)100代表托盤RFID未被檢測(cè)），同時(shí)RFID讀寫器啟動(dòng)開始讀取芯片。如果芯片讀取成功，RFID讀寫器將讀取成功信號(hào)傳給PLC，PLC將5028站臺(tái)信息中的起始地址修改成996（整數(shù)996代表托盤RFID檢測(cè)成功），5029站臺(tái)頂升機(jī)啟動(dòng)，將空托盤頂起備用；如果芯片讀取失敗，將5028站臺(tái)信息中的起始地址修改成995（整數(shù)995代表托盤RFID檢測(cè)失?。?，5029站臺(tái)頂升機(jī)不啟動(dòng)，將托盤剔除至5241站臺(tái)。

當(dāng)托盤到達(dá)5241站臺(tái)后5242站臺(tái)碼盤機(jī)啟動(dòng)，將芯片失效的空托盤碼放好，同時(shí)碼盤機(jī)計(jì)數(shù)加1；當(dāng)5242站臺(tái)碼盤機(jī)碼滿10個(gè)托盤后，5241站臺(tái)啟動(dòng)，將托盤組運(yùn)送至5243站臺(tái)等待人工叉車叉取。

筆者編寫了一個(gè)控制臺(tái)監(jiān)控應(yīng)用程序，運(yùn)行于WCS服務(wù)器上。該程序時(shí)刻監(jiān)控PLC當(dāng)中5028站臺(tái)信息中起始地址的值，當(dāng)該值變成整數(shù)100時(shí)，說明托盤已到達(dá)RFID讀寫器位置，此時(shí)軟件調(diào)用讀寫器讀取RFID芯片的ID。如果讀取成功，則將PLC當(dāng)中5028站臺(tái)信息中起始地址的值修改成996，并將讀取時(shí)間和芯片ID編號(hào)寫入數(shù)據(jù)庫中；如果讀取失敗，則將PLC當(dāng)中5028站臺(tái)信息中的起始地址的值修改成995，并將讀取時(shí)間和一個(gè)空值寫入數(shù)據(jù)庫中；寫入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在通過報(bào)表系統(tǒng)展現(xiàn)出來，可以查詢?nèi)我鈺r(shí)間段內(nèi)的RFID芯片讀寫成功率。整個(gè)電控和信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，詳見圖2。

圖2 入庫托盤芯片讀寫校驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

2.增加鏈條輸送機(jī)定位功能

如圖3所示，機(jī)械手碼垛工位（圖3托盤所在的工位）的托盤定位也是RFID芯片讀寫成功率的因素之一。為了提高托盤的定位精度，在圖3所示的位置增加了機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)。

圖3 鏈條輸送機(jī)機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)安裝位置示意圖

（1）機(jī)械部分設(shè)計(jì)

如圖4所示，托盤向前輸送的過程中會(huì)將機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)壓下去，托盤正常通過；當(dāng)托盤完全經(jīng)過機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)之后，如圖5所示，機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)復(fù)位。同時(shí)，輸送機(jī)低速反轉(zhuǎn)，將托盤緊緊靠在機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)上，以此來保障每次托盤都會(huì)停止在同一個(gè)位置上。

圖4 運(yùn)輸過程中止擋機(jī)構(gòu)狀態(tài)圖

圖5 定位后止擋機(jī)構(gòu)狀態(tài)圖

（2）電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖6所示，當(dāng)5038站臺(tái)無托盤且沒有信息時(shí)，PLC會(huì)輸出高速正轉(zhuǎn)信號(hào)給5038站臺(tái)的變頻器，將5037站臺(tái)的空托盤向5038站臺(tái)的碼垛工位上輸送；空托盤在脫離托盤機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)之后會(huì)觸發(fā)到位光電PH5038-4，此時(shí)PLC會(huì)輸出低速反轉(zhuǎn)信號(hào)給5038站臺(tái)的變頻器，將托盤靠在機(jī)械止擋機(jī)構(gòu)上。當(dāng)托盤觸發(fā)光電傳感器PH5038-3后，5038站臺(tái)繼續(xù)低速反轉(zhuǎn)2秒鐘后停止運(yùn)行，同時(shí)向機(jī)械手給出托盤準(zhǔn)備好信號(hào)，允許機(jī)械手開始碼垛。

四、提升入庫申請(qǐng)時(shí)條碼校驗(yàn)成功率的方案設(shè)計(jì)

一號(hào)工程系統(tǒng)在接收到WCS系統(tǒng)的校驗(yàn)申請(qǐng)后，會(huì)按照條碼的采集順序?qū)⑾鄳?yīng)數(shù)量的條碼拿來和WCS系統(tǒng)的條碼進(jìn)行比對(duì)。在這個(gè)過程中，針對(duì)條碼校驗(yàn)失敗的情況，筆者改造一號(hào)工程校驗(yàn)軟件，增加了條碼池功能。

如圖7所示，所謂“條碼池”是一號(hào)工程系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的一張臨時(shí)數(shù)據(jù)表，一號(hào)工程系統(tǒng)采集到的條碼都會(huì)放入到這張表中。當(dāng)接收到WCS系統(tǒng)發(fā)送過來的校驗(yàn)條碼后，系統(tǒng)就在這張表中查找相應(yīng)的條碼，如果全部查詢到，就將WCS系統(tǒng)發(fā)送過來的校驗(yàn)條碼組包操作；任何一條條碼信息未查詢到，則向WCS系統(tǒng)發(fā)送條碼校驗(yàn)失敗信號(hào)。這樣就可以屏蔽一號(hào)工程系統(tǒng)的條碼采集順序，極大提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

五、成果分析

1.RFID芯片讀寫成功率統(tǒng)計(jì)

提升RFID芯片讀寫成功率的方案實(shí)施前，筆者統(tǒng)計(jì)的2019年11月每周RFID芯片讀寫成功率統(tǒng)計(jì)表，如表1。

方案實(shí)施后，2020年1月每周RFID讀寫成功率統(tǒng)計(jì)表，如表2。

由表1和表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，RFID讀寫成功率由92.38%上升到100%。

表1 方案實(shí)施前RFID讀寫成功率統(tǒng)計(jì)表

表2 方案實(shí)施后RFID讀寫成功率統(tǒng)計(jì)表

2.減少條碼校驗(yàn)失敗導(dǎo)致托盤RFID芯片無信息統(tǒng)計(jì)

2019年11月每周入庫因條碼校驗(yàn)失敗導(dǎo)致托盤RFID芯片無信息統(tǒng)計(jì)表，如表3。

表3 方案實(shí)施前條碼校驗(yàn)成功率統(tǒng)計(jì)表

方案實(shí)施后，2020年1月每周入庫因條碼校驗(yàn)失敗導(dǎo)致托盤RFID芯片無信息統(tǒng)計(jì)表，如表4。

表4 方案實(shí)施后條碼校驗(yàn)成功率統(tǒng)計(jì)表

由表3和表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，條碼校驗(yàn)成功率由96.77%上升到100%，完全杜絕了因條碼校驗(yàn)失敗而導(dǎo)致托盤RFID信息寫入失敗的情況。

六、結(jié)語

本文筆者通過層次分析法，定位問題，并逐個(gè)給出解決方案，使RFID芯片讀寫成功率提升至100%，并且沒有RFID芯片信息讀寫失敗影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況發(fā)生，從而最大化地體現(xiàn)出RFID技術(shù)在成品庫管理系統(tǒng)中的便捷性和信息傳遞準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢(shì)。然而，我們?nèi)杂胁糠諶FID芯片被損壞的托盤無法正常投入托盤聯(lián)運(yùn)的使用中，如何減少托盤聯(lián)運(yùn)過程中RFID芯片損耗的問題，將是我們下一個(gè)要突破的目標(biāo)。