RFID車型識別技術(shù)的應(yīng)用研究

施國棟 韋軍 孫國林 毛柏吉 姜淮 李長松

（中國第一汽車股份有限公司工程與生產(chǎn)物流部，長春 130000）

1 前言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中的必需品。2021 年中國汽車產(chǎn)銷量均超過2 600 萬輛。如何在保證產(chǎn)量增長的前提下節(jié)約生產(chǎn)成本是各大汽車廠商面臨的首要難題。無線射頻技術(shù)(RFID)為解決該問題提供了新的思路，本文將結(jié)合實際項目與大眾VASS05 標準對RFID 技術(shù)的應(yīng)用進行深入研究。

2 RFID技術(shù)

2.1 RFID技術(shù)概述

RFID 又被稱作電子標簽或無線射頻識別，是一種前沿的通信技術(shù)，它可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，且識別系統(tǒng)與特定目標之間無須建立機械或光學(xué)接觸。它能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間的讀寫、非可視狀態(tài)的識別、移動目標識別、多目標識別、定位以及長期的跟蹤管理工作，且惡劣環(huán)境對識別工作影響很小，讀取信息過程安全可靠，因此RFID 技術(shù)在自動化生產(chǎn)線中有著廣泛的應(yīng)用前景。

RFID 技術(shù)還是一種非接觸式自動識別技術(shù)，它能夠通過無線射頻信號自動識別目標對象并獲取有用的數(shù)據(jù)，識別工作能夠適應(yīng)包括焊裝車間等各種惡劣環(huán)境。RFID 無線系統(tǒng)組成比較簡單，由一個詢問器和若干應(yīng)答器組成。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)答器已經(jīng)發(fā)展為智能標簽的形式。RFID 的詢問器能夠通過天線與智能標簽進行無線通信，并且能夠?qū)撕炞R別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)進行讀出和寫入等操作，典型的詢問器包括高頻模塊、控制單元以及閱讀器天線。

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

RFID 產(chǎn)品種類比較多，目前已經(jīng)形成了從低頻到高頻和從低端到高端的一系列產(chǎn)品，且行業(yè)上的應(yīng)用規(guī)模也在不斷地擴大，形成了相對成熟穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈。

RFID 技術(shù)在國外發(fā)展迅速，并且種類十分豐富，例如著名廠家Philips 壟斷了短距離HF 頻段的RFID 技術(shù)，包括讀寫器與標簽；而長距離HF 頻段的RFID 技術(shù)則被少數(shù)其他外國企業(yè)壟斷；IBM 和微軟公司也在計劃研發(fā)與發(fā)展RFID 技術(shù)。在中國，RFID 技術(shù)的研究已經(jīng)有20 多年的歷史，經(jīng)濟部技術(shù)處早在1992 年就開始研究高頻段的RFID技術(shù)，讀寫器與IC 芯片等重要技術(shù)也正處在開發(fā)階段。國內(nèi)對于RFID 技術(shù)的需求十分廣泛，大連港集裝箱管理、全國鐵路車號識別系統(tǒng)以及第2 代居民身份證都是RFID 技術(shù)應(yīng)用的鮮明例子。

2.3 RFID系統(tǒng)的組成

RFID 系統(tǒng)組成主要包括電子標簽、閱讀器、天線以及應(yīng)用軟件[1]。從圖1 可以看出閱讀器與電子標簽?zāi)K中都包括數(shù)據(jù)的輸入和輸出過程，并且這個過程還涉及到能量和時鐘。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 RFID技術(shù)的基本原理

RFID 技術(shù)的工作原理主要基于電磁耦合[2]，標簽進入到磁場后，接收閱讀器通過天線發(fā)出的射頻信號，經(jīng)過電磁耦合后產(chǎn)生感應(yīng)電流，憑借感應(yīng)電流產(chǎn)生的能量將存儲在芯片中的產(chǎn)品信息或某一頻率的信號主動發(fā)送給閱讀器。閱讀器讀取信息并解碼，接著將解碼后的信息發(fā)送給有需要的應(yīng)用軟件進行數(shù)據(jù)處理。

RFID 的一般工作流程如圖2 所示，閱讀器和標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交互，這樣閱讀器能夠通過耦合給無源標簽提供能量以及時序等相關(guān)內(nèi)容。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，可以通過Ethernet 網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)對零件信息的識別、處理以及遠程傳送。

圖2 RFID的一般工作流程

標簽是RFID 系統(tǒng)最常見的形式，有主動式標簽、被動式標簽以及半主動式電子標簽。目前市場上大多數(shù)由耦合原件和微芯片組成無源應(yīng)用單元。

同時工作頻率的不同也會影響RFID產(chǎn)品的性能，目前RFID產(chǎn)品的工作頻率有低頻（125～134 kHz)、高頻（13.56 MHz)和超高頻（860～960 MHz）[3]等。

3 RFID技術(shù)在焊裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

3.1 設(shè)計方案

西科（SICK）是全球領(lǐng)先的傳感器制造商和解決方案供應(yīng)商，下面主要介紹SICK 品牌RFU630x智能識別系統(tǒng)在自動焊裝線中的應(yīng)用。

RFU63x 閱讀器是一種自動化智能傳感器，用在移動或者靜止物體上，可穩(wěn)定地識別信息和從/往無線電數(shù)據(jù)載體傳輸數(shù)據(jù)。RFU63x 作為一種設(shè)有集成天線的小型讀寫裝置，能夠在860～960 MHz處理所有與ISO/IEC-18000-6C 兼容的常規(guī)應(yīng)答器，可作獨立解決方案使用，也可作網(wǎng)絡(luò)中分組的一部分使用。RFU630x 把讀取結(jié)果送給上一級計算機以通過其主機接口繼續(xù)處理。

RFU63x 的閱讀器和標簽體積小巧便于安裝，實際項目中為每個閱讀器制作1 個支架，根據(jù)標簽在零件上的位置來確定閱讀器的方向和角度，如圖3、圖4 所示。

圖3 RFU63x閱讀器

圖4 RFU63x使用的被動式標簽

作為超高頻系統(tǒng)，RFU63x 可以實現(xiàn)遠距離讀寫，基本實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瞬間傳輸，而且可以很好的適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境中金屬材質(zhì)較多的情況。

RFID 車型傳遞方案如下。

在整個項目中，中通道區(qū)域為區(qū)分車型的第1 個區(qū)域，在中通道的第1 個區(qū)域的第1 個Buffer——111010SB1 上安裝RFID 閱讀器，生產(chǎn)線中的車型信息由上位機下發(fā)并在Labelcentre 中將標簽信息寫入。之后的每個工作夾具臺上都安裝閱讀器，在零件落入工位后讀取車型并進行焊接，具體工藝方案見圖5。

圖5 有關(guān)車型傳遞的工藝方案

由于項目中使用的是被動式標簽，標簽中的車型信息內(nèi)容需要在起始工位的Labelcentre 中寫入，寫有車型信息的標簽被固定在中通道的零件上，這樣隨著零件的流動，每個工位的閱讀器都會讀出相應(yīng)工位上零件的車型，閱讀器把讀到的車型通過Profinet 網(wǎng)絡(luò)傳遞給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。

3.2 電氣硬件安裝

首先，將RFU63x 按照安裝說明接通電源和網(wǎng)絡(luò)，安裝原理如圖6 所示。

圖6 RFID的安裝原理

一定要注意連結(jié)電纜的型號，實際項目中使用的是SICK 預(yù)制的電纜進行電路連接，具體的供電原理圖如圖7 所示。將1020 工位轉(zhuǎn)轂上的閥島24 V 控制電壓與閱讀器的控制電源串聯(lián)起來，接下來進行閱讀器的聯(lián)網(wǎng)工作；由于VASS05 標準中采用了標準的Profinet 形式，將RFID 串聯(lián)到該以太網(wǎng)中，具體網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖8 所示。

圖7 RFID的供電原理

圖8 RFID的網(wǎng)絡(luò)連接原理

項目中將RFID 閱讀器的網(wǎng)絡(luò)通過PN-PLUS BOX 與整個以太網(wǎng)絡(luò)連接。除此之外，該項目中的汽車零件均屬于金屬材料，在安裝時應(yīng)該注意閱讀器的讀寫面在讀寫數(shù)據(jù)時與零件表面成一定角度，如圖9 所示。

圖9 RFID閱讀器與零件表面位置關(guān)系示意

RFID 閱讀器采用產(chǎn)生一定角度的安裝方式可以排除正面存在的任何大金屬表面，以防止讀寫時出現(xiàn)故障。同時按照標準閱讀器的中心與標簽的直線距離應(yīng)該設(shè)置在0.2～1 m。

3.3 參數(shù)設(shè)置

RFU63x 的參數(shù)通過SOPAS ET 配置軟件進行參數(shù)調(diào)節(jié)，利用快速啟動選項，軟件會自動生成1個讀數(shù)脈沖，并在窗口中檢測到應(yīng)答器，如圖10 所示。

圖10 快速啟動窗口顯示檢測到1個應(yīng)答器

與此同時RFU63x 天線罩中心的過程反饋會默認發(fā)出藍光，顯示已產(chǎn)生可用的UHF 場并且已檢測到一個或多個應(yīng)答器。這說明使用的標簽是可行的，為保證在生產(chǎn)過程中能夠穩(wěn)定接收車型信息需要按照VASS05 標準中提供的數(shù)據(jù)信息對其中一些關(guān)鍵參數(shù)進行設(shè)置，如圖11 所示。

圖11 內(nèi)置天線發(fā)射功率參數(shù)設(shè)置

對RFID 的內(nèi)置天線進行了如圖11 所示的參數(shù)設(shè)置，讀取數(shù)據(jù)時的發(fā)射功率按照VASS05 標準中將其設(shè)置為14 dBm；寫數(shù)據(jù)時的發(fā)射功率，由于項目中并沒有該功能所以其參數(shù)值可以不設(shè)；最小的返回功率設(shè)置為10 dBm；信號傳輸過程中的抗干擾量設(shè)置為1 dB（A）。

如圖12 所示，首先對RFID 控制方式的一些參數(shù)按照VASS05 標準進行設(shè)置。接著設(shè)置車型數(shù)據(jù)，其輸出的具體格式如圖13 所示，最后對RFID的網(wǎng)絡(luò)名稱和IP 地址等參數(shù)進行設(shè)置，如圖14 所示。

圖12 控制命令參數(shù)設(shè)置

圖13 車型數(shù)據(jù)輸出格式設(shè)置

圖14 RFID的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

其中網(wǎng)絡(luò)名稱和IP 地址按照項目中的實際地址進行分配，經(jīng)過上述步驟便完成對RFID 硬件安裝的設(shè)置，確認無誤后將這些參數(shù)保存下載，這臺RFID 就具備了項目所需的硬件參數(shù)。

3.4 電氣程序控制

首先對RFU63x 進行硬件組態(tài)，并在項目中增加一站，如圖15、圖16 所示。

圖15 RFID在項目中的設(shè)置

圖16 RFID在網(wǎng)絡(luò)拓撲中的設(shè)置

接著編寫控制程序，RFID 的讀寫過程主要由FB520 進行控制，具體程序如圖17 所示。

圖17 RFID的讀取程序塊

其中Ver_Lesen 信號表示閱讀器讀取的條件，在本項目中只要區(qū)域不處在空循環(huán)模式就滿足讀取的機械條件。Lesen 信號表示從標簽中讀取信號需要滿足的條件，項目中的讀取條件按圖18 設(shè)計。

圖18 RFID的讀取條件

為了排除工位中其它機械因素對讀取過程的干擾，在標準程序的基礎(chǔ)上添加M611.2，該信號表示所有機器人與當前工位均處在無干涉狀態(tài)，以此來排除機器人在放件過程中遮擋天線的可能。同時對讀取條件信號DB4103.DBX0.3 進行上升沿處理，為防止在放件過程中因機械原因產(chǎn)生信號抖動造成讀取不成功。Laenge 表示讀取車型信息的字符長度為32 個字節(jié)，4 個字的長度包括區(qū)分車型的4 種關(guān)鍵因素，如圖19 所示。

圖19 RFID讀取的車型信息在WICC畫面中的顯示

4 個字節(jié)中第1 個字節(jié)代表項目編號、第2 個字節(jié)代表兩驅(qū)或者四驅(qū)車型、第3 個字節(jié)代表車型細節(jié)信息、第4 個字節(jié)作為預(yù)留信息使用，以此來區(qū)分不同的車輛，采取不同的方式進行焊接。DB4103.DBX100.0 "RFID_121020IS1".FM_Lesen 為讀取完成信號標志位，發(fā)出該信號時表示讀取過程已經(jīng)結(jié)束，本次循環(huán)過程閱讀器不再讀取數(shù)據(jù)。車型數(shù)據(jù)的傳遞主要由FB529 進行控制，如圖20 所示。

圖20 RFID讀取的車型信息在程序中的傳遞過程

控制塊中Auto 信號是工位處在自動模式下讀取車型信息的條件，從程序中可以看出當讀取完成后車型信息存儲在DB4104.DBW42 中，讀取這一信息后才會給機器人發(fā)出相應(yīng)的程序號來執(zhí)行不同的焊接工藝完成焊接過程。焊接完成后，取件機器人將零件取走，夾具回到原位后觸發(fā)“M_121020V01FMReset”信號來清除本次循環(huán)讀取到的車型。

以上過程為在自動模式下RFID 的工作過程，當在一些特殊情況下RFID 也可以手動進行讀取，首先Ver_Lesen 條件必須滿足，然后打開控制畫面如圖21 所示。

圖21 RFID手動讀取車型信息畫面

當滿足讀取條件時讀取按鈕上的黃點會亮起來，點擊讀取按鈕，就會得到標簽中存儲的車型信息；車型信息獲得后，對采集的數(shù)據(jù)進行如圖22 所示的處理過程。

根據(jù)圖22，首先將讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進制的字數(shù)據(jù)，接著對這個十進制數(shù)進行判斷，如果是100 則為兩驅(qū)車，200 則為四驅(qū)車。

圖22 車型信息的處理過程

3.5 應(yīng)用效果

面對日趨激烈的市場競爭，世界各大汽車廠商都在節(jié)約成本，其中生產(chǎn)線的混流生產(chǎn)是十分重要的一項措施，要實現(xiàn)混流生產(chǎn)就必然涉及到工位之間車型信息的傳遞過程，作為一項全新的身份識別技術(shù)，RFID 技術(shù)有著舉足輕重的地位。RFU63x 的閱讀器和標簽體積都很小，使用起來快捷方便，標簽只要在第1 個工位固定于吸附在車身上的磁鐵塊，就可以通過后面每個工位安裝的閱讀器來讀取當前工位的車型，本次項目主要參照大眾VASS05 標準對RFU63x 的硬件參數(shù)進行設(shè)置，使用標準功能塊編寫電氣控制軟件程序，實現(xiàn)地板線區(qū)域的車型識別功能和2 種車型的混流生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率并節(jié)約大量成本。

4 結(jié)束語

RFID 是一項蓬勃發(fā)展的新型技術(shù)，射頻識別技術(shù)在未來的發(fā)展模式中，將結(jié)合一些其他相關(guān)的高新技術(shù)（如生物識別等技術(shù)），由單一的識別向多功能的識別方向發(fā)展；結(jié)合現(xiàn)代通信及計算機技術(shù)，將會實現(xiàn)跨地區(qū)和跨行業(yè)應(yīng)用，相信RFID技術(shù)擁有著巨大的發(fā)展的潛力。

從項目中可以看出德國大眾公司已經(jīng)將RFID技術(shù)成熟地運用到汽車生產(chǎn)中，這將對其汽車生產(chǎn)線的降本增效起到促進作用，可以極大地提高大眾集團在世界范圍內(nèi)的競爭力。反觀中國的一些汽車生產(chǎn)商在這方面還十分落后，車型單一，信息傳遞的手段也十分落后，不僅增加成本還降低了生產(chǎn)效率。目前中國的射頻識別技術(shù)和應(yīng)用都還處于比較初級的發(fā)展階段，存在現(xiàn)存技術(shù)水平不高，標準規(guī)范不完整等問題，但中國射頻識別技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景以及巨大的市場發(fā)展的潛力[4]。