RFID 技術(shù)在智能產(chǎn)線(xiàn)中的應(yīng)用

張孝芳

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710077）

在智能制造過(guò)程中，將信息追溯系統(tǒng)用于產(chǎn)品質(zhì)量保證、加工過(guò)程全方位控制等應(yīng)用場(chǎng)景，是當(dāng)前智能化加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在信息追溯過(guò)程中常見(jiàn)的主要有人工統(tǒng)計(jì)、條形碼識(shí)別、二維碼識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別和RFID 等技術(shù)，其特征見(jiàn)表1[1]，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)。RFID 技術(shù)利用閱讀器與電子標(biāo)簽可以進(jìn)行非接觸式的信息提取與修改，不需要照明光源，對(duì)工件形狀也沒(méi)有特殊要求，而且在生產(chǎn)制造環(huán)境差的情況下，也同樣能完成識(shí)別任務(wù)，因此在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，RFID 電子標(biāo)簽可以準(zhǔn)確地記錄加工工藝、加工時(shí)間、質(zhì)量檢測(cè)等結(jié)果，可完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品加工信息的可追溯性，還可避免人工操作造成的失誤。本文集成RFID 技術(shù)與PLC 控制技術(shù)。PLC 作為一種高可靠性的控制裝置，與RFID 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的控制與管理，而且提高了柔性化的生產(chǎn)水平。

表1 不同識(shí)別技術(shù)特點(diǎn)

1 RFID 技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的無(wú)線(xiàn)通信自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)來(lái)識(shí)別特定的目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、可讀寫(xiě)、非接觸、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、保密性好、穿透性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好及能同時(shí)識(shí)別多標(biāo)簽等優(yōu)點(diǎn)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 系統(tǒng)一般由標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線(xiàn)（Antenna）組成[2]，如圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)基本組成框圖

電子標(biāo)簽芯片有2 個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域，分別是UID 區(qū)和用戶(hù)數(shù)據(jù)寄存區(qū)，UID 數(shù)據(jù)區(qū)RFID 標(biāo)簽的出廠(chǎng)ID 存放區(qū)，數(shù)據(jù)為只讀，無(wú)法修改，用戶(hù)數(shù)據(jù)寄存區(qū)則供用戶(hù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、可進(jìn)行讀寫(xiě)、修改等操作。天線(xiàn)是發(fā)射并接收電磁波信號(hào)的設(shè)備，即能夠與電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器后，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送一定頻率的信號(hào)，電子標(biāo)簽在接收到信號(hào)后，將內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)電磁波信號(hào)發(fā)射出去，天線(xiàn)將接收的電磁波傳給閱讀器，閱讀器識(shí)別該電子標(biāo)簽發(fā)回的信息，最終將識(shí)別結(jié)果發(fā)送中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，這樣便達(dá)到識(shí)別的目的。在制能產(chǎn)線(xiàn)中選用PLC 作為數(shù)據(jù)處理單元，RFID 可以讀出標(biāo)簽信息，通過(guò)PLC 比對(duì)標(biāo)簽信息，將工件按照讀出的工序進(jìn)行加工，待加工完畢后，系統(tǒng)可以通過(guò)RFID 將后續(xù)加工信息傳輸給工件，以待進(jìn)行下一步工序。

2 硬件選型及方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)備升級(jí)中，PLC 仍用原有型號(hào)為西門(mén)子s7-1200 CPU1212C DC/DC/DC 的設(shè)備，其性能穩(wěn)定，成本適中，其集成一個(gè)以太網(wǎng)端口可通過(guò)交換機(jī)和RFID 實(shí)現(xiàn)ModBus TCP 通信，無(wú)需擴(kuò)展其他任意功能模塊，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)有小型智能產(chǎn)線(xiàn)升級(jí)控制需求。

RFID 的分類(lèi)及特點(diǎn)見(jiàn)表2，按照能量供應(yīng)方式分為有源RFID 和無(wú)源RFID 兩種，低頻RFID 是無(wú)源的，即電子標(biāo)簽沒(méi)有自帶電源，不能主動(dòng)發(fā)射電磁波，只有電子標(biāo)簽靠近閱讀器由天線(xiàn)向其發(fā)射電信號(hào)，電子標(biāo)簽利用收到的感應(yīng)電流將自己的信息發(fā)送到閱讀器，屬于被動(dòng)通信，一般用于停車(chē)場(chǎng)的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)及小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)。中高頻、超高頻及微波RFID 的電子標(biāo)簽屬于有源RFID 即自帶電源提供能量，可以主動(dòng)向閱讀器發(fā)送射頻信號(hào)，并且自帶電源可以讓信號(hào)傳播的更遠(yuǎn)，穿透力更強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)也越高。

表2 RFID 分類(lèi)及特點(diǎn)

結(jié)合表2 RFID 分類(lèi)及特點(diǎn)以及現(xiàn)有的智能產(chǎn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)法安裝形狀尺寸較大的RFID 設(shè)備，綜合考慮選用廣州晨控CK-FR08 系列方形讀寫(xiě)器，其工作頻率為13.56 MHz，是一款集天線(xiàn)、放大器、控制器于一體的3 合1 型高頻讀寫(xiě)頭如圖2 所示，RFID 閱讀器緊固在薄型金屬板然后通過(guò)金屬支桿將其固定在傳送帶正上方，上下距離可調(diào)，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，此外RFID 電子標(biāo)簽是直徑約為15 mm 的圓形薄片，可以膠粘在零件表面，無(wú)需改變?cè)辛慵男螤畛叽?，操作方便。同時(shí)此設(shè)備支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信協(xié)議ModBus TCP，閱讀器內(nèi)部集成了射頻部分通信協(xié)議，只需通過(guò)以太網(wǎng)接口將RFID 與PLC 控制系統(tǒng)連接一起，由于讀卡器內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)和數(shù)據(jù)輸出區(qū)，通過(guò)編寫(xiě)PLC 程序向讀卡器輸入?yún)^(qū)寫(xiě)入相關(guān)的數(shù)據(jù)和操作指令，讀卡器執(zhí)行讀寫(xiě)器指令后，把執(zhí)行指令的結(jié)果存儲(chǔ)到讀卡器的輸出區(qū)[3]。這里需要修改RFID、PLC 及編程計(jì)算機(jī)的IP 地址以確保三者在同一局域網(wǎng)網(wǎng)段下。由于該設(shè)備是基于以太網(wǎng)的高頻讀卡器，用POE（以太網(wǎng)供電46~54 V）供電，在選擇路由器時(shí)可選用帶POE 功能的交換機(jī)，這樣可以簡(jiǎn)化布線(xiàn)和降低成本[4]。通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖2 RFID 高頻讀寫(xiě)頭安裝效果

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)連接

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)置RFID 參數(shù)

RFID 通過(guò)以太網(wǎng)口聯(lián)入電腦，打開(kāi)RFID 軟件configNetReader 設(shè)置RFID 的IP 地址192.168.0.178子網(wǎng)掩碼255.255.255.0 端口號(hào)為默認(rèn)值502，確保RFID、PLC、計(jì)算機(jī)在同一網(wǎng)段下，這也是RFID 與PLC能夠正常通信的前提，設(shè)置界面如圖4 所示。

圖4 RFID 參數(shù)設(shè)置

3.2 PLC 編程

PLC 組態(tài)及參數(shù)設(shè)置，打開(kāi)西門(mén)子TIA Portal 博途軟件，創(chuàng)建新項(xiàng)目組態(tài)西門(mén)子S7-1200 CPU1212C DC/DC/DC 控制器，在屬性設(shè)置中更改PLC 的IP 地址：192.168.0.200，啟用系統(tǒng)和時(shí)鐘存儲(chǔ)器，要打開(kāi)防護(hù)安全中的連接機(jī)制選擇允許遠(yuǎn)程對(duì)象的PUTGET 訪(fǎng)問(wèn)，否則PLC 與RFID 無(wú)法正常通信。

新建數(shù)據(jù)塊，這里需要新建數(shù)據(jù)塊來(lái)存放操作數(shù)據(jù)和連接參數(shù)，新建數(shù)據(jù)塊名稱(chēng)命名為RFID 數(shù)據(jù)同時(shí)在數(shù)據(jù)塊屬性中取消優(yōu)化的塊訪(fǎng)問(wèn)。打開(kāi)RFID 數(shù)據(jù)塊，新建讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為數(shù)組Array[0…9] of Char，用于存放讀取數(shù)據(jù)的數(shù)組，再新建名稱(chēng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為數(shù)組Array[0…9] of Char，用于存放寫(xiě)入數(shù)據(jù)的數(shù)組，再新建啟動(dòng)讀、啟動(dòng)寫(xiě)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為BOOL，作讀寫(xiě)觸發(fā)條件。新建連接參數(shù)，數(shù)據(jù)類(lèi)型為T(mén)CON_IP_V4，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。Interface_id 本地接口的硬件標(biāo)識(shí)符即PLC 的硬件標(biāo)識(shí)，通過(guò)查看PLC 屬性系統(tǒng)常數(shù)下PROFINET 接口1 的硬件標(biāo)識(shí)為64；ID 引用該連接值得范圍為1~4 095 任意值，且每次引用值不能重復(fù)；connection-type 連接類(lèi)型，由于本次通信選擇RFID 為遠(yuǎn)程服務(wù)器，PLC 為客戶(hù)端主動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)RFID，選擇連接類(lèi)型為1 即主動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)。Remote Address 為RFID的IP 地址；Remote Port 為RFID 的端口號(hào)502，具體設(shè)置如圖5所示。

圖5 新建操作數(shù)據(jù)和連接參數(shù)

添加讀取/寫(xiě)入功能塊，指令選擇通信模塊中其他模塊ModBus TCP 下的MB_CLIENT ，由于讀取功能塊和寫(xiě)入功能塊都是MB_CLIENT 所以在創(chuàng)建時(shí)選擇多重實(shí)例，參數(shù)DISCONNECT（取消連接）的值為“0”，且在REQ=1 時(shí)執(zhí)行新作業(yè)，否則不會(huì)動(dòng)作；參數(shù)MB_MODE=0：讀取，MB_MODE=1 或2：寫(xiě)入；MB_DATA_ADDR 是用于讀寫(xiě)的遠(yuǎn)程地址的地址信息，由于采用的是ModBus 通信協(xié)議的概念上，主站可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)保持寄存器（地址40001-49999）對(duì)RFID 進(jìn)行控制，RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)地址addr=0x000E 至addr=0x4100 為用戶(hù)數(shù)據(jù)寄存器，用戶(hù)可對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，起始地址000E 轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為14，所以讀寫(xiě)的遠(yuǎn)程地址的起始地址為40001+14=40015；MB_DATA_LEN 包含要讀/寫(xiě)的值的數(shù)量單位為Byte，ModBus 保持寄存器40001 是用于存儲(chǔ)16 位的二進(jìn)制數(shù)，存放讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)的數(shù)組Array[0…9] of Char 共10 個(gè)Char（1 Char=2 Byte=16 bit），所以讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為5；MB_DATA_PTR是一個(gè)指針，指向ModBus 服務(wù)器發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，具體讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的程序功能塊如圖6 所示。

圖6 讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)程序

3.3 創(chuàng)建HMI 界面

通過(guò)TIA Portal 組態(tài)HMI 介面進(jìn)行人機(jī)交互，可直接在觸摸屏上完成RFID 電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)寫(xiě)入、讀取等操作。如圖7 所示，通過(guò)觸摸屏手動(dòng)寫(xiě)入“A1B2C3D4”，然后手動(dòng)讀出“A1B2C3D4”，而TIA Portal 軟件數(shù)據(jù)監(jiān)控界面的寫(xiě)入數(shù)據(jù)數(shù)組和讀取數(shù)據(jù)數(shù)組顯示同樣的數(shù)據(jù)。如在智能產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中遇到返工操作、設(shè)備報(bào)警等特殊工況，需進(jìn)行人工操作即通過(guò)“手動(dòng)讀”“手動(dòng)寫(xiě)”等功能實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備，極大地縮小了智能產(chǎn)線(xiàn)調(diào)試時(shí)間，且能直觀(guān)描述系統(tǒng)狀態(tài)，更直接地控制系統(tǒng)操作[5]。

圖7 HMI 界面和數(shù)據(jù)監(jiān)控

4 結(jié)束語(yǔ)

在智能生產(chǎn)模式不斷提高的背景下，構(gòu)建PLC 與RFID 集成的工控系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中，PLC 作為主站與RFID 閱讀器從站進(jìn)行ModBus TCP 通信從而實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID 標(biāo)簽讀和寫(xiě)操作，其中RFID 電子標(biāo)簽黏附在工件表面，充分利用其無(wú)接觸、無(wú)光源、可重復(fù)讀寫(xiě)性、耐腐蝕和抗高溫等特點(diǎn)，完成物料工件在智能制造領(lǐng)域?qū)ぜa(chǎn)、檢測(cè)等流程監(jiān)控與反饋的目的。該系統(tǒng)對(duì)提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平具有一定的借鑒意義與實(shí)用價(jià)值。在后續(xù)的升級(jí)改造中，能與視覺(jué)、二維碼等技術(shù)相結(jié)合，從而使其發(fā)揮更大的作用。且隨著移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的不斷提高和普及，射頻識(shí)別RFID 設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)是將向多功能、多接口，并向模塊化、小型化、便攜式、嵌入式方向發(fā)展[1]。很多智能系統(tǒng)需要能夠自動(dòng)識(shí)別并判斷信息是否正確，著力實(shí)現(xiàn)信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行、信息的識(shí)別與處理，詮釋智能制造的新方向。