RFID助力生產(chǎn) 流程透明和可靠控制

　　按照工業(yè)4.0原則,機器與組件或零件上設(shè)置的RFID標簽實現(xiàn)通信

　　工業(yè)4.0的目標是將一個工廠所有的對象通過通信技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。為了實現(xiàn)各個組成部分在生產(chǎn)過程中能自行發(fā)揮控制作用，需要相應(yīng)的技術(shù)，如無線射頻識別(RFID)和近場通信(NFC)支持(圖1)。

　　基于RFID技術(shù)的識別系統(tǒng)目前在機器制造業(yè)已經(jīng)成為不可或缺的一部分：它有助于生產(chǎn)過程中可靠和有效的控制。然而目前的RFID作為一種重復(fù)使用的方案主要用于刀具控制方面，并且直接在刀具或滑塊上實施。下一個創(chuàng)新步驟面向連續(xù)的過程控制，也包括加工單元，借助RFID標簽對機器和儀器裝置組件直接進行標識。

　　這種智能化識別幾乎是唯一的選擇。因為極其多樣化的選項和靈活多變的加工模式使得生產(chǎn)經(jīng)營者不斷面臨生產(chǎn)、裝配和智能化技術(shù)服務(wù)方面的新挑戰(zhàn)。對過程鏈中的各個參與者也提出了一些必要的集成要求，也就是將數(shù)據(jù)保護下的加工與工業(yè)4.0進行融合。雖然這個概念在德國的各地都能聽說，然而除了若干先行者的幾個孤島項目以外還十分少見。其結(jié)論是關(guān)鍵成本和經(jīng)濟性優(yōu)點在國際化競爭中并未帶來收益。

　　實際上不僅是因為基于RFID和自動化的解決方案在經(jīng)濟性方面帶給行業(yè)興趣，相關(guān)市場發(fā)展在機器和儀器裝置制造業(yè)中形成一種趨勢：產(chǎn)品的小批量和個性化配置，在此背景下其他方案幾乎都無法勝任。加工過程的復(fù)雜性也在日益上升。例如，一個裝配的電路板往往要經(jīng)過多達10個不同站點進行電子元件加工處理，直到它最終被裝入一臺車輛或一個儀器裝置中。在制作電路板、涂敷電路和導(dǎo)電帶時，過程優(yōu)化的潛力由于該常規(guī)的識別技術(shù)的應(yīng)用無疑得到充分發(fā)揮。在電路板裝配所要求的存儲模塊和電容器的加工過程中呈現(xiàn)出更為顯著的潛力。

　　通過直接在電路板上裝設(shè)一個賦予個性的RFID主ID可以進行直至單個元件級的選擇性裝配，從而達到生產(chǎn)4.0的基本要求。通過這種方式，在遇到緊急訂單時就能夠自動進入狀態(tài)，在裝配線上通過一個道岔預(yù)選器裝置向前進行定位分配。當這一變化由于加工流程而成為必要時，在進行若干下游裝配步驟時主板會發(fā)出消息，告知對于它應(yīng)該做些什么或它是否已經(jīng)經(jīng)歷了若干站點的處理。

　　目標在于一個單義的RFID主標簽

　　在機器制造行業(yè)，RFID識別系統(tǒng)目前已經(jīng)可以幫助可靠和有效地控制生產(chǎn)流程

　　為了能夠?qū)@類越來越復(fù)雜的價值創(chuàng)造鏈進行透明和有效的控制，在按照工業(yè)4.0定位的生產(chǎn)過程中，需要工作流程具有明顯更高的靈活性。將來應(yīng)該做到讓到達的產(chǎn)品向加工單元發(fā)送有關(guān)信息，如究竟須對其進行哪些加工處理。通過這種技術(shù)手段還可以實現(xiàn)與外部過程的結(jié)合，使加工可以快速地轉(zhuǎn)換到其他裝配線上進行。所有這些得以實現(xiàn)的前提是必須具備一個單義的RFID主標簽。在主標簽上還能夠包含特有的生產(chǎn)和裝配信息，甚至可用于無縫地集成到別人的生產(chǎn)中。除此以外，可以在工作步驟、質(zhì)量管理或至經(jīng)銷商的發(fā)送路徑的文件資料等各方面借助RFID主標簽實現(xiàn)自動化。在對一個批次的或整包ID進行無縫分配時遇到向帶有RFID標簽的外殼內(nèi)裝配元件有出錯情況時，完備的批次追溯可以達到料倉級水平。這一優(yōu)點使得企業(yè)可以在遭受投訴時快速和低成本地做出應(yīng)對。

　　對于RFID解決方案的需求是網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)的支柱

　　作為未來網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)支柱的RFID方案必須滿足大量的實際需要。其中之一是行業(yè)標準的制定：為了能夠讓RFID在眾多參與方和國家得到合理的應(yīng)用，建立起相關(guān)帶有數(shù)據(jù)內(nèi)容的標簽的配備標準非常有必要。一方面必須給出統(tǒng)一的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層，在其中所有的參與者都可以儲存和相互之間實現(xiàn)通信。另一方面必須通過標準在工件標識上實現(xiàn)一種產(chǎn)品級的橫向通信。要做到這一點的前提是，所有參與方始終將信息存放到RFID芯片內(nèi)的相同區(qū)域。由此可以保證，所有的參與者采用同一種“語言”進行交流?；镜闹匾畔ㄉa(chǎn)廠商ID，產(chǎn)品ID，產(chǎn)品序號和生產(chǎn)日期。在現(xiàn)階段應(yīng)用的標簽上可為這種電子產(chǎn)品編碼(EPC)提供的碼位在96～480之間。當前的加工信息，如工件是否應(yīng)該按照選項A、B或C來加工，這些都存儲在用戶存儲器中，典型應(yīng)用容量可達512?bit。電子標簽直接安置在部件上，在需要時隨時能夠讀取、修改或者刪除。這樣，生產(chǎn)無需再與中央軟件直接連接就能夠獲取工件的重要信息。

　　在實現(xiàn)工業(yè)4.0時必須做到最小的元件和物件都能與機器可靠通信。實現(xiàn)這一點的前提條件是極小的RFID標簽，即使安置在金屬物上也能保證可靠工作

　　那么如何能夠確保，生產(chǎn)鏈上的各個組成分部(甚至還包括不同生產(chǎn)企業(yè)的)都使用同一RFID芯片上的同一數(shù)據(jù)呢?為了定義一個統(tǒng)一的行業(yè)標準，通常需要行業(yè)協(xié)會與業(yè)界一些主要推動者合作，以共同擬定一個參考建議。成功案例包括：移動通信行業(yè)協(xié)會(VDA)和移動通信設(shè)備制造廠商之間以及國際航空運輸聯(lián)盟和飛機制造工業(yè)之間的合作。尤其重要的是，行業(yè)協(xié)會推薦的背后應(yīng)當是市場最大的游戲參與者，否則將會帶來不同標準的裝備競賽，那只會導(dǎo)致互相不信任和喪失實施的動力。尤其需要注意的是，在RFID方案中應(yīng)用的芯片和天線的供應(yīng)不應(yīng)只限于少數(shù)幾家。如果整個行業(yè)固定采用唯一的芯片類型或僅與一家芯片生產(chǎn)廠商合作，那可能會失去更加廉價或靈活的選擇機會。

　　在高要求環(huán)境下的技術(shù)障礙

　　在機器制造業(yè)或儀器裝置制造業(yè)中，常規(guī)RFID方案很快達到其實際應(yīng)用的邊界條件。由于在困難的基底材料(如在金屬物件)上安置電子標簽的要求很高，因此需要對RFID標簽進行優(yōu)化(圖3)。對于一定的應(yīng)用，擁有相應(yīng)的用于金屬、碳和ESD防靜電材料的RFID標簽產(chǎn)品系列可供選擇。

　　金屬或塑料殼體經(jīng)常需進行上色、涂漆或噴粉表面處理，以及經(jīng)過若干不同溫度的高溫干燥處理。在此一個標準的RFID標簽已經(jīng)無法滿足要求。然而也有相應(yīng)的解決方案。適宜的RFID數(shù)據(jù)載體必須在金屬基底上粘貼牢固，同時提供可供讀取的數(shù)據(jù)。此時要達到的目標是數(shù)據(jù)載體能夠有近乎100%的可讀性和能夠達到1.5～2?m的實際讀數(shù)距離。此外，這類標簽既不允許在涂漆過程帶入硅橡膠，也不允許出現(xiàn)干縮，否則標簽周邊將露出未涂漆的空白邊框。一般RFID標簽指標說明中要求最高應(yīng)用溫度約為85℃。而在涂漆流水線上和干燥過程中必須經(jīng)得住成倍與這一限制值的溫度。對于這些過程可選用特殊的RFID標簽，它們的最高耐溫限度可達230℃，而且允許多次接連經(jīng)受這一上限溫度。

　　通過組件的RFID標簽來獲取如何處理加工單元的信息

　　很多情況下，RFID標簽同時還可作為銘牌來使用，所以必須十分堅固和耐用，能夠耐受各種氣候和使用環(huán)境條件。為此RFID標簽進入市場時都帶有不同的保護薄殼，這能夠確保機箱上信息的可靠性和長期性。

　　在已加工物件的載體上(如容器、垛板或托盤)通常也借助RFID芯片進行標記。這種無縫掌控容器和托盤的方式是一個十分重要的組成部分，一方面體現(xiàn)在能夠優(yōu)化加工過程中裝料和備料方面的高效性，另一方面體現(xiàn)在能夠?qū)λb配的部件在批次級上進行物流分配和自動登記入賬。裝設(shè)了RFID標簽的容器能夠在生產(chǎn)過程中完全自動化地進行登記，無需采取人工方式。在生產(chǎn)線之前或生產(chǎn)線旁的備料豎井內(nèi)托盤或塑料外罩借助RFID自動登記，并且作為已加工的批次存在系統(tǒng)里。這樣可使得電子組件即使沒有單個逐一編碼，仍可在返回或召回行動時至少追溯至批次級的范圍。借助這一技術(shù)能夠做到在垛板上作為空箱子或作為加工成品以堆棧的方式予以掌控。物品的出入都能夠自動地登記入賬，這樣在各個加工單元處就無需再配備RFID看板。

　　在空箱實際狀況檢查方面的優(yōu)化衍生了一種非常嚴謹?shù)膸齑婀芾砟Ｊ?，這在實踐中很多時候能夠節(jié)省高達30%的工作庫存。過程中必要的一些用于外部合作伙伴的技術(shù)服務(wù)文獻資料或說明書可以通過所謂NFC銘牌(近場無線通信)來控制。這種做法具有如下優(yōu)點：技術(shù)服務(wù)合作單位既可以從標簽上也可以通過生產(chǎn)商的因特網(wǎng)平臺，借助自己的智能手機訪問數(shù)據(jù)或向標簽上存入新的實時數(shù)據(jù)。這樣便能建立一個無縫歷史記錄，既可在工件上又可在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，完全不需要額外的RFID讀取裝置處在外圍區(qū)域。

　　RFID標簽的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　目前市場上提供的RFID標簽具有足夠大的帶寬。通過合適的咨詢和客戶現(xiàn)場的過程分析之后，每個企業(yè)都能選擇適合自己的產(chǎn)品，為其生產(chǎn)的儀器裝置安設(shè)一個RFID主標簽。在過程鏈中由此帶來了諸多優(yōu)點：除了實現(xiàn)靈活生產(chǎn)外，在各個不同的加工單元上還能夠?qū)崿F(xiàn)智能化流程控制和自動采集裝配通道中各個單元的信息(圖4)。同樣，這個標簽還能進行一些功能擴展，并應(yīng)用在最終檢驗處、物品出口處和物流鏈中，以及銷售商或技術(shù)服務(wù)單位等各個環(huán)節(jié)。

　　技術(shù)現(xiàn)狀表明，從最初的抽象概念形成到最終在工業(yè)企業(yè)得到實際應(yīng)用往往需要大約兩年的時間。在網(wǎng)絡(luò)化水平很高的行業(yè)(如機器制造業(yè))確立有關(guān)RFID芯片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和最小數(shù)據(jù)量的標準，并且得到各有關(guān)方的認可需要5年以上的時間。然而在初始階段通常會出現(xiàn)孤島方案：一些企業(yè)通過應(yīng)用RFID標簽即使在沒有網(wǎng)絡(luò)化的情況下也能取得明顯的經(jīng)濟效益。這主要只涉及到一些較大的中大型工業(yè)領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域新技術(shù)實際應(yīng)用的節(jié)奏通常更快。