基于RFID技術的油漆車身跟蹤系統(tǒng)設計及應用

　　1.前言

　　近年來，隨著制造業(yè)自動化水平的快速提高和迅猛發(fā)展，生產(chǎn)線的信息跟蹤管理體現(xiàn)出越來越高的重要性。實現(xiàn)產(chǎn)品信息跟蹤管理的核心就是要有標明產(chǎn)品本身信息的載體，常見的信息載體有二維碼、條形碼、射頻識別系統(tǒng)RFID(Radio Frequency Identification)。RFID是近年來迅速發(fā)展的一種快速識別技術，通過對載碼體的無接觸識別獲得存儲的信息代碼。載碼體又俗稱電子標簽(TAG)，與傳統(tǒng)條形碼技術相比，電子標簽具有數(shù)據(jù)記憶容量大;可讀可寫、無接觸識別;耐高溫、耐腐蝕適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點;而且具有穿透性可無障礙讀寫，可以穿透覆蓋的紙張、木材、塑料等非金屬或非透明材質，誤讀率也低，因此被廣泛應用于各行業(yè)。

　　本文以實際項目使用經(jīng)驗介紹RFID技術在汽車制造業(yè)使用的實例，實現(xiàn)油漆車間車身信息的跟蹤管理。

　　2.系統(tǒng)總體結構

　　2.1車身跟蹤系統(tǒng)的結構

　　神龍汽車有限公司武漢二廠油漆車間從生產(chǎn)管理到制造工藝設備及技術均達到了PSA全球精益化樣板工廠標桿水平。在車間內(nèi)部車身跟蹤系統(tǒng)采用了目前先進的RFID識別技術，系統(tǒng)總體設計結構如圖1。從控制角度分，大致分為如圖所示三個層面：基礎設備層、控制層、中央管理層;ERP層屬企業(yè)管理層。車身數(shù)據(jù)流如圖中箭頭所示，各層級之間數(shù)據(jù)雙向傳遞，生產(chǎn)管理所需的車身信息永久保存在數(shù)據(jù)服務器中。在生產(chǎn)過程中，工藝、機器人、輸送設備可從電子標簽獲得指導生產(chǎn)必需的車身信息。

　　圖1RFID系統(tǒng)總體結構

　　2.2系統(tǒng)各組成部分任務簡述

　　1)中央管理層：EN數(shù)據(jù)服務器是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理管理中心。負責信息管理和控制生產(chǎn)流程，上連企業(yè)ERP系統(tǒng)，下管理整個油漆車間的生產(chǎn)物流指導，信息收集。隸屬于中控系統(tǒng)的現(xiàn)場客戶端，通過應用系統(tǒng)CCR-View操作平臺可以實現(xiàn)在線查詢、修改車間內(nèi)部實際車身的信息，譬如顏色、車型等信息。

　　2)控制層：本地輸送PLC主要控制輸送鏈的運行，并負責車身信息上傳下達的作用，在接收到中央管理層發(fā)出的信息后負責傳遞至下層讀/寫站，在收到下層讀/寫站上傳的信息后負責傳送至機器人PLC、大屏幕顯示板以及工藝PLC，電泳線控制PLC收到不同的車型信息時，可以調用不同的電壓參數(shù);噴漆機器人PLC可以根據(jù)收到的車型、顏色信息選擇不同的噴涂軌跡及油漆管線噴漆，從而實現(xiàn)工藝過程控制。本項目采用施奈德Premium 57系列5634M CPU，使用以太網(wǎng)連接實現(xiàn)信息傳遞。

　　3)基礎設備層：主要包含完整的RFID(射頻識別系統(tǒng))和現(xiàn)場操作終端。RFID系統(tǒng)包含電子標簽(Tag)和讀/寫站，電子標簽用來存儲必需的車身物流信息，讀/寫站從標簽里讀取和寫入數(shù)據(jù)，讀/寫站通訊協(xié)議基于TCP/IP，直接通過以太網(wǎng)和控制PLC連接;現(xiàn)場操作終端用以控制讀寫站，給人提供一個人機交互界面，可以顯示電子標簽存儲的相關信息，可實現(xiàn)緊急或信息錯誤情況下本地信息錄入、修改、查詢等功能。

　　3.系統(tǒng)功能

　　3.1使用RFID前的信息傳遞方式及特點

　　在使用RFID技術前，存儲車身信息主要是紙質條形碼，采用條形碼的方式就是要在所用功能需求點設置企業(yè)管理層SPPV系統(tǒng)的客戶端，通過讀取條形碼，查詢SPPV系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫獲取需要的車身信息，指導生產(chǎn)管理。優(yōu)點是方便靈活，缺點是對于車間生產(chǎn)管理的幫助有很大局限性，只能提供車型、顏色等信息，不能融入車間自動化系統(tǒng)的控制。隨著光電技術的發(fā)展，一段時期內(nèi)，很多汽車企業(yè)也使用了一種條形碼延伸技術——機械條碼(機械梳子)，就是在每個雪橇上安裝一個具有唯一性的鋼制條形碼，使用光電傳感器來掃描讀寫完成不同車身信息的傳遞，其特點是車身信息必須存儲在PLC里，設置一個專用車身數(shù)據(jù)PLC管理車間內(nèi)部運行的所有車身的數(shù)據(jù)，BODY DATA PLC在車間運行時有大量數(shù)據(jù)交換，所以，對PLC性能要求高，大容量的內(nèi)存，對網(wǎng)絡通訊的速率、可靠性要求都很高。

　　3.2RFID解決方案

　　采用RFID系統(tǒng)后，在每個雪橇底部保護盒里安裝一個電子標簽，電子標簽存儲著條形碼、車型、顏色、整車定義碼等大量信息，形成多個小型移動數(shù)據(jù)庫，在整個生產(chǎn)流程中經(jīng)過讀寫站點可讀可寫。在多方技術調研和方案論證后，武漢二廠油漆項目選用了EMS公司的RFID識別系統(tǒng)。電子標簽采用最高可承受240℃ HMS150HT高溫系列產(chǎn)品，移動電子標簽存儲了大量車身及物流指導信息(見圖2)。

　　圖2移動電子標簽

　　因此當本地PLC與數(shù)據(jù)服務器通訊異常時，RFID系統(tǒng)利用電子標簽存儲的信息仍然可以生產(chǎn)，不會導致大面積生產(chǎn)終止。讀寫頭采用HF-CNTL-IND-02，通訊協(xié)議基于TCP/IP，傳輸速度更快、穩(wěn)定性也更好。根據(jù)生產(chǎn)和管理功能需要，在油漆車間出入口處、工件物流的分岔處、重要的工藝過程(如電泳線、UBS線、噴漆室、儲存區(qū)等)入口處總共設置了26套讀/寫站，從而實現(xiàn)對車身進入油漆車間到發(fā)總裝整個生產(chǎn)過程進行RFID跟蹤管理和控制。

　　3.3車身跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

　　3.3.1生產(chǎn)管理指導功能

　　1)車身數(shù)據(jù)指導機器人及人工識別車型、噴涂顏色，

　　2)各類車身物流的管理：包括車身的導入、導出、側厚管理，多次循環(huán)統(tǒng)計等，

　　3)載具的管理：包括底、面漆雪橇、UBS吊具清洗、導出修理等，

　　4)向下游車間系統(tǒng)傳遞車身信息。

　　3.3.2信息統(tǒng)計報表功能

　　1)實時統(tǒng)計各工藝段、生產(chǎn)線區(qū)域內(nèi)在制品數(shù)量，

　　2)班、日、月等生產(chǎn)信息統(tǒng)計報表，

　　3)分時段，分車型、顏色統(tǒng)計已生產(chǎn)的各類車身數(shù)量

　　3.3.3生產(chǎn)線的實時監(jiān)控功能

　　1)查找某輛車所在的具體位置，譬如是在存儲區(qū)或者點修補間等，

　　2)查閱在線或歷史車身在油漆車間的狀態(tài)，

　　RFID車身跟蹤系統(tǒng)作為油漆車間ENCCR系統(tǒng)的重要子模塊，各類相關的生產(chǎn)管理人員通過獨立的使用權限登錄，從中控室或現(xiàn)場的客戶端CCR-View平臺可以進入RFID車身跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)信息的實時查詢、打印功能。

　　4.軟件設計

　　4.1讀寫站標準功能塊內(nèi)部結構

　　軟件方面，二廠油漆車間監(jiān)控系統(tǒng)采用的Wonderware公司的InTouch 9.0作為上位機組態(tài)軟件。讀/寫站采用標準以太網(wǎng)協(xié)議和操作終端及PLC連接并通訊，PLC與讀/寫站控制器的通訊程序，是用Unity Pro開發(fā)的Premium PLC的讀/寫站功能塊MFC_MAIN，MFC_MAIN 功能塊涵蓋了所有與讀/寫站有關的必要的程序邏輯，程序塊結構如圖3：

　　圖3程序塊結構

　　主程序塊內(nèi)部結構主要包含與中央監(jiān)控系統(tǒng)的報文消息CCR_MSG，與輸送系統(tǒng)的接口MFC_FTS_IF，與讀寫系統(tǒng)的接口MFC_READ_WRITE_IF，以及與操作終端的數(shù)據(jù)接口RW_DB。

　　4.2標準程序塊的時序邏輯

　　標準的讀寫站程序邏輯如圖4，圖中①號實線和②號虛線鏈路是程序中輸送系統(tǒng)與讀寫站的交換信號，主要包括輸送發(fā)給讀寫站的循環(huán)啟動FT_START信號，循環(huán)結束信號SDS_FINISHED，還有讀寫站發(fā)給輸送系統(tǒng)的反饋信號SDS_DFRG及輸送系統(tǒng)的修改及確認信號FT_DFRG;⑤號實線命令是讀寫系統(tǒng)的執(zhí)行信號READ和WRITE;③號邏輯鏈路主要是指PLC與CCR物流跟蹤體統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的報文信號REQ_D、DATA_D，④號虛線是CCR數(shù)據(jù)庫給PLC的報文應答信號DATA_P;⑥號虛線部分DATR和DATW信號是執(zhí)行讀寫命令后的數(shù)據(jù)狀態(tài)，即讀出或寫入的數(shù)據(jù)包。

　　圖4標準讀寫站程序邏輯

　　4.3PLC程序中數(shù)據(jù)包格式

　　圖5站點提取數(shù)據(jù)

　　前文已經(jīng)描述過電子標簽中包含四大類數(shù)據(jù)，在實際使用過程中多數(shù)情況下讀/寫站功能塊并不需要讀取標簽中的全部數(shù)據(jù)，就是由讀寫站的物理位置決定讀寫站數(shù)據(jù)接口讀取范圍的不同，這樣能有效地縮短讀取字節(jié)長度，從而節(jié)約讀取/寫入時間。對于大多數(shù)站點在運行時只提取了車身和雪橇等關鍵數(shù)據(jù)，如下圖5，這些數(shù)據(jù)都從屬于RW_DB塊，RW_DB作為PLC與操作終端的接口，除了數(shù)據(jù)信息外，還定義了操作過程中的狀態(tài)、錯誤信息，以及緊急情況的處理，包括人工輸入車身條碼、雪橇號等對話窗口。

　　5.系統(tǒng)可靠性

　　所有應用于工業(yè)系統(tǒng)的技術解決方案，穩(wěn)定性和可靠性都是第一決定要素，離開其一都無法體現(xiàn)工業(yè)應用的實際價值。統(tǒng)觀RFID識別系統(tǒng)總體結構的各個環(huán)節(jié)，影響穩(wěn)定性和可靠性的主要因素有：

　　5.1數(shù)據(jù)來源的可靠性

　　提到數(shù)據(jù)來源，對于本系統(tǒng)，數(shù)據(jù)來源包含三種方式：標簽源數(shù)據(jù)、操作終端手工錄入、

　　中控室數(shù)據(jù)庫手動編輯。在系統(tǒng)自動運行方式下，在車間入口，RFID讀寫系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)庫中的源數(shù)據(jù)寫入電子標簽，并在系統(tǒng)中和該雪橇綁定，在輸送系統(tǒng)定位準確的情況下，剔除測試車、試驗車，首點寫入的可靠性已高達千分之一。另外兩種數(shù)據(jù)錄入方式主要是在應急情況下的操作，譬如無車身信息的調試車、試驗車通過油漆車間，需要手工錄入車身信息;或者手動導入無車身信息的車，需要在數(shù)據(jù)庫定義該車的信息。人工干預的過程給數(shù)據(jù)來源的可靠性帶來風險，因此在所有讀/寫站的操作終端，粘貼了詳細的操作流程及說明，盡量減弱這個風險，從而保證系統(tǒng)的可靠性。

　　5.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性

　　從RFID系統(tǒng)結構來看，車身數(shù)據(jù)從電子標簽到中控室數(shù)據(jù)庫的雙向傳輸要經(jīng)過四個環(huán)節(jié)：讀/寫站、操作終端、輸送PLC、數(shù)據(jù)服務器，其中讀/寫站采用無線電波，其可靠識別率高達99.99%，其他三個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸采用10M/100M工業(yè)以太網(wǎng)，傳輸速度和通訊距離都是有可靠保障的，而且下層三個環(huán)節(jié)的設備都在本地，以太網(wǎng)連接的距離也不長，即使和中控室數(shù)據(jù)庫的通訊出現(xiàn)問題時，本地設備仍然可以降級運行，不影響底層數(shù)據(jù)的傳輸及設備的運行。

　　6.結束語

　　神龍汽車有限公司武漢二廠油漆車間自2009年6月開始批量生產(chǎn)以來，車身跟蹤系統(tǒng)運行穩(wěn)定，RFID系統(tǒng)讀寫信息可靠，誤讀率低，選用的電子標簽在高溫、酸堿等惡劣環(huán)境下運行良好，操作系統(tǒng)人機界面友好，操作簡便，車身跟蹤系統(tǒng)對全車間生產(chǎn)過程的指導管理功能大幅提升，有效提高生產(chǎn)效率。RFID技術在神龍汽車有限公司武漢二廠油漆車間應用的成功范例，對于促進RFID全油漆車間解決方案在PSA集團的推廣有一定的積極意義。