淺談RFID在沖壓智能工廠規(guī)劃中的應(yīng)用

文/鐘劍，李嘉榮，胡望杰·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

隨著全球化分工與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，一次以“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命已然到來(lái)，世界即將進(jìn)入“智能化時(shí)代”。中國(guó)制造目前正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，企業(yè)面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃中，確立了以“智能制造”為主攻方向，依托新一代信息技術(shù)，將自動(dòng)化和信息化深度融合，實(shí)現(xiàn)智能制造，提高國(guó)家制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在2025年進(jìn)入制造強(qiáng)國(guó)行列。

國(guó)內(nèi)沖壓行業(yè)的智能化現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)制造業(yè)智能化起步較晚，目前很多制造企業(yè)仍處于自動(dòng)化升級(jí)和部分信息化階段。沖壓作為汽車制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，也面臨著同樣的問(wèn)題。隨著機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，沖壓生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平和沖壓效率不斷提高，一些主流的整車沖壓廠，如大眾佛山?jīng)_壓自動(dòng)線能達(dá)到每分鐘16次的沖次數(shù)，但是拋開單純的沖壓環(huán)節(jié)，其他環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、信息化程度仍然較低，而且各環(huán)節(jié)之間相互獨(dú)立，“各司其職”。例如負(fù)責(zé)生產(chǎn)的人員了解今天的生產(chǎn)任務(wù)，但并不知道原材料的到貨是否及時(shí)，庫(kù)存情況是否滿足生產(chǎn)計(jì)劃，當(dāng)某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，這些信息無(wú)法及時(shí)傳達(dá)，最終導(dǎo)致生產(chǎn)受到影響。

這些信息孤島存在的原因在于傳統(tǒng)的沖壓MES系統(tǒng)（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）只是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行控制，如計(jì)劃管理、生產(chǎn)管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等，每個(gè)系統(tǒng)模塊功能單一，集成性差，主要功能就是實(shí)現(xiàn)基本信息的存儲(chǔ)以及信息的 “上傳下達(dá)”，但是生產(chǎn)過(guò)程中信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力較弱，信息反饋不及時(shí)，系統(tǒng)不能做到及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化。

要想實(shí)現(xiàn)沖壓智能化生產(chǎn)，首要任務(wù)就是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息連通，通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理，把以往的各個(gè)單獨(dú)存在的MES系統(tǒng)子模塊互聯(lián)互通起來(lái)，消除信息孤島。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的沖壓智能化

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用RFID(射頻識(shí)別)、傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)搭建的一個(gè)物與物、物與人之間充分互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得人、機(jī)器和系統(tǒng)三者之間能實(shí)時(shí)的信息通信。物聯(lián)網(wǎng)的核心功能是全面感知、可靠傳輸、智能處理。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在沖壓工廠并融入到MES系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和企業(yè)信息系統(tǒng)的集成，后期通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整，做到自動(dòng)化和信息化深度融合，最終實(shí)現(xiàn)智能化工廠。

基于物聯(lián)網(wǎng)的沖壓MES從整體結(jié)構(gòu)（圖1）上分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、應(yīng)用平臺(tái)層三層。首先MES的數(shù)據(jù)采集層利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層的識(shí)別感知技術(shù)獲取車間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與處理；然后借助于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用，并通過(guò)目視化的方式展示出來(lái)；最后MES系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)ERP系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的信息共享，當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)狀況如設(shè)備異常等情況，ERP能根據(jù)訂單信息及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃。

圖1 企業(yè)ERP系統(tǒng)

由結(jié)構(gòu)圖可知數(shù)據(jù)采集層是整個(gè)MES框架的基石，離開了數(shù)據(jù)采集層，智能化就無(wú)從談起，沖壓生產(chǎn)零件種類繁多，不同的車型、不同的零件，使用的原材料、模具以及臺(tái)車都是不一樣的，物料信息錯(cuò)綜復(fù)雜，以往人工管理的模式人員效率低，出錯(cuò)率高，無(wú)法滿足企業(yè)柔性制造的要求，所以如何實(shí)現(xiàn)物料信息高效管理，是沖壓工廠智能化首先要解決的問(wèn)題，即物流倉(cāng)儲(chǔ)智能化管理。

對(duì)于物流倉(cāng)儲(chǔ)管理來(lái)說(shuō)，目前最廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集手段是條碼技術(shù)（一維碼和二維碼），但是隨著企業(yè)對(duì)信息化要求的不斷提高，條碼技術(shù)存在的信息無(wú)法更改、存儲(chǔ)容量小、讀取信息不方便等缺點(diǎn)造成信息系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈缺失，為后期數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)增加了難度。RFID作為一種非接觸式的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)識(shí)別技術(shù)逐漸替代條碼技術(shù)。

RFID介紹

RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

RFID系統(tǒng)由四個(gè)部分組成

⑴電子標(biāo)簽：由耦合元件及電子芯片構(gòu)成，具有唯一的電子編碼。

⑵閱讀器：讀取（寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備，分為手持式或固定式兩種。

⑶天線：在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。

⑷應(yīng)用軟件系統(tǒng)：集成其他系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能處理。

RFID工作原理

閱讀器通過(guò)天線發(fā)出射頻信號(hào)，標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流獲得能量，激活芯片并將存儲(chǔ)的產(chǎn)品信息發(fā)送至閱讀器，閱讀器讀取信息解碼后，通過(guò)后臺(tái)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

RFID與條碼的對(duì)比

隨著電子標(biāo)簽成本的快速下降，RFID技術(shù)相比條形碼的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)出來(lái)，主要有以下幾點(diǎn)：

⑴批量讀取：條形碼一次只能讀取一個(gè)，而RFID可以實(shí)現(xiàn)批量讀取，讀取數(shù)量可達(dá)500張/s。

⑵讀取距離遠(yuǎn)：條碼的讀取距離在50cm以內(nèi)，RFID讀取距離可達(dá)20m。

⑶讀取方便：靠電磁感應(yīng)讀取，無(wú)需光源，在黑暗的環(huán)境下都能順利讀取。

⑷可讀可寫，能反復(fù)使用。

⑸容量大：一維碼容量為50B，二維碼最大容量為2kB，RFID的最大容量可達(dá)3MB。

⑹抗污染和耐用性好：表面污漬影響條碼數(shù)據(jù)讀取，而對(duì)RFID沒(méi)有任何影響。

表1 RFID分類及應(yīng)用

⑺安全性好：RFID數(shù)據(jù)可由密碼保護(hù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容不易偽造。

超高頻RFID在沖壓智能工廠的應(yīng)用

RFID根據(jù)工作頻段，可分為低頻、高頻、超高頻以及微波，根據(jù)不同頻段，有著不同的工作特性和應(yīng)用領(lǐng)域，具體參數(shù)見表1。

超高頻標(biāo)簽相比低頻和高頻具有明顯優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)物品堆放集中在一起時(shí)，超高頻標(biāo)簽不會(huì)對(duì)附近的物品產(chǎn)生一個(gè)射頻的陰影區(qū)，使得附近的標(biāo)簽也能夠正常讀取，從而具有更好的防碰撞性能，且超高頻RFID系統(tǒng)的工作效率是高頻系統(tǒng)的60倍，這一物理特性使得超高頻標(biāo)簽相比高頻標(biāo)簽具有更好的經(jīng)濟(jì)性，是RFID技術(shù)應(yīng)用的主流。

根據(jù)沖壓現(xiàn)場(chǎng)情況、讀取速度、讀取距離及成本考慮（有源標(biāo)簽需定期更換電池），故我們采用超高頻UHF作為RFID工作頻段，同時(shí)考慮到?jīng)_壓車間金屬環(huán)境會(huì)對(duì)電子信號(hào)產(chǎn)生干擾，采用抗金屬標(biāo)簽作為信息載體，與原材料托盤和零件臺(tái)車綁定，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)目視化設(shè)備以及MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料信息綁定和生產(chǎn)信息傳遞。

沖壓RFID系統(tǒng)框架（圖2）

⑴數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和運(yùn)算，系統(tǒng)還具備其他擴(kuò)展功能，如接入MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)接。

⑵發(fā)卡機(jī)用于RFID標(biāo)簽信息的初始化。

圖2 沖壓RFID系統(tǒng)框架

⑶固定式讀寫器安裝在出入庫(kù)通道和沖壓線頭和線尾，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)讀取。

⑷手持式讀寫設(shè)備用于來(lái)料綁定、移動(dòng)作業(yè)、信息修改錄入等。

RFID應(yīng)用場(chǎng)景

圖3 板料條形碼和托盤標(biāo)簽

⑴材料接收。板料從鋼廠送至質(zhì)檢區(qū)，板料質(zhì)檢人員手持RFID設(shè)備，掃描板料條形碼和托盤標(biāo)簽（圖3），完成信息綁定，再對(duì)板材質(zhì)量進(jìn)行檢查，如果板料不合格，則修改板料質(zhì)量信息后退貨處理，如果質(zhì)檢合格，通過(guò)叉車叉取，經(jīng)過(guò)材料入庫(kù)門時(shí)，入庫(kù)門兩側(cè)的RFID讀寫器（圖4）自動(dòng)讀取托盤信息，完成板料入庫(kù)，入庫(kù)信息通過(guò)車間通道的LED顯示屏（圖5）實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，板料質(zhì)量信息由后臺(tái)系統(tǒng)記錄、統(tǒng)計(jì)，定期生成質(zhì)量報(bào)表。

圖4 RFID讀寫器

圖5 車間通道的LED顯示屏

⑵板料上線。壓力機(jī)兩側(cè)拆垛臺(tái)安裝RFID讀寫器和接近開關(guān)（圖6），生產(chǎn)時(shí)從貨架上將板料運(yùn)送至拆垛臺(tái)，壓機(jī)自動(dòng)讀取托盤信息，比對(duì)MES系統(tǒng)的生產(chǎn)信息，如果送料錯(cuò)誤，三色燈紅燈閃爍提醒，如果正確，則綠燈亮，同時(shí)系統(tǒng)庫(kù)存自動(dòng)扣減，板料庫(kù)存不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)后臺(tái)軟件將缺料信息發(fā)送至相關(guān)責(zé)任人，用于修正板料采購(gòu)計(jì)劃。

圖6 RFID讀寫器和接近開關(guān)

⑶零件下線及入庫(kù)。

1)在沖壓線尾的皮帶機(jī)位置，左右各安裝4個(gè)RFID讀寫天線（圖7），對(duì)應(yīng)4個(gè)裝箱位置，考慮到叉車叉取的方向性，為保證讀取準(zhǔn)確率，每個(gè)零件臺(tái)車在直角方向上各裝1個(gè)抗金屬標(biāo)簽（圖8）。

2)線尾天線接收生產(chǎn)信息與零件臺(tái)車裝載量匹配，對(duì)線尾生產(chǎn)臺(tái)車按照合格、滿載進(jìn)行寫入，LED顯示屏自動(dòng)更新庫(kù)存。

3)如有臺(tái)車未裝滿或出現(xiàn)零件質(zhì)量問(wèn)題需返修時(shí)，可用手持RFID設(shè)備修改臺(tái)車屬性，將零件質(zhì)量信息與零件臺(tái)車進(jìn)行綁定，同時(shí)零件庫(kù)存自動(dòng)更新。

圖7 RFID讀寫天線

圖8 抗金屬標(biāo)簽

⑷零件出庫(kù)。在零件出庫(kù)門及焊裝入庫(kù)門安裝固定式RFID讀寫設(shè)備，當(dāng)焊裝物料牽引車拖著物料經(jīng)過(guò)庫(kù)房大門時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車信息自動(dòng)讀取和沖壓零件庫(kù)存自動(dòng)更新，當(dāng)零件庫(kù)存低于安全庫(kù)存時(shí)，LED顯示報(bào)警，同時(shí)可通過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)手機(jī)發(fā)送模塊，將報(bào)警信息發(fā)送至相關(guān)責(zé)任人，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，避免因零件庫(kù)存造成的生產(chǎn)停線。

⑸生產(chǎn)信息追溯。零件的批次號(hào)、生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息與臺(tái)車RFID編號(hào)綁定，通過(guò)臺(tái)車RFID編號(hào)即可查詢到該批零件的所用材料批次、生產(chǎn)實(shí)績(jī)、物流節(jié)點(diǎn)、質(zhì)量問(wèn)題等信息。

⑹庫(kù)存盤點(diǎn)。手持移動(dòng)式RFID讀寫設(shè)備在庫(kù)存盤點(diǎn)區(qū)域行走一圈即可完成物料盤點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)比對(duì)實(shí)際讀取的數(shù)據(jù)與虛擬倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)，如有差異，可現(xiàn)場(chǎng)修正系統(tǒng)數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)人工清點(diǎn)模式，不僅提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率，而且節(jié)省了95%以上的清點(diǎn)時(shí)間。

⑺模具管理。

1)模具出入庫(kù)和盤點(diǎn)：模具四周各安裝一個(gè)RFID標(biāo)簽，通過(guò)行車通道布置的超高頻天線讀取模具的抗金屬標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)快速讀取出入庫(kù)，模具在庫(kù)數(shù)量、狀態(tài)（生產(chǎn)、庫(kù)存、模修）實(shí)時(shí)更新。

2)模具維修與保養(yǎng)：在日常維修與保養(yǎng)時(shí)，通過(guò)手持機(jī)RFID讀寫器及時(shí)地錄入維修與保養(yǎng)記錄，通過(guò)無(wú)線模塊及時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。通過(guò)模具使用狀況（總沖次數(shù)等）及維修情況（維修次數(shù)、維修原因、備件使用情況等）實(shí)時(shí)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，幫助管理層分析模具的損耗原因，評(píng)估模具壽命，實(shí)現(xiàn)模具生命周期管理。

總結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)沖壓工廠智能化，首先要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息連通，超高頻RFID技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的主要數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，適用于沖壓行業(yè)，采用超高頻RFID技術(shù)，以RFID標(biāo)簽作為信息載體與零件臺(tái)車、板料托盤以及沖壓模具綁定，能實(shí)時(shí)有效地采集、共享生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，將沖壓物流倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)與生產(chǎn)設(shè)備、模具管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)緊密連接在一起，實(shí)現(xiàn)從原材料入庫(kù)到零件出庫(kù)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程閉環(huán)管理，消除了信息孤島，大幅減少人工盤存與生產(chǎn)等待時(shí)間，消除不必要的人工成本，提高人員和設(shè)備效率，實(shí)現(xiàn)模具生命周期管理。