西門子RFID在PROFIBUS總線上的應用

龐 博

（廣西工業技師學院 廣西南寧 530031）

引言

西門子RFID在PROFIBUS總線上的應用作為大學的一門專業課，西門子的課程設置比較合理，但由于西門子的實際操作性較強，因此，筆者認為這門課的內容應該更多地涉及P塑機的使用、工業工程等相關的技術問題，而這些都是教學的重點和難點，所以我選擇了對西門子的部分課進行研究，并將其與其他的課程相融合，以實現創新性的理解和解決一些難題。

一、研究綜述

1.研究背景及研究意義

西門子RFID主要用于制造汽車、電子、機械以及航空航天等領域，在許多的行業都有應用。西門子RFID的應用十分普及：西門子是德國的著名企業，并且擁有著非常高的市場占有率。西門子芯片的研發與應用，不僅給我們的生活帶來了很大的便利，而且也給我國的制造業發展起到了很好的帶頭作用。

2.研究對象及目的

西門子RFID作為一種新型的自動識別系統，在學校的課程中也有涉及。本文的選題角度為西門子RFID的應用教學。本論文的主要選題對象為西門子的PLC技術，PLC的結構原理是基于工業生產過程的自動化控制，其工作方式是通過計算機的數字信號處理，將現場的數據傳輸到電腦，再由主機進行分析，從而得出結果，再根據這些信息來判斷出哪種工位的作用是正確的。同時，利用西門子的二維碼掃描功能，將整個控制系統的運行狀態轉化為圖像，并輸入到PC端。這樣可以方便學生對所學習的內容有所掌握。

二、PROFIBUS總線概述

1.PROFIBUS協議

PROFIBUS課程的教學目標是培養學生自主學習的能力和創新精神。同時，西門子RFID教材中的“工業4.0”中的“工業生產”“工廠設計”等內容都是對西門子的實際應用的一種延伸，這就要求教師在平時的課堂上要注意結合這些知識點，并將之靈活地運用到自己的教學當中去，讓其達到預期的效果。而自動化、電氣控制等課程的教學過程中，也要注重對其進行實踐的模擬和分析，通過這種方式來加深對于理論的理解與掌握，從而提高自身的動手操作及技能水平。

2.PROFIBUS現場總線特點

現場總線技術在西門子的應用主要體現在西門子的生產過程中，西門子可以通過現場總線來完成工廠的控制與管理，同時還能對整個生產線進行監控，并能對其運行狀態作出判斷。在實際的工程應用中，西門子能夠實現的現場總線的應用是比較多的：（1）西門子的現場總線可用于工業企業的產品設計，如工業用料的自動稱量、物料的在線稱重和計量等。（2）現場總線可應用于工業用料的自動化控制系統的智能化，如工業用料的實時稱量、輸送帶的檢測等。（3）西門子的現場總線具有較高的可靠性和穩定性，因此它的使用范圍也非常廣泛；另外，它還具備了較高的抗干擾能力，所以其抗干擾性也很好。但是由于PC的價格相對較為昂貴，且不容易被用戶所接受，目前只在一些大型的公司有涉及。

3.課程教學規劃

通過PLC的基本操作，RFID控制器的參數設置，控制程序的編寫以及調試，完成了西門子RFID系列課程的設計與開發。西門子RFID技術作為一門基礎的工業自動化控制系統，其在學校的實驗室中進行的應用較為廣泛，在相關技術設計中的應用也比較多。西門子RFID系列軟件的使用是西門子的一個重要的突破點，這也是本次設計的重點和難點。本文的研究內容主要分為兩個部分：第一個方面，為西門子的理論知識的學習與實踐，這其中包括了RFID的工作原理、結構及應用等；第二個方面，為實際的實驗教學，這一部分的培養目標在于讓學生能夠更加全面地了解掌握專業的硬件電路的具體功能，并能將所學的相關理論運用到現實的生產生活當中，同時，還需要對該門的系統有一定的認識和理解，并能將所學到的東西應用于現實生活的過程之中。

4.PROFIBUS現場總線的發展

隨著計算機技術的飛速發展，PROFIBUS在工業生產中的應用越來越廣泛，其應用領域也是在逐漸擴大，目前已經有了很多的工廠和企業使用，但是由于其自身的特點和局限性，在實際的運用過程中，還需要進一步的研究與探索。西門子RFID的現場總線系統是西門子的重要組成部分，它具有很強的實用性，能夠將實驗室的設備與現場的各種信息進行有效連接，并實現數據的共享、交換，同時，還能對現場的環境參數等進行實時檢測，并做出相應的調整，以滿足用戶的需求。西門子的現場總線可以將儀器的開關控制、儀表的測量，以及顯示的功能都集成到了該系統的數據庫里。這樣就能為我們的實驗提供更多的便利；西門子的現場總線的設計也使得教師們的教學更加便捷化，使教學工作的效率得到提高。

三、PROFIBUS現場總線的底層架構

1.系統分析

目前，PROFIBUS的現場總線技術已經被廣泛應用于各個領域，其主要功能是在工業控制、生產管理、智能制造等方面。PROFIBUS的現場總線系統結構簡單，易于實現，并且可以根據需要進行修改，可靠性高，性價比高。PROFIBUS是西門子的一種典型的西門子網絡協議，它具有較多的接口，能夠將復雜的數據轉換成通用的PCI，而且該協議的使用范圍非常廣，不僅適用于大型的工廠和工程，也適用于一些小型的項目和企業。在實際應用中，該協議的應用十分方便，不容易出現問題，且成本較低。本課程設計的實踐課的內容包括：西門子RFID的基本理論，PROFIBUS的設計方法。學生通過對這門課的學習，加強了對這門課的理解與認識，鞏固其基本知識，鍛煉技能。

2.PROFIBUS現場總線的組成

本次設計中，采用PLC和西門子RFID兩種方式來完成PLC的連接和調試。PLC的基本功能是控制，它是一種數字化的硬件設備，可以實現對被控對象的精確識別、檢測、記錄等。而西門子RFID則通過通信模塊與PLC建立鏈接，從而實現兩者之間的有效通信。PROFIBUS現場總線主要由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三個兼容部分組成。PROFIBUS的通信介質訪問方式為分布式令牌方式，是一種時間觸發的網絡協議。主節點之間為令牌環傳遞方式，主節點和從節點之間為主從輪詢方式。當主節點得到令牌后，允許它在一定的時間內與從節點和（或）其他主節點通信。令牌在所有主節點中循環一周期的最長時間（設定周期TTR）是事先預定的，決定了各主節點的令牌具體保持時間的長短。主節點之間傳輸數據必須保證在事先定義的時間間隔內主節點有充足的時間完成通信任務，主節點與從節點之間的數據交換要盡可能快且簡單地完成數據傳輸。

3.開發環境

PROFIBUS現場總線的課程開發是一個復雜的系統工程，需要考慮的因素很多，在設計時，要充分地了解其特點和功能，并對其進行適當修改與完善。在實際的學習中，我們可以根據自己的需求選擇相應的RFID軟件，并結合自身的專業能力，合理安排課時，使其能夠達到預期的效果和目標。西門子的硬件平臺的構建是西門子RFID的主要應用之一，該設備的搭建不僅包括了西門子的主控臺，還包含了主控制器，還有輔助控制系統，如通信模塊、電源模塊。主控臺的建設也是西門子RFID的應用部分，它為整個教學提供了良好的支持與保障。在本設計中，我將著重介紹西門子的核心技術，以及PLC與RFID之間的通信設置方法。

4.現場總線的抗干擾措施

調試過程中，我們需要注意的問題是：在使用的時候，要保證現場總線受到干擾。一般現場總線的干擾，主要表現在地線阻抗干擾和來自工頻電源的干擾。要避免受到干擾，首先要遠離干擾源，動力設備和電力電纜對現場總線的干擾；其次，要對現場總線設備和電纜的屏蔽；還可以采用UPS電源或隔離變壓器來防止來自工頻電源的干擾；最后可以采用光纜傳輸信號，可以有效解決輻射干擾和傳導干擾的眾多問題。

四、西門子RFID技術

1.西門子RFID技術基礎

RFID無線射頻識別（即無接觸式檢測物體屬性），是一種識別以及和數據載碼體通信的方法，通過空中接口使用交變磁場以及電磁波。西門子RFID用于在數字化企業中實現透明的流程，作為數字化基礎設施中不可缺少的要素，西門子RFID提供了端到端的供應鏈解決方案，包括一體化和可擴展的讀寫器、天線和標簽產品線。具有高性能 UHF 讀寫器的可擴展產品線和大量工業用途標簽，適合所有環境條件的多種外接天線，可通過 OPC UA 進行簡單的云連接，生產與物流變得透明，以及Web 瀏覽器快速、方便地訪問成熟的組態、調試和診斷工具，便于集成到 SIMATIC 自動化環境（如TIA Portal）中。

2.西門子RFID及其特點

在西門子RFID的應用中，西門子RFID是一種典型的工業專用芯片。它可以在計算機上直接進行數據的傳輸和控制，并通過PC端對現場的設備和控制系統的信息進行監控，從而實現對整個系統的管理與操作[1]。西門子RFID的特點是：①能夠根據用戶的要求實時調整PLC的參數；②具有較好的通信能力，可將其作為遠程的上位機，利用PC端與主控器之間的通信功能，使主控器的工作狀態得到顯示，同時還能將主控制器的指令發送給PC端，使其完成相應的任務；③采用多種多樣的總線結構，以滿足不同的應用需求[2]。

3.RFID的技術優勢

液晶芯片的發展是人類科技進步的里程碑，在工業領域的應用已經相當成熟。它可以通過對各種傳感器的采集和處理，來實現控制和顯示的功能；同時，也可用于其他智能系統的開發與應用，如視頻監控、汽車防盜報警等。西門子RFID的技術優勢主要體現在以下幾個方面：（1）西門子RFID的識別準確度高，可靠性高，抗干擾能力強，抗震性能好，使用壽命長，易于安裝，操作簡單。（2）西門子RFID的模塊化設計，使得其結構更加緊湊，體積更小，便于攜帶，并且能夠很容易地進行數據的傳輸與存儲。（3）西門子RFID的兼容性好，可擴展性強，可在不同的環境中運行，且不需要頻繁地更換新的產品或者更新換代，因此不會出現卡頓的情況。（4）西門子RFID的讀取速度快，方便快捷，這就為用戶提供了極大的便利。

五、西門子RFID在PROFIBUS總線上的應用策略

1.傳輸方式及過程

由于西門子的總線上線纜的傳輸方式為PCI，在現場總線中，我們可以通過設置不同的參數來實現對數據的采集和顯示，同時還能夠對現場的通信設備進行監控，這樣就能保證在現場通信系統的正常運行。西門子的總線上線纜的傳輸過程是采用傳感技術的一種網絡模式，它是以傳感網的形式來完成的信息傳遞的工作原理。在實際應用中，經常會遇到一些問題，如傳感器的安裝位置傳感網的布設等。而這些問題都需要相關技術人員的不斷探索與研究，才能解決。本課程設計的內容為西門子的自動控制與PLC的結合應用。學生的設計也要將自己的專業水平和動手能力作為一個很好的衡量標準，并且要具備很強的創新意識，具有良好的團隊合作精神。

2.系統配置

S7-1500 CPU1516-3PN/DP的集成DP口做PROFIBUSDP主站，ASM456做DP從站，ASM456下掛RF340R。在TIA Portal V16 的軟件環境下，S7-1500 使用 SIMATIC Ident指令塊對 RF340R 及其數據載體（標簽）RF340T 進行操作。

3.在TIA Portal項目中添加控制器

在 TIA Portal V15 新建項目文件，雙擊“添加新設備”在項目中添加 S7-1500 控制器，選擇 CPU1516-3PN/DP 生成PLC_1，雙擊 PLC_1 中的“設備組態”，在 S7-1500 的設備視圖，點擊 PROFIBUS 端口添加PROFIBUS DP主站系統，定義DP 地址，本例主站地址為 2。工業控制系統中加入控制器的目的是為了實現對被控對象的控制功能，并在系統中使用。控制器主要包括：（1）用于檢測和監控現場的溫度、濕度等參數，并通過調節或改變這些數據來滿足不同的工藝要求。（2）為保證控制器的正常運行，需要對輸入的模擬量進行采樣，以確保其能夠準確地反映出實際的生產過程。（3）在PLC的基礎上，利用程序設計的方法建立起的控制器具有一定的實時性，可以根據具體的情況變化而調整。基于西門子RFID的應用范圍，本文介紹了西門子RFID的結構和工作原理，以及PLC的軟件編程，并將其應用來作為一個項目開發的輔助工具。

4.在網絡視圖中添加ASM456

切換到網絡視圖，在硬件目錄-檢測與監視-Ident系統-SIMATIC 通信模塊，將ASM456 模塊拖入網絡視圖組態窗口，并將 PLC_1 分配給 ASM456。雙擊 ASM456 進入ASM456 設備視圖，在設備視圖右側的設備概覽中添加通信接口。將硬件目錄中 ASM456 模塊下子模塊“字：2IN/OUT DP-V1”拖入 ASM456 的插槽 1，定義輸入、輸出地址。根據 ASM456 模塊上設置的 DP 地址，配置 ASM456 PROFIBUS 組態地址，本例為4。為了更好地實現遠程控制，在網絡中添加了ASM456作為數據的輸入設備，并在主機上設置了一個連接的按鈕來進行交互，用戶可以通過這個功能來完成對所要的信息內容的查看和修改。當我們的系統進入到主機上時，會自動地將所需要的信息上傳到服務器，然后服務器會根據數據庫的參數值，對所要的對象進行處理，并生成相應的報告以供使用者使用。當網絡的監控范圍內出現問題時，就會有報警信號的輸出，并且顯示出當前的運行情況，這樣就能及時地提醒人們，以便做出應對。

5.添加組態SIMATIC ldent工藝對象

配置Ident 的組態-基本參數，選擇Ident 設備和通信接口，并將Ident 設備選擇已組態的 ASM456，使用通道1，再設置閱讀器參數分配、用戶模式以及MOBY模式。添加組態SIMATIC ldent工藝對象主要是為了實現對PLC的控制和檢測，通過設置參數，可以對輸入的數據法行分析，并將結果反饋給用戶。在實際的應用中，我們通常使用的方法有兩種，一種是直接在現場觀察PLC的運行狀態，另一種則是利用PC機的I/O接口將其與本地的程序指令相結合，來完成對整個系統的操作過程。本論文中的調試步驟如下：首先，要根據所提供的軟件設計的要求確定所需的功能模塊，并選擇合適的元器件，然后按照一定的順序加入主控制器的寄存器當中，再依次與主控器的I/0口相連接，最后再把所有的子控制系統的信號采集的信息傳送到串口上，這樣就能實時地了解到PLC的工作情況了。

6.設計簡單程序指令

在 TIA Portal STEP 7 V16 指令卡的選件包中，包含了S7-1500 對西門子工業識別系統產品的操作指令。本設計中用到的指令有Reset_Reader、Write、READ。借助“Reset_Reader”塊，可以復位通過“SIMATIC Ident”工藝對象組態的西門子RFID 閱讀器；使用“Write”塊，可將“IDENT_DATA”緩沖區中的用戶數據寫入標簽；使用 Read 指令，可以從標簽讀取數據，并將這些數據輸入到“IDENT_DATA”緩沖區中。當在設計過程中遇到困難時，需要自己獨立解決問題，而不是去尋找問題的根源所在，這就要求我們要有一個良好的思維習慣，能夠靈活地運用所學的專業知識，這樣才能更好地解決實際的難題。

7.程序下載及調試

主程序調用“Reset_Reader”。將已組態的“SIMATIC Ident_1”工藝對象，通過拖拽的方式賦值到“HW_CONNECT”，添加用戶數據塊 MOBY_Data，執行“Write”指令，將“MOBY_Data”.Write 中前 10 個字節的數據，寫入標簽中從 0 開始的地址區域；執行“Read”指令，讀取標簽中從地址 0 開始的 10 個字節數據，存儲到數據塊“MOBY_Data”.Read 的前 10 個單元，下載并調試。

8.教學步驟分析

一是學生分組，教師根據RFID的特點及要求，將其分配到各個小組，并進行分工；二是課堂教學，通過RFID合約機的演示講解，同學們了解該課程的具體內容，并對其有一個全面的認識；三是課后的練習鞏固，在課后的作業中，由老師對每一組的操作過程和注意事項等做一些總結，以便于以后的學習；四是實驗考核，在實驗室完成之后，由組內成員向組內的組員發放一份樣品，然后由組間的組長對每組的測試數據做統計分析，看是否符合設計的標準值，如果不符合則需要及時調整，直到滿足所需的參數值，最后將結果反饋給其他人，如若達到以上兩個階段，則可繼續完善，直至合格。

結語

在RFID的基礎上，西門子RFID技術的應用是一種新的教學模式。它不僅可以提高學生的學習興趣，還能培養他們的創新能力。RFID的應用教學是一門實踐性很強的學科課程，在西門子RFID與PROFIBUS連接技術的課堂中，教師會通過PPT的方式將其呈現給同學們，讓其了解西門子的結構和工作原理，同時也能讓同學們對西門子的專業知識進行系統地掌握和運用。