基于RFID技術的智能輸送線系統設計

謝東江，劉奭奭，李劼科

（惠州工程職業學院機電工程系，廣東惠州 516023）

0 引言

傳統的制造業生產車間布局是由一條長距離的生產線，以及排布在生產線上的工位組成，由于可以自由增減工位數量，這種布局在產品大規模、大批量生產中優勢明顯。但它的缺點也很明顯：整條生產線的節拍已固定，不能任意變更；生產線的夾治具和重要設備位置固定，不方便轉移。隨著人們需求的多樣化和個性化，工廠產品的訂單也轉變為批量小、品種多、交付時間短的新特點。在這種情況下，傳統的生產線已不能滿足要求。并且傳統生產線管理方式采用人工采集信息和手工輸入數據，數據信息滯后，準確率低。智能生產線把傳統生產線的重要工位獨立出來，形成一個功能模塊，該功能模塊由動力源、物料傳送裝置、數據采集傳感器、控制器、執行機構組成。該模塊的特點：可以完成工位的工作內容；工位的傳送速度通過電機調整；工位的生產數據可以在線實時監控；可以任意移動位置組成新的生產線。智能生產線往往集成了工業機器人技術、PLC 控制技術、RFID技術等。

RFID（Radio Frequency Identification） 技術是自動識別技術的一種，通過無線射頻的方式實現非接觸式的數據通信，是物聯網技術中的一項關鍵技術[1]。RFID 技術通過非接觸式采集數據，快速批量讀取RFID 標簽信息，采集產品的地址、生產日期、序列號等信息，可使生產制造更加自動化、智能化，可使生產管理實現柔性化、可視化、信息化。本文以U 盤生產為例，利用RFID技術研究并設計了智能輸送線系統，該系統可以實現U 盤生產數量統計、質量監控、生產過程實時看板的功能。

1 系統總體設計

U 盤生產線包括坯料倉儲單元、成品倉儲單元、主控系統和智能輸送線。智能輸送線依次由加工模塊、檢測模塊、組裝模塊、鐳雕模塊、鐳雕檢測模塊和打包模塊共6個模塊組成，如圖1所示。

圖1 智能輸送線系統框圖

每個模塊組成產線的一個獨立工位，工位上都有執行機構和上下料裝置，其中在加工檢測模塊和鐳雕檢測模塊上還設置了視覺系統，對相應的零件進行外觀和尺寸的檢測。執行機構由工業機器人、機械手、傳感器組成，以完成工位對應的工作內容。上下料裝置由電機、變頻器、PLC、傳送帶、夾具等組成，以完成U 盤零部件的上料、下料、傳送的工作內容。在各工位上都安裝有一套RFID讀寫器和限位開關。在坯料倉的零件，由機械手抓取放入到帶有電子標簽的RFID夾具中，依次通過輸送線各工位時，工位上的RFID 讀寫器對夾具上的RFID 標簽信息進行讀取，經PLC 數據處理后傳送給機器人執行相應的動作，并把相關的輸入寫入RFID 標簽中。輸送線的特點是每個模塊中的RFID數據都會上傳到M計算機中并保存，每個夾具上的RFID數據可以清零再進行重復讀寫。

2 系統硬件設計

系統由6 個模塊組成，每個模塊上都安裝有RFID 讀寫器和限位開關，限位開關接收夾具到位信號并傳輸給PLC進行信號處理。PLC和RFID 讀寫器采用MODUBUSTCP協議進行通信，并經路由器與計算機連接。

采用西門子S7-1200PLC 系列的1215C∕DC∕DC∕DC 的PLC，該PLC 具有14 路DI、10 路DO、2 路AI、2 路A0，集成的以太網口支持MODUBUS TCP 通信，可作為MODUBUS TCP客戶端或服務器。

采用思谷SG-HR-I5 讀寫器，它是一款一體式的高頻RFID 讀寫設備，工作頻率為13.56 MHz，符合ISO—15693 標準，支持RS-485、RS-232、TCP（POE）通信。

圖2 智能輸送線硬件框圖

3 系統軟件設計

3.1 RFID 通信模塊

西門子PLC 與RFID 通信，可以采用MODBUS-RTU協議和MODBUS-TCP 協議兩種方式，這兩種方式的選擇取決于PLC與RFID讀寫器能夠支持的協議。文中選擇兩款硬件都支持的MODBUS-TCP協議。

MODBUS-TCP 通信協議采用的是主從通信模式，具有傳輸速率更快、處理MODBUS 能力更強的優點。MODBUS-TCP 通信的實現是通過客戶機與服務機之間基于MODBUS 請求、證實、指示、響應4 個類型報文進行通信[2]。

選取RFID 讀寫器為服務端，PLC 為客戶端。調用PLC 中兩個MODBUS TCP 客戶端（MB_CLIENT）指令，設置成塊后與RFID讀寫器通信并進行數據交換，一個用于讀取RFID 的信號，如圖3 所示的讀模塊，另一個用于把信息寫入RFID讀寫器中，如圖4所示的寫模塊。

RFID 讀模塊和RFID 寫模塊由于引用了相同的指令，模塊的引腳定義相同，參數設置時不盡相同，如下所示。

（1）引腳REQ 用于給RFID 讀寫器發送請求信號，用#RFID_R和#RFID_W分別控制讀和寫的請求。

（2）引腳DISCONNECT 用于創建與RFID 讀寫器的連接，用#RFID_CON 控制，當#RFID_CON=0 時為建立連接，#RFID_CON=1時為終止連接。

（3） 引 腳#IP_OCTET_1～#IP_OCTET_4 用 于 設 置RFID讀寫器的網絡地址。

（4）引腳MB_MODE 為0 時，模塊請求為讀模式；MB_MODE為1時，模塊請求寫模式。

（5）引腳MB_DATA_ADDR 為存儲要傳輸的數據的首地址，讀和寫模塊都為400001。

（6） 引 腳MB_DATA_LEN=8，表 示 數 據 存 儲 在400001～400008的地址中。

（7）引腳MB_DATA_PTR 為數據指針，指向存儲數據DB塊的首地址。

該智能輸送線系統采用了6 個RFID 讀寫器，每個讀寫器作為客戶端都執行讀和寫的操作，讀寫操作可以集成在一個塊中，如圖5 所示。#RFID 通信塊_1 是第1 個RFID 讀寫器的模塊，該模塊中，192.168.8.21 是讀寫器的網絡地址，#B1_RFID_R和#B1_RFID_W 分別控制讀和寫的操作，“通信數據.RFID 數據.B1_R”“通信數據.RFID 數據.B1_W”分別存儲了讀和寫的內容。#RFID 通信塊_2 是第2 個RFID 讀寫器的模塊，192.168.8.22 是讀寫器的網絡地址，其他引腳參數設置和第1個模塊一致。由于西門子PLC 程序的掃描順序是由上到下和由左到右的，所以在圖4 中，程序掃描從第1 個RFID 開始，再到第2個RFID結束。同理，可以做出余下4個RFID讀寫器的程序，文中不做體現。

圖5 RFID通信

3.2 PLC數據處理模塊

RFID 讀寫器完成讀寫功能后，由PLC 來進行數據處理。PLC 采用了SCL 語言進行編程，在編程時，主要使用IF...THEN∕FOR∕WHILE 語句來構造條件、循環和判斷結構，在這些結構中再添加指令，從而實現邏輯判斷等。SCL語言編程最大的優勢是便于數據管理和數學計算。

在加工模塊的數據處理程序示例如下：

IF"通信數據".主控數據.自動訂單完成=0 AND"通信數據".主控數據.RFID1讀完成=1 THEN

#RFID讀完成次數[1]:=#RFID讀完成次數[1]+1;

"通信 數 據".RFID 數 據.B1_W[3]:= 1; ∕∕加 工 未 完 成0，完成1

"通信數據".RFID 數據.B1_W[4]:=0; ∕∕加工檢測未完成0，合格1，不合格2

"通信 數 據".RFID 數 據.B1_W[5]:= 0; ∕∕組 裝 未完 成0，完成1

"通信 數 據".RFID 數 據.B1_W[6]:= 0; ∕∕鐳 雕 未 完 成0，完成1

"通信數據".RFID數據.B1_W[7]:=0;

∕∕鐳雕檢測未完成0，合格1，不合格2

"通信 數 據".RFID 數 據.B1_W[8]:= 0; ∕∕打 包未 完 成0，完成1

END_IF;

IF"通信數據".主控數據.RFID1寫完成=1 THEN

FOR#清除寫數據計數器:=1 TO 8 DO ∕∕寫完成清除寫數據

"通信數據".RFID數據.B1_W[#清除寫數據計數器]:=0;

END_FOR;

END_IF

在進行數據處理時需注意以下4 點，詳細的邏輯流程如圖6所示。

圖6 PLC數據處理流程

（1）每個工位的RFID讀寫器完成一次讀取后，讀寫器的通信數據次數加1，用來統計該工位完成零件的數量；每個工位完成所有動作后，RFID 讀寫器的通信數據清零，等待下一次的讀寫作用。

（2）在加工檢測模塊中，用“通信數據".RFID數據.B2_W[4]”地址來存儲檢測數據的結果，如果合格，則“通信數據".RFID 數據.B2_W[4]”=1，如果不合格，則“通信數據".RFID數據.B2_W[4]”=2。

（3）在鐳雕檢測模塊中，用“通信數據".RFID數據.B5_W[7]”地址來存儲檢測數據的結果，如果合格，則“通信數據".RFID 數據.B5_W[7]”=1，如果不合格，則“通信數據".RFID數據.B2_W[7]”=2。

（4）所有訂單完成后，讀操作的主控數據清零。

4 系統調試

系統調試包括通信調試、數據處理調試和系統聯調。在通信調試中主要是要給PLC 和6 個RFID 讀寫器進行IP 地址分配。它們的IP 地址段號要保持一致，系統為PLC 分配的地址為192.168.8.1，RFID 讀寫器的地址為192.168.8.21～192.168.8.26。

在數據處理調試中，需要在線實時監控全局數據塊中的數據變化，如圖7 所示。當第1 個RFID 讀寫器讀取了信號，則B1_R[1]的監視者變為1，否則為0，當第1個RFID 讀寫器寫入了信號，則B1_W[1]的監視者變為1，否則為0。使用同樣的方法，可以監視檢測過程中的良品和不良品，數值也將在監視值中顯示。

圖7 RFID 數據監控表

在系統聯調中，通過統計U 盤生產線的生產數據，可實時監控各個模塊的生產狀態。如圖8 所示，訂單數量是5個時，完成數量4個，完成率為80%，在數據看板上會顯示，綠色顯示已完成狀態，黃色顯示未完成狀態，從而了解到剩下的1 個產品已完成了前3 個工位的作業，正處在第4個工位即鐳雕模塊階段。

圖8 U盤生產過程監控界面

5 結束語

本文設計了智能輸送線系統，通過RFID技術對電子標簽進行讀取和寫入操作，采用MODBUS-TCP 通信協議，實現PLC對RFID讀寫器的信號進行數據處理，從而實現對生產過程中的質量檢測和數據統計。通過該系統，可以了解訂單完成的進度，也可以實時監控產品在每個模塊的完成情況。該系統可存儲6 個模塊的數據信息，存儲量大；可實現6 個模塊同時識別并進行數據處理和傳輸，工作效率高；可重復擦寫RFID讀寫器，使用壽命長。該輸送線模塊各自獨立，分別完成相應的工作，通過調整，也可以應用于其他產品的生產和管理中，為產品的智能自動化生產線的改造升級，為智能數字化生產工廠奠定良好的技術基礎。