RFID 技術在智能產線中的應用

張孝芳

（西安職業技術學院，西安 710077）

在智能制造過程中，將信息追溯系統用于產品質量保證、加工過程全方位控制等應用場景，是當前智能化加工領域的研究熱點之一。在信息追溯過程中常見的主要有人工統計、條形碼識別、二維碼識別、機器視覺識別和RFID 等技術，其特征見表1[1]，他們各有優缺點。RFID 技術利用閱讀器與電子標簽可以進行非接觸式的信息提取與修改，不需要照明光源，對工件形狀也沒有特殊要求，而且在生產制造環境差的情況下，也同樣能完成識別任務，因此在自動化生產線領域得到廣泛應用，RFID 電子標簽可以準確地記錄加工工藝、加工時間、質量檢測等結果，可完全實現產品加工信息的可追溯性，還可避免人工操作造成的失誤。本文集成RFID 技術與PLC 控制技術。PLC 作為一種高可靠性的控制裝置，與RFID 進行數據通信，不僅可以實現對每一個生產過程的控制與管理，而且提高了柔性化的生產水平。

表1 不同識別技術特點

1 RFID 技術

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的無線通信自動識別技術，利用無線電信號來識別特定的目標并讀寫相關數據，識別工作無須人工干預，具有數據存儲量大、可讀寫、非接觸、識別距離遠、識別速度快、保密性好、穿透性強、壽命長、環境適應性好及能同時識別多標簽等優點，可工作于各種惡劣環境。RFID 系統一般由標簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線（Antenna）組成[2]，如圖1 所示。

圖1 RFID 系統基本組成框圖

電子標簽芯片有2 個數據區域，分別是UID 區和用戶數據寄存區，UID 數據區RFID 標簽的出廠ID 存放區，數據為只讀，無法修改，用戶數據寄存區則供用戶存儲數據、可進行讀寫、修改等操作。天線是發射并接收電磁波信號的設備，即能夠與電子標簽實現無線通信，當標簽進入閱讀器后，通過天線發送一定頻率的信號，電子標簽在接收到信號后，將內部存儲的數據信息通過電磁波信號發射出去，天線將接收的電磁波傳給閱讀器，閱讀器識別該電子標簽發回的信息，最終將識別結果發送中央信息系統進行有關數據處理，這樣便達到識別的目的。在制能產線中選用PLC 作為數據處理單元，RFID 可以讀出標簽信息，通過PLC 比對標簽信息，將工件按照讀出的工序進行加工，待加工完畢后，系統可以通過RFID 將后續加工信息傳輸給工件，以待進行下一步工序。

2 硬件選型及方案設計

本次設備升級中，PLC 仍用原有型號為西門子s7-1200 CPU1212C DC/DC/DC 的設備，其性能穩定，成本適中，其集成一個以太網端口可通過交換機和RFID 實現ModBus TCP 通信，無需擴展其他任意功能模塊，能夠滿足現有小型智能產線升級控制需求。

RFID 的分類及特點見表2，按照能量供應方式分為有源RFID 和無源RFID 兩種，低頻RFID 是無源的，即電子標簽沒有自帶電源，不能主動發射電磁波，只有電子標簽靠近閱讀器由天線向其發射電信號，電子標簽利用收到的感應電流將自己的信息發送到閱讀器，屬于被動通信，一般用于停車場的自動收費系統及小區門禁系統。中高頻、超高頻及微波RFID 的電子標簽屬于有源RFID 即自帶電源提供能量，可以主動向閱讀器發送射頻信號，并且自帶電源可以讓信號傳播的更遠，穿透力更強，價格相對也越高。

表2 RFID 分類及特點

結合表2 RFID 分類及特點以及現有的智能產線結構緊湊，無法安裝形狀尺寸較大的RFID 設備，綜合考慮選用廣州晨控CK-FR08 系列方形讀寫器，其工作頻率為13.56 MHz，是一款集天線、放大器、控制器于一體的3 合1 型高頻讀寫頭如圖2 所示，RFID 閱讀器緊固在薄型金屬板然后通過金屬支桿將其固定在傳送帶正上方，上下距離可調，結構緊湊，占用空間小，此外RFID 電子標簽是直徑約為15 mm 的圓形薄片，可以膠粘在零件表面，無需改變原有零件的形狀尺寸，操作方便。同時此設備支持標準工業通信協議ModBus TCP，閱讀器內部集成了射頻部分通信協議，只需通過以太網接口將RFID 與PLC 控制系統連接一起，由于讀卡器內部分數據輸入區和數據輸出區，通過編寫PLC 程序向讀卡器輸入區寫入相關的數據和操作指令，讀卡器執行讀寫器指令后，把執行指令的結果存儲到讀卡器的輸出區[3]。這里需要修改RFID、PLC 及編程計算機的IP 地址以確保三者在同一局域網網段下。由于該設備是基于以太網的高頻讀卡器，用POE（以太網供電46~54 V）供電，在選擇路由器時可選用帶POE 功能的交換機，這樣可以簡化布線和降低成本[4]。通信及網絡設計如圖3 所示。

圖2 RFID 高頻讀寫頭安裝效果

圖3 通信網絡連接

3 功能實現

3.1 設置RFID 參數

RFID 通過以太網口聯入電腦，打開RFID 軟件configNetReader 設置RFID 的IP 地址192.168.0.178子網掩碼255.255.255.0 端口號為默認值502，確保RFID、PLC、計算機在同一網段下，這也是RFID 與PLC能夠正常通信的前提，設置界面如圖4 所示。

圖4 RFID 參數設置

3.2 PLC 編程

PLC 組態及參數設置，打開西門子TIA Portal 博途軟件，創建新項目組態西門子S7-1200 CPU1212C DC/DC/DC 控制器，在屬性設置中更改PLC 的IP 地址：192.168.0.200，啟用系統和時鐘存儲器，要打開防護安全中的連接機制選擇允許遠程對象的PUTGET 訪問，否則PLC 與RFID 無法正常通信。

新建數據塊，這里需要新建數據塊來存放操作數據和連接參數，新建數據塊名稱命名為RFID 數據同時在數據塊屬性中取消優化的塊訪問。打開RFID 數據塊，新建讀取數據，數據類型為數組Array[0…9] of Char，用于存放讀取數據的數組，再新建名稱寫入數據，數據類型為數組Array[0…9] of Char，用于存放寫入數據的數組，再新建啟動讀、啟動寫，數據類型為BOOL，作讀寫觸發條件。新建連接參數，數據類型為TCON_IP_V4，并設置相關參數。Interface_id 本地接口的硬件標識符即PLC 的硬件標識，通過查看PLC 屬性系統常數下PROFINET 接口1 的硬件標識為64；ID 引用該連接值得范圍為1~4 095 任意值，且每次引用值不能重復；connection-type 連接類型，由于本次通信選擇RFID 為遠程服務器，PLC 為客戶端主動訪問RFID，選擇連接類型為1 即主動訪問。Remote Address 為RFID的IP 地址；Remote Port 為RFID 的端口號502，具體設置如圖5所示。

圖5 新建操作數據和連接參數

添加讀取/寫入功能塊，指令選擇通信模塊中其他模塊ModBus TCP 下的MB_CLIENT ，由于讀取功能塊和寫入功能塊都是MB_CLIENT 所以在創建時選擇多重實例，參數DISCONNECT（取消連接）的值為“0”，且在REQ=1 時執行新作業，否則不會動作；參數MB_MODE=0：讀取，MB_MODE=1 或2：寫入；MB_DATA_ADDR 是用于讀寫的遠程地址的地址信息，由于采用的是ModBus 通信協議的概念上，主站可以通過訪問保持寄存器（地址40001-49999）對RFID 進行控制，RFID 標簽數據地址addr=0x000E 至addr=0x4100 為用戶數據寄存器，用戶可對這些寄存器進行讀寫操作，起始地址000E 轉化為十進制為14，所以讀寫的遠程地址的起始地址為40001+14=40015；MB_DATA_LEN 包含要讀/寫的值的數量單位為Byte，ModBus 保持寄存器40001 是用于存儲16 位的二進制數，存放讀/寫數據的數組Array[0…9] of Char 共10 個Char（1 Char=2 Byte=16 bit），所以讀/寫數據長度為5；MB_DATA_PTR是一個指針，指向ModBus 服務器發送/接收數據的緩沖區，具體讀寫數據的程序功能塊如圖6 所示。

圖6 讀數據和寫數據程序

3.3 創建HMI 界面

通過TIA Portal 組態HMI 介面進行人機交互，可直接在觸摸屏上完成RFID 電子標簽數據寫入、讀取等操作。如圖7 所示，通過觸摸屏手動寫入“A1B2C3D4”，然后手動讀出“A1B2C3D4”，而TIA Portal 軟件數據監控界面的寫入數據數組和讀取數據數組顯示同樣的數據。如在智能產線生產過程中遇到返工操作、設備報警等特殊工況，需進行人工操作即通過“手動讀”“手動寫”等功能實時調整設備，極大地縮小了智能產線調試時間，且能直觀描述系統狀態，更直接地控制系統操作[5]。

圖7 HMI 界面和數據監控

4 結束語

在智能生產模式不斷提高的背景下，構建PLC 與RFID 集成的工控系統，整個系統中，PLC 作為主站與RFID 閱讀器從站進行ModBus TCP 通信從而實現對RFID 標簽讀和寫操作，其中RFID 電子標簽黏附在工件表面，充分利用其無接觸、無光源、可重復讀寫性、耐腐蝕和抗高溫等特點，完成物料工件在智能制造領域對工件生產、檢測等流程監控與反饋的目的。該系統對提高生產自動化水平具有一定的借鑒意義與實用價值。在后續的升級改造中，能與視覺、二維碼等技術相結合，從而使其發揮更大的作用。且隨著移動計算技術的不斷提高和普及，射頻識別RFID 設計與制造的發展趨勢是將向多功能、多接口，并向模塊化、小型化、便攜式、嵌入式方向發展[1]。很多智能系統需要能夠自動識別并判斷信息是否正確，著力實現信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行、信息的識別與處理，詮釋智能制造的新方向。