基于物聯網的柔性生產線管控軟件設計

摘 要：針對離散制造業中單件小批量生產作業模式中信息追溯困難、缺少整體管控的問題，開展了基于物聯網的柔性生產線管控軟件設計研究，提出了基于物聯網的柔性生產線管控軟件架構，研究了管控軟件的工作機理，并以某數控機床自動化生產線為應用實例，對數控機床生產線的生產管控進行了詳細研究。結果表明：基于物聯網技術的生產線管控軟件可以準確記錄在制品工件的生產信息，且能準確傳給生產設備，自動從上位機系統接收生產計劃，并按照隊列完整、無誤地將工件唯一碼寫入無線射頻標簽，無線射頻標簽讀寫正確率高于99.9%。

關鍵詞：物聯網；數控機床生產線；柔性生產線管控軟件；RFID；柔性裝配生產線信息感知設備；MES系統

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-03

0 引 言

柔性裝配生產線由定制的自動化設備、工作臺、物料傳輸線組合而成，具有統一的信息控制系統、物料儲運系統，使系統能夠完成自主識別、自主控制、自主檢測，實現靈活自主生產[1-2]。物聯網技術將射頻識別（RFID）裝置、二維碼和智能傳感器等信息感知設備連接起來，通過非接觸式感知實現人、機、物之間的信息交互、追溯，以及工業智能化預測和決策[3-5]。通過RFID電子標簽、RFID讀寫器對物料、在制品、執行設備、工裝等多源數據進行實時采集，可有效提高生產效率、降低生產線停機率[6-7]。目前，RFID在離散制造過程中的應用的研究熱點主要集中為在制品自動識別管理、生產過程控制、智能對象的跟蹤定位與授權、倉儲可視化管理、供應鏈物流管理、產品溯源與回收管理以及MRO服務等方面[8-10]。而關于管控軟件集成RFID技術并應用在生產線上的研究鮮有報道，因此，本文開展了管控軟件在柔性生產線的應用研究，旨在探索基于物聯網的生產線智能化生產方式。

1 技術方案

圖1為基于物聯網的柔性生產線管控軟件架構。管控軟件可安裝在工控機上，通過生產線交換機與上位機系統、生產線控制PLC進行交互。同時，所有RFID無線射頻讀寫器也接入了生產線交換機，每個讀寫器的超高頻標簽讀寫距離控制在50 cm左右。根據生產線的流轉工藝，在每個讀寫器的讀寫范圍內最多只會存在一個RFID超高頻標簽，如果出現了兩個及以上的標簽，讀寫器將根據內部查詢條件，自動過濾距離較遠的標簽，將信號較強的標簽作為有效標簽進行記錄、寫入。管控軟件可以支持最多255個無線射頻讀寫器（RFID讀寫器）同時讀取與寫入，每個讀寫器的控制獨享一個線程。讀寫器根據現場信號強度等情況，決定是否需要另外加裝RFID天線。如果信號強度不足，或者標簽感應距離過遠，可添加天線，以增強信號強度。

生產線管控軟件啟動后，首先查詢當前軟件內配置的無線射頻讀寫器的IP地址、端口、頻率、標記符等基礎信息。然后，按照配置信息與所有RFID建立連接，初始化RFID配置，并將讀寫器的配置寫入生產線管控軟件，有效防止讀寫器配置丟失的情況出現，保障生產線自動運行，降低生產停機率。生產線管控軟件根據上位機系統下發的生產任務信息，基于設定的生產排程原則，生成車間生產調度方案，并將調度方案基于生產線控制PLC發送至各生產線工作站中，完成生產物料的調度。生產線管控軟件定期檢測RFID心跳正常與否，同時監測PLC過各工站站點的信號是否觸發，當判斷工件在生產線上到達各個加工設備處時，執行RFID標簽信息的讀寫操作，監控PLC信號、檢測工件/托盤到位信號，執行標簽寫入、標簽讀取、記錄過點等操作，并將過點數據反饋給上位機系統，完成對各生產線工件加工全程的監控和控制。

2 管控軟件工作機理

本研究中基于物聯網的柔性生產線管控軟件應用在數控機床自動化生產線上，管控軟件可通過串口RS 232/RS 485或以太網口RJ 45連接無線射頻讀寫器，讀寫器實現RFID標簽的讀取、寫入、查詢、掃描等操作，根據應用場景接收讀寫器發出的射頻信號，并識別工作頻率為低頻LF的射頻標簽、高頻HF段射頻標簽、超高頻UHF段射頻標簽和微波MW段射頻標簽。發送存儲在芯片中的產品信息，讀寫器讀取并解碼后進行處理。根據現場情況以及標簽的工作效率，可選擇添加天線，以提升標簽讀取成功率。讀寫器協議是應用系統和RFID讀寫器之間的協議接口，協議定義了相同的特征，并提供了標準的處理方法，實現了對讀寫器的控制和訪問，實現了統一管理。管控系統命令數據塊與讀寫器響應數據塊報文頭定義分別見表1和表2所列。

3 管控軟件實現

管控軟件界面主要包括上位機系統、PLC狀態配置界面和RFID控制器監控界面等，如圖2所示。上位機系統配置與狀態界面包括與上位機系統交互的方式，從上位機系統請求創建任務單，以及從上位機系統同步當前待上線任務單的所有信息，包括任務單編碼、生產計劃編碼、工件/托盤唯一標識碼、創建任務單時間等。管控軟件對所有RFID讀寫器進行自動查詢，檢測RFID標簽的時間間隔、訪問口令、EPC的數據前綴字符串等。在創建RFID并初始化配置時，自動根據這些設置配置讀寫器參數。可以設置過點觸發模式，根據讀寫器啟動讀寫的觸發條件不同，設置掃描觸發過點和自動觸發模式。

（1）掃描觸發過點模式：掃描器自動按照時間間隔啟動掃描標簽，當檢測到標簽時，自動觸發過點；

（2）自動觸發模式：監聽PLC信號，當過點信號觸發時，啟動RFID讀寫器讀取標簽，這種模式對于延長讀寫器壽命效果顯著。

PLC配置與狀態界面包括與PLC的連接/斷開等操作按鈕，異步讀取/寫入設定變量的操作按鈕，以及實時顯示的當前監控的PLC信號值。其中，連接/斷開OPC按鈕的作用是當系統啟動時，默認連接OPC，當連接出現中斷或者數據不穩定的情況時，可以點擊連接OPC進行連接/斷開/重試等操作。讀取、同步寫入、異步寫入按鈕的作用是當需要手動進行PLC變量讀取時，首先將PLC變量寫入按鈕下方的輸入框，然后點擊對應的按鈕，即可執行PLC變量的讀取操作。如果需要寫入變量，則在第二個輸入框填寫變量值，執行同步/異步寫入操作，變量值將通過不同的方式寫入PLC變量。置位保持按鈕的作用是為軟件提供對PLC布爾型變量的置位操作，并保持10 s。在下方第一個輸入框填寫PLC變量地址，點擊置位保持，自動將該布爾值置位1，10 s之后變量值再置位0，即可達到置位保持的目的。每一個RFID都擁有固定的IP地址以及讀寫器端設置的端口和校驗地址，與RFID讀寫器連接，將配置寫入對應輸入框，軟件自動保存，軟件下次啟動時系統自動將配置寫入RFID中。

RFID控制器監控界面包括與RFID的連接/斷開等操作按鈕，開啟掃描模式，清空所有內容以及該讀寫點最近讀取的10個工件碼。標簽顯示框分為4列，顯示最近讀取的標簽碼（由先到后的順序），讀取的數據為從上位機讀取的任務單號等，將其寫入標簽。手動進行RFID標簽讀取測試，點擊掃描模式開啟按鈕，讀寫器開啟標簽掃描模式，自動讀取感應范圍內的標簽。建立/斷開連接按鈕為進行與RFID讀寫器的連接而采取建立與斷開操作。軟件默認情況下，啟動后自動與各讀寫器建立連接，只有在連接出現問題或者進行功能調試/測試時，需要手動點擊該按鈕。

4 結 語

針對離散制造業中單件小批量的生產作業模式，開展了基于物聯網的柔性生產線管控軟件設計研究，對柔性生產線管控軟件的總體架構、工作機理進行了詳細研究，并將其應用在某數控機床生產線上。結果表明，生產線管控軟件可以準確記錄在制品工件的生產信息，且能準確自動傳給生產設備，還能自動從上位機系統接收生產計劃，并按照隊列完整、無誤地將工件唯一碼寫入無線射頻標簽，無線射頻標簽讀寫正確率高于99.9%。該管控軟件能很好地滿足柔性生產線的使用需求，可實現多種產品型號的混線生產、信息有效追溯，為生產線智能化應用提供有力支撐。

注：本文通訊作者為陳建勛。

參考文獻

[1]陳榜，田愷，肖熙，等.柔性生產線設備選型與設計要點[J].中國設備工程，2022（22）：81-83.

[2] LUO D，GUAN Z，HE C，et al. Data-driven cloud simulation architecture for automated flexible production lines：application in real smart factories [J]. International journal of production research，2022，60（12）：3751-3773.

[3]郭磊，張紅旗，吳錢昊，等.基于物聯網的電子裝備組裝線信息化管控設計與實現[J].制造技術與機床，2023（4）：36-43.

[4]王成鑫.基于RFID的無源感知技術在生產線動作優化中應用研究[J].科技創新與應用，2022，12（12）：1-10.

[5]郭斌，劉思聰，劉琰，等.智能物聯網：概念、體系架構與關鍵技術[J].計算機學報，2023，46（11）：2259-2278.

[6]師寧，劉輝，陳容紅.基于RFID的MES在智能工廠中的應用[J].機電產品開發與創新，2021，34（3）：134-137.

[7]李丙林，雷強，李派，等.基于RFID技術的動態數據采集系統設計[J].自動化儀表，2022，43（7）：17-20.

[8]張徐之，李康，王芳，等. RFID系統的標簽天線設計與應用綜述[J].電子元件與材料，2022，41（1）：1-8.

[9]劉豪杰，賈劍鋒.基于RFID的智能貨柜系統[J].物聯網技術，2023，13（7）：127-130.

[10]陳爍維，徐煒琳，王文娟. RFID射頻技術在冷鏈物流倉儲中的應用[J].內蒙古科技與經濟，2023（12）：101-103.