基于RFID和CSV的自動化工藝流程管理設計

摘要：隨著市場對產品質量可追溯性要求的不斷提升，工藝流程管理的重要性亦隨之顯著增強。采納了射頻識別（RFID）技術，以實現工藝流程的實時記錄，從而取代了傳統的工藝流程卡片。鑒于CSV文件格式具備存儲數字和文本等表格數據的能力，該格式被選定為替代原有的工藝流程卡存儲方式，用于記錄產品的生產過程。經過多次實驗驗證，該設計方案已被證明具有卓越的可靠性和穩定性，并顯示出巨大的推廣潛力。

關鍵詞：射頻識別（RFID）技術；CSV文件格式；工藝流程管理

一、前言

在競爭激烈的市場中，產品品質是企業生存的關鍵。消費者對產品細節和性能的要求越來越高，強調了工藝管理流程的重要性。高效的工藝管理流程能確保產品的一致性和可靠性，提高生產效率，降低成本，為企業帶來市場優勢。傳統手工記錄工藝流程卡的方式效率低，數據不準確，難以實時監控。為解決這些問題，研究人員嘗試利用華航唯實的工業機器人工作站CHL-DS-03設計自動化工藝流程管理。

二、技術領域概述

（一）RFID技術概述

RFID技術是一種無線通信技術，通過電磁場或射頻波識別和追蹤帶有特殊標簽的物體。它由標簽、讀取器和數據處理系統三個基本部分組成。標簽存儲識別對象的信息，讀取器激活標簽發射信號，數據處理系統分析這些信息。RFID標簽分為主動式和被動式兩種，主動式標簽內置電源，適用于遠距離識別；被動式標簽無需電源，成本低，適用于近距離識別[1]。

（二）CSV文件格式概述

CSV（Comma-Separated Values，逗號分隔值）文件因其簡單、兼容性強和易于處理的特性，成為數據交換和存儲的首選格式。CSV文件格式的靈活性允許系統設計者根據工藝流程管理的具體需求，自定義數據字段和結構。將數據以CSV格式存儲，可以方便地利用各種數據分析工具進行實時監控和歷史數據分析。將CSV文件格式用于制造業中，在軸加工車間，該類型車間有著大量的車床、銑床，通過將加工的機床號和加工工藝信息記錄成CSV文件格式，可以發現生產流程中的瓶頸和不足之處，進而采取措施進行優化，預測和識別可能導致機床故障或停機的因素，從而提前進行維護或調整，降低生產成本，提高市場競爭力[2]。

三、系統設計

（一）系統架構設計

為確保數據的采集、處理、存儲及分析過程能夠獨立進行，同時實現與系統的無縫整合，采用了分層架構設計。該架構涵蓋RFID數據采集層、CSV數據存儲與處理層，以及自動化工藝流程管理層，各層均承擔著特定的職能，彼此間存在依賴關系，共同確保整個系統的高效運作[3]。

1.RFID數據采集層

通過應用RFID技術，本設計實現了將RFID芯片集成于產品托盤的底部。在生產加工流程中，產品的關鍵信息，包括產品編號、所經歷的加工設備以及每個設備對產品的具體加工工藝等，均被實時記錄并存儲于RFID芯片內。

2.CSV數據存儲與處理層

通過網絡將RFID芯片采集的數據傳輸至工業機器人。工業機器人隨即負責將這些數據生成CSV文件格式，并對該文件進行數據處理，包括數據清洗和格式轉換等步驟，用于后續的數據分析和管理。

3.自動化工藝流程管理層

根據CSV文件中的數據，創建了柱狀圖、餅圖、折線圖等多種圖表，以實現數據的可視化，從而更高效地進行工藝流程管理。

（二）硬件連接

本設計以可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）作為核心，通過網絡線纜實現工業機器人、RFID讀寫器及其他設備的互聯互通，如圖1所示。以華航唯實的工業機器人工作站CHL-DS-03為例，該工作站集成了工業相機、協作機器人和RFID讀寫器，如圖2所示。在生產流程中，PLC承擔著收集整個生產過程數據的任務，并實時地將這些數據傳輸給工業機器人。最終，通過文件傳輸協議（FTP）讀取存儲在工業機器人中的CSV格式文件。

四、可編程控制器與RFID讀寫器的通信程序設計

（一）通信協議介紹

本設計以工業機器人工作站CHL-DS-03平臺上的可編程邏輯控制器（PLC）為例進行闡述。該平臺配備的PLC型號為s7-200 SMART，它通過Modbus-TCP通信協議與RFID讀寫器進行數據交換。相較于傳統的串行通信方式，Modbus-TCP將標準的Modbus報文嵌入TCP報文中，省略了數據校驗和地址信息。此外，它采用服務器與客戶端的通信架構，客戶端負責對服務器數據執行讀取或寫入操作，而服務器則對客戶端的請求作出響應[2]。

（二）S7-200 PLC程序設計

1.PLC與RFID讀寫器的Modbus-TCP程序設計

在STEP 7-MicroWIN SMART軟件環境下，創建一個名為RFID讀寫的程序塊，并進入該程序塊進行編程工作。設計采用PLC內置的MBUS_CLIENT功能塊，以PLC作為Modbus通信的客戶端，而RFID讀寫器則作為服務器端。RFID讀寫器的IP地址設定為192.168.0.178，其端口號為4001。Modbus通信的起始地址設置為40009，用于通過V存儲器讀取數據。本程序中Modbus數據長度設定為10個字。讀取地址RW=0對應于VB4200，而寫入地址RW=1對應于VB3200[4]。

2.PLC端TCP程序設計

在STEP 7-MicroWIN SMART軟件環境下，創建一個名為TCP讀寫的程序塊，并進入該程序塊進行編程工作。工業機器人與可編程邏輯控制器（PLC）之間的通信是通過TCP/IP協議實現的。因此，設計采用PLC內置的TCP_CONNECT指令塊來建立與工業機器人之間的連接。TCP_SEND指令塊與TCP_RECV指令塊分別負責向機器人發送數據和接收來自機器人的數據。通過TCP_CONNECT指令塊的配置，實現了PLC與工業機器人之間的TCP通信，工業機器人的IP地址設定為192.168.0.5，PLC的端口號設定為2000。同時，通過TCP_RECV指令塊和TCP_SEND指令塊的設置，確定了數據接收區域為VB61至VB110，數據發送區域為VB1至VB50。

五、ABB工業機器人的程序設計

（一）ABB工業機器人IP地址設置

在工業機器人工作站CHL-DS-03中，ABB工業機器人的系統選項包括616-1 PC Interface功能，該功能支持TCP/IP通信協議。為了實現這一通信，必須配置ABB工業機器人的IP地址。操作步驟如下：啟動Robotstudio軟件，依次點擊控制器→配置→Communication，然后選中IP Setting右鍵新建IP setting，設置IP地址為192.168.0.5，Subnet為255.255.255.0，Interface網口選擇為LAN3，Label命名為PLC點擊確定。

（二）ABB工業機器人端TCP程序設計

在開發TCP數據接收程序的過程中，鑒于PLC通過指令塊發送數據時所涉及的地址范圍為VB1至VB50，共計五十字節的數據容量，本程序在工業機器人系統中定義了一個全局變量PERS byte plcData。PERS修飾符確保了數據以靜態形式存儲，從而避免了因系統故障等意外情況導致的數據丟失。由于程序中SocketReceive指令僅能處理VAR類型的數據，因此本程序創建了一個臨時變量VAR byte data1暫存接收到的數據。隨后，通過執行語句plcData：=data1，將暫存的數據轉移至plcData變量中。特別指出，在聲明套接字VAR socketdev socket1后，所有對套接字的操作，包括關閉套接字socketclose socket1、創建套接字socketcreate socket1、連接套接字socketconnect socket1，\"192.168.0.1\"，2000以及使用套接字接收數據SocketReceive socket1＼data：=data1，直至最終關閉套接字，均需在操作間設置適當的延時。此外，連接套接字的語句socketconnect socket1，\"192.168.0.1\"，2000確保了與PLC的IP地址及TCP_CONNECT指令塊所指定的端口地址2000的正確連接。

在開發TCP數據傳輸程序的過程中，套接字的聲明、創建、連接以及關閉操作在發送和接收程序中是完全一致的。針對發送程序的設計，關鍵在于確定向PLC接收指令塊中特定數據地址發送哪些數據，以及為這些地址指定的數據應賦予何種值。因此，發送程序需要兩個參數：PROC socketWrite（num param， num data）。param參數用于指明PLC接收指令塊中特定的數據地址，而data參數則用于定義對應地址的數據應寫入的值。

（三）ABB工業機器人端RFID寫入程序設計

在開發RFID寫入程序的過程中，必須精確對應PLC的MBUS_CLIENT指令塊參數，因此，程序設計中需引入三個關鍵參數：param和data參數分別指明數據應存儲于TCP協議下的具體地址，并確定該地址應寫入的數值；rfid_name參數則用于指定RFID芯片中特定的存儲區域。在程序代碼中，通過執行socketWrite PLC_Write，1和socketWrite PLC_Write，0兩條語句，激活MBUS_CLIENT指令塊，實現將數據精確寫入RFID芯片的指定存儲區。

（四）ABB工業機器人端CSV文件生成

CSV文件是一種廣泛應用于存儲表格數據的文本格式，其特點在于使用逗號作為字段分隔符，每行數據代表一條獨立的記錄。在開發相關程序時，需特別關注兩個關鍵要素。首先，文件擴展名格式應當規范，文件應采用.CSV擴展名，如不采用該擴展名，文件無法被WPS打開。其次，分隔符的使用應當規范，數據項之間必須以英文逗號作為分隔符。因此，在程序中，文件名被命名為Tracing_Documents.csv。此外，為確保數據項間正確插入英文逗號，采用了如下語句：strtemp ：= world_data{n，1} + \"，\" + world_data{n，2} + \"，\" + world_data{n，3} + \"，\" + world_data{n，4} + \"，\" + world_data{n，5} + \"，\" + world_data{n，6} + \"，\" + world_data{n，7}。該語句確保了每個字符數據項之間均正確地加入了英文逗號。

六、平臺驗證

（一）驗證過程

1.RFID芯片安裝

RFID芯片被嵌入托盤背面，以記錄整個工藝流程。

2.軸加工車間機床模擬

通過運用這個平臺上的四個滑臺，可以有效地模擬出真實生產環境中的機床操作過程。以標準軸類零件的加工過程為例，一般情況下，會采用先進行車削操作，隨后進行銑削的工藝流程。在這個模擬實驗中，1號和2號滑臺模擬車床，3號和4號滑臺則扮演了銑床的角色，從而提供了一個直觀且實用的實踐平臺。

3.加工信息存儲

ABB工業機器人在將托盤送入相應的機床進行加工之前，會先通過RFID讀寫器將對應的車床或銑床編號，加工工藝信息被寫入RFID芯片。

4.查看CSV文件

通過應用文件傳輸協議（FTP），計算機能夠訪問機器人系統并下載CSV格式文件。利用WPS軟件打開該文件后，研究者能夠以表格形式直觀地分析產品的整體加工流程、指定加工車床的編號、車床加工細節、車床加工的起始時間、指定加工銑床的編號、銑床加工細節，以及銑床加工的起始時間。

（二）設計評估

在完成了基于華航唯實的工業機器人工作站CHL-DS-03平臺的驗證設計之后，本研究團隊對這一設計進行了深入而全面的評估工作。評估的目的是為了確保設計的有效性和實用性。經過一系列的測試和分析，沒有發現任何重大的設計缺陷。在記錄具體加工設備的操作過程以及加工工藝的詳細步驟方面，本設計實現了實時記錄，確保了數據的即時性和準確性，準確率達到了令人滿意的100%。基于這些評估結果，本方案能夠有效地解決傳統工藝流程管理中存在的諸多問題，如效率低下、數據準確性差以及實時監控困難等。除此之外，本方案還顯示出巨大的推廣潛力，它不僅能夠優化生產流程，減少不必要的停機時間，還能夠顯著提升整體的生產效率。

（三）未來展望

RFID技術和CSV數據管理的進步將推動基于這兩者的自動化工藝流程管理系統在未來的應用，并面臨新的挑戰和機遇。未來研究應著重提升系統智能化，集成機器學習優化數據處理，實現預測性維護和實時調整。物聯網技術的發展將促進RFID與物聯網的融合，擴大系統應用范圍，實現資源優化配置。案例研究將提供系統優化的實證支持，分析不同行業案例，提煉設計原則和策略。在安全和隱私方面，研究應關注數據加密技術創新和隱私法規適應性調整，確保商業秘密和隱私權益得到保護。

七、結語

本方案介紹了一種結合RFID技術和CSV格式的自動化工藝流程管理設計，利用華航唯實工業機器人CHL-DS-03，實現了設備間的網絡通信和程序編寫。方案通過網絡交換數據，使用PLC記錄生產信息至RFID芯片，并傳輸至ABB機器人。ABB機器人將數據存儲為CSV格式的表格文件。實際應用驗證了該設計在實時數據記錄方面的有效性，為自動化工藝流程管理提供參考。

參考文獻

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[4]蔡生宏，何強龍，周學良，等.ABB工業機器人通過S7-1200 PLC與RFID的數據收發程序設計[J].工業控制計算機，2024，37（05）：31-33.

作者單位：上海市工業技術學校

責任編輯：張津平 尚丹