謝東江，劉奭奭，李劼科

（惠州工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東惠州 516023）

0 引言

傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)車間布局是由一條長距離的生產(chǎn)線，以及排布在生產(chǎn)線上的工位組成，由于可以自由增減工位數(shù)量，這種布局在產(chǎn)品大規(guī)模、大批量生產(chǎn)中優(yōu)勢明顯。但它的缺點也很明顯：整條生產(chǎn)線的節(jié)拍已固定，不能任意變更；生產(chǎn)線的夾治具和重要設(shè)備位置固定，不方便轉(zhuǎn)移。隨著人們需求的多樣化和個性化，工廠產(chǎn)品的訂單也轉(zhuǎn)變?yōu)榕啃?、品種多、交付時間短的新特點。在這種情況下，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線已不能滿足要求。并且傳統(tǒng)生產(chǎn)線管理方式采用人工采集信息和手工輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息滯后，準(zhǔn)確率低。智能生產(chǎn)線把傳統(tǒng)生產(chǎn)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(shù)據(jù)采集傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。該模塊的特點：可以完成工位的工作內(nèi)容；工位的傳送速度通過電機(jī)調(diào)整；工位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以在線實時監(jiān)控；可以任意移動位置組成新的生產(chǎn)線。智能生產(chǎn)線往往集成了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、PLC 控制技術(shù)、RFID技術(shù)等。

RFID（Radio Frequency Identification） 技術(shù)是自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻的方式實現(xiàn)非接觸式的數(shù)據(jù)通信，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)[1]。RFID 技術(shù)通過非接觸式采集數(shù)據(jù)，快速批量讀取RFID 標(biāo)簽信息，采集產(chǎn)品的地址、生產(chǎn)日期、序列號等信息，可使生產(chǎn)制造更加自動化、智能化，可使生產(chǎn)管理實現(xiàn)柔性化、可視化、信息化。本文以U 盤生產(chǎn)為例，利用RFID技術(shù)研究并設(shè)計了智能輸送線系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)U 盤生產(chǎn)數(shù)量統(tǒng)計、質(zhì)量監(jiān)控、生產(chǎn)過程實時看板的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

U 盤生產(chǎn)線包括坯料倉儲單元、成品倉儲單元、主控系統(tǒng)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(tǒng)框圖

每個模塊組成產(chǎn)線的一個獨立工位，工位上都有執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)置了視覺系統(tǒng)，對相應(yīng)的零件進(jìn)行外觀和尺寸的檢測。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手、傳感器組成，以完成工位對應(yīng)的工作內(nèi)容。上下料裝置由電機(jī)、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(nèi)容。在各工位上都安裝有一套RFID讀寫器和限位開關(guān)。在坯料倉的零件，由機(jī)械手抓取放入到帶有電子標(biāo)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(biāo)簽信息進(jìn)行讀取，經(jīng)PLC 數(shù)據(jù)處理后傳送給機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動作，并把相關(guān)的輸入寫入RFID 標(biāo)簽中。輸送線的特點是每個模塊中的RFID數(shù)據(jù)都會上傳到M計算機(jī)中并保存，每個夾具上的RFID數(shù)據(jù)可以清零再進(jìn)行重復(fù)讀寫。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)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(guān)，限位開關(guān)接收夾具到位信號并傳輸給PLC進(jìn)行信號處理。PLC和RFID 讀寫器采用MODUBUSTCP協(xié)議進(jìn)行通信，并經(jīng)路由器與計算機(jī)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(wǎng)口支持MODUBUS TCP 通信，可作為MODUBUS TCP客戶端或服務(wù)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(shè)備，工作頻率為13.56 MHz，符合ISO—15693 標(biāo)準(zhǔn)，支持RS-485、RS-232、TCP（POE）通信。

圖2 智能輸送線硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 RFID 通信模塊

西門子PLC 與RFID 通信，可以采用MODBUS-RTU協(xié)議和MODBUS-TCP 協(xié)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(xié)議。文中選擇兩款硬件都支持的MODBUS-TCP協(xié)議。

MODBUS-TCP 通信協(xié)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(yōu)點。MODBUS-TCP 通信的實現(xiàn)是通過客戶機(jī)與服務(wù)機(jī)之間基于MODBUS 請求、證實、指示、響應(yīng)4 個類型報文進(jìn)行通信[2]。

選取RFID 讀寫器為服務(wù)端，PLC 為客戶端。調(diào)用PLC 中兩個MODBUS TCP 客戶端（MB_CLIENT）指令，設(shè)置成塊后與RFID讀寫器通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)設(shè)置時不盡相同，如下所示。

（1）引腳REQ 用于給RFID 讀寫器發(fā)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(chuàng)建與RFID 讀寫器的連接，用#RFID_CON 控制，當(dāng)#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(shè) 置RFID讀寫器的網(wǎng)絡(luò)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?shù)臄?shù)據(jù)的首地址，讀和寫模塊都為400001。

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

（7）引腳MB_DATA_PTR 為數(shù)據(jù)指針，指向存儲數(shù)據(jù)DB塊的首地址。

該智能輸送線系統(tǒng)采用了6 個RFID 讀寫器，每個讀寫器作為客戶端都執(zhí)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(wǎng)絡(luò)地址，#B1_RFID_R和#B1_RFID_W 分別控制讀和寫的操作，“通信數(shù)據(jù).RFID 數(shù)據(jù).B1_R”“通信數(shù)據(jù).RFID 數(shù)據(jù).B1_W”分別存儲了讀和寫的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)地址，其他引腳參數(shù)設(shè)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(jié)束。同理，可以做出余下4個RFID讀寫器的程序，文中不做體現(xiàn)。

圖5 RFID通信

3.2 PLC數(shù)據(jù)處理模塊

RFID 讀寫器完成讀寫功能后，由PLC 來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PLC 采用了SCL 語言進(jìn)行編程，在編程時，主要使用IF...THEN∕FOR∕WHILE 語句來構(gòu)造條件、循環(huán)和判斷結(jié)構(gòu)，在這些結(jié)構(gòu)中再添加指令，從而實現(xiàn)邏輯判斷等。SCL語言編程最大的優(yōu)勢是便于數(shù)據(jù)管理和數(shù)學(xué)計算。

在加工模塊的數(shù)據(jù)處理程序示例如下：

IF"通信數(shù)據(jù)".主控數(shù)據(jù).自動訂單完成=0 AND"通信數(shù)據(jù)".主控數(shù)據(jù).RFID1讀完成=1 THEN

#RFID讀完成次數(shù)[1]:=#RFID讀完成次數(shù)[1]+1;

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

"通信數(shù)據(jù)".RFID 數(shù)據(jù).B1_W[4]:=0; ∕∕加工檢測未完成0，合格1，不合格2

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

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

"通信數(shù)據(jù)".RFID數(shù)據(jù).B1_W[7]:=0;

∕∕鐳雕檢測未完成0，合格1，不合格2

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

END_IF;

IF"通信數(shù)據(jù)".主控數(shù)據(jù).RFID1寫完成=1 THEN

FOR#清除寫數(shù)據(jù)計數(shù)器:=1 TO 8 DO ∕∕寫完成清除寫數(shù)據(jù)

"通信數(shù)據(jù)".RFID數(shù)據(jù).B1_W[#清除寫數(shù)據(jù)計數(shù)器]:=0;

END_FOR;

END_IF

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時需注意以下4 點，詳細(xì)的邏輯流程如圖6所示。

圖6 PLC數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)次數(shù)加1，用來統(tǒng)計該工位完成零件的數(shù)量；每個工位完成所有動作后，RFID 讀寫器的通信數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)".RFID數(shù)據(jù).B2_W[4]”地址來存儲檢測數(shù)據(jù)的結(jié)果，如果合格，則“通信數(shù)據(jù)".RFID 數(shù)據(jù).B2_W[4]”=1，如果不合格，則“通信數(shù)據(jù)".RFID數(shù)據(jù).B2_W[4]”=2。

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

（4）所有訂單完成后，讀操作的主控數(shù)據(jù)清零。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試包括通信調(diào)試、數(shù)據(jù)處理調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。在通信調(diào)試中主要是要給PLC 和6 個RFID 讀寫器進(jìn)行IP 地址分配。它們的IP 地址段號要保持一致，系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理調(diào)試中，需要在線實時監(jiān)控全局?jǐn)?shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)變化，如圖7 所示。當(dāng)?shù)? 個RFID 讀寫器讀取了信號，則B1_R[1]的監(jiān)視者變?yōu)?，否則為0，當(dāng)?shù)?個RFID 讀寫器寫入了信號，則B1_W[1]的監(jiān)視者變?yōu)?，否則為0。使用同樣的方法，可以監(jiān)視檢測過程中的良品和不良品，數(shù)值也將在監(jiān)視值中顯示。

圖7 RFID 數(shù)據(jù)監(jiān)控表

在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，通過統(tǒng)計U 盤生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可實時監(jiān)控各個模塊的生產(chǎn)狀態(tài)。如圖8 所示，訂單數(shù)量是5個時，完成數(shù)量4個，完成率為80%，在數(shù)據(jù)看板上會顯示，綠色顯示已完成狀態(tài)，黃色顯示未完成狀態(tài)，從而了解到剩下的1 個產(chǎn)品已完成了前3 個工位的作業(yè)，正處在第4個工位即鐳雕模塊階段。

圖8 U盤生產(chǎn)過程監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了智能輸送線系統(tǒng)，通過RFID技術(shù)對電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取和寫入操作，采用MODBUS-TCP 通信協(xié)議，實現(xiàn)PLC對RFID讀寫器的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。通過該系統(tǒng)，可以了解訂單完成的進(jìn)度，也可以實時監(jiān)控產(chǎn)品在每個模塊的完成情況。該系統(tǒng)可存儲6 個模塊的數(shù)據(jù)信息，存儲量大；可實現(xiàn)6 個模塊同時識別并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸，工作效率高；可重復(fù)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(yīng)的工作，通過調(diào)整，也可以應(yīng)用于其他產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理中，為產(chǎn)品的智能自動化生產(chǎn)線的改造升級，為智能數(shù)字化生產(chǎn)工廠奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。