施國棟 韋軍 孫國林 毛柏吉 姜淮 李長松

（中國第一汽車股份有限公司工程與生產(chǎn)物流部，長春 130000）

1 前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們生活中的必需品。2021 年中國汽車產(chǎn)銷量均超過2 600 萬輛。如何在保證產(chǎn)量增長的前提下節(jié)約生產(chǎn)成本是各大汽車廠商面臨的首要難題。無線射頻技術(shù)(RFID)為解決該問題提供了新的思路，本文將結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目與大眾VASS05 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)RFID 技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

2 RFID技術(shù)

2.1 RFID技術(shù)概述

RFID 又被稱作電子標(biāo)簽或無線射頻識(shí)別，是一種前沿的通信技術(shù)，它可以通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，且識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間無須建立機(jī)械或光學(xué)接觸。它能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間的讀寫、非可視狀態(tài)的識(shí)別、移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位以及長期的跟蹤管理工作，且惡劣環(huán)境對(duì)識(shí)別工作影響很小，讀取信息過程安全可靠，因此RFID 技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)線中有著廣泛的應(yīng)用前景。

RFID 技術(shù)還是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它能夠通過無線射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取有用的數(shù)據(jù)，識(shí)別工作能夠適應(yīng)包括焊裝車間等各種惡劣環(huán)境。RFID 無線系統(tǒng)組成比較簡單，由一個(gè)詢問器和若干應(yīng)答器組成。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)答器已經(jīng)發(fā)展為智能標(biāo)簽的形式。RFID 的詢問器能夠通過天線與智能標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，并且能夠?qū)?biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行讀出和寫入等操作，典型的詢問器包括高頻模塊、控制單元以及閱讀器天線。

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

RFID 產(chǎn)品種類比較多，目前已經(jīng)形成了從低頻到高頻和從低端到高端的一系列產(chǎn)品，且行業(yè)上的應(yīng)用規(guī)模也在不斷地?cái)U(kuò)大，形成了相對(duì)成熟穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈。

RFID 技術(shù)在國外發(fā)展迅速，并且種類十分豐富，例如著名廠家Philips 壟斷了短距離HF 頻段的RFID 技術(shù)，包括讀寫器與標(biāo)簽；而長距離HF 頻段的RFID 技術(shù)則被少數(shù)其他外國企業(yè)壟斷；IBM 和微軟公司也在計(jì)劃研發(fā)與發(fā)展RFID 技術(shù)。在中國，RFID 技術(shù)的研究已經(jīng)有20 多年的歷史，經(jīng)濟(jì)部技術(shù)處早在1992 年就開始研究高頻段的RFID技術(shù)，讀寫器與IC 芯片等重要技術(shù)也正處在開發(fā)階段。國內(nèi)對(duì)于RFID 技術(shù)的需求十分廣泛，大連港集裝箱管理、全國鐵路車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)以及第2 代居民身份證都是RFID 技術(shù)應(yīng)用的鮮明例子。

2.3 RFID系統(tǒng)的組成

RFID 系統(tǒng)組成主要包括電子標(biāo)簽、閱讀器、天線以及應(yīng)用軟件[1]。從圖1 可以看出閱讀器與電子標(biāo)簽?zāi)K中都包括數(shù)據(jù)的輸入和輸出過程，并且這個(gè)過程還涉及到能量和時(shí)鐘。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 RFID技術(shù)的基本原理

RFID 技術(shù)的工作原理主要基于電磁耦合[2]，標(biāo)簽進(jìn)入到磁場(chǎng)后，接收閱讀器通過天線發(fā)出的射頻信號(hào)，經(jīng)過電磁耦合后產(chǎn)生感應(yīng)電流，憑借感應(yīng)電流產(chǎn)生的能量將存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息或某一頻率的信號(hào)主動(dòng)發(fā)送給閱讀器。閱讀器讀取信息并解碼，接著將解碼后的信息發(fā)送給有需要的應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

RFID 的一般工作流程如圖2 所示，閱讀器和標(biāo)簽之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交互，這樣閱讀器能夠通過耦合給無源標(biāo)簽提供能量以及時(shí)序等相關(guān)內(nèi)容。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，可以通過Ethernet 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對(duì)零件信息的識(shí)別、處理以及遠(yuǎn)程傳送。

圖2 RFID的一般工作流程

標(biāo)簽是RFID 系統(tǒng)最常見的形式，有主動(dòng)式標(biāo)簽、被動(dòng)式標(biāo)簽以及半主動(dòng)式電子標(biāo)簽。目前市場(chǎng)上大多數(shù)由耦合原件和微芯片組成無源應(yīng)用單元。

同時(shí)工作頻率的不同也會(huì)影響RFID產(chǎn)品的性能，目前RFID產(chǎn)品的工作頻率有低頻（125～134 kHz)、高頻（13.56 MHz)和超高頻（860～960 MHz）[3]等。

3 RFID技術(shù)在焊裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)方案

西科（SICK）是全球領(lǐng)先的傳感器制造商和解決方案供應(yīng)商，下面主要介紹SICK 品牌RFU630x智能識(shí)別系統(tǒng)在自動(dòng)焊裝線中的應(yīng)用。

RFU63x 閱讀器是一種自動(dòng)化智能傳感器，用在移動(dòng)或者靜止物體上，可穩(wěn)定地識(shí)別信息和從/往無線電數(shù)據(jù)載體傳輸數(shù)據(jù)。RFU63x 作為一種設(shè)有集成天線的小型讀寫裝置，能夠在860～960 MHz處理所有與ISO/IEC-18000-6C 兼容的常規(guī)應(yīng)答器，可作獨(dú)立解決方案使用，也可作網(wǎng)絡(luò)中分組的一部分使用。RFU630x 把讀取結(jié)果送給上一級(jí)計(jì)算機(jī)以通過其主機(jī)接口繼續(xù)處理。

RFU63x 的閱讀器和標(biāo)簽體積小巧便于安裝，實(shí)際項(xiàng)目中為每個(gè)閱讀器制作1 個(gè)支架，根據(jù)標(biāo)簽在零件上的位置來確定閱讀器的方向和角度，如圖3、圖4 所示。

圖3 RFU63x閱讀器

圖4 RFU63x使用的被動(dòng)式標(biāo)簽

作為超高頻系統(tǒng)，RFU63x 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀寫，基本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的瞬間傳輸，而且可以很好的適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境中金屬材質(zhì)較多的情況。

RFID 車型傳遞方案如下。

在整個(gè)項(xiàng)目中，中通道區(qū)域?yàn)閰^(qū)分車型的第1 個(gè)區(qū)域，在中通道的第1 個(gè)區(qū)域的第1 個(gè)Buffer——111010SB1 上安裝RFID 閱讀器，生產(chǎn)線中的車型信息由上位機(jī)下發(fā)并在Labelcentre 中將標(biāo)簽信息寫入。之后的每個(gè)工作夾具臺(tái)上都安裝閱讀器，在零件落入工位后讀取車型并進(jìn)行焊接，具體工藝方案見圖5。

圖5 有關(guān)車型傳遞的工藝方案

由于項(xiàng)目中使用的是被動(dòng)式標(biāo)簽，標(biāo)簽中的車型信息內(nèi)容需要在起始工位的Labelcentre 中寫入，寫有車型信息的標(biāo)簽被固定在中通道的零件上，這樣隨著零件的流動(dòng)，每個(gè)工位的閱讀器都會(huì)讀出相應(yīng)工位上零件的車型，閱讀器把讀到的車型通過Profinet 網(wǎng)絡(luò)傳遞給可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。

3.2 電氣硬件安裝

首先，將RFU63x 按照安裝說明接通電源和網(wǎng)絡(luò)，安裝原理如圖6 所示。

圖6 RFID的安裝原理

一定要注意連結(jié)電纜的型號(hào)，實(shí)際項(xiàng)目中使用的是SICK 預(yù)制的電纜進(jìn)行電路連接，具體的供電原理圖如圖7 所示。將1020 工位轉(zhuǎn)轂上的閥島24 V 控制電壓與閱讀器的控制電源串聯(lián)起來，接下來進(jìn)行閱讀器的聯(lián)網(wǎng)工作；由于VASS05 標(biāo)準(zhǔn)中采用了標(biāo)準(zhǔn)的Profinet 形式，將RFID 串聯(lián)到該以太網(wǎng)中，具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D8 所示。

圖7 RFID的供電原理

圖8 RFID的網(wǎng)絡(luò)連接原理

項(xiàng)目中將RFID 閱讀器的網(wǎng)絡(luò)通過PN-PLUS BOX 與整個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)連接。除此之外，該項(xiàng)目中的汽車零件均屬于金屬材料，在安裝時(shí)應(yīng)該注意閱讀器的讀寫面在讀寫數(shù)據(jù)時(shí)與零件表面成一定角度，如圖9 所示。

圖9 RFID閱讀器與零件表面位置關(guān)系示意

RFID 閱讀器采用產(chǎn)生一定角度的安裝方式可以排除正面存在的任何大金屬表面，以防止讀寫時(shí)出現(xiàn)故障。同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)閱讀器的中心與標(biāo)簽的直線距離應(yīng)該設(shè)置在0.2～1 m。

3.3 參數(shù)設(shè)置

RFU63x 的參數(shù)通過SOPAS ET 配置軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，利用快速啟動(dòng)選項(xiàng)，軟件會(huì)自動(dòng)生成1個(gè)讀數(shù)脈沖，并在窗口中檢測(cè)到應(yīng)答器，如圖10 所示。

圖10 快速啟動(dòng)窗口顯示檢測(cè)到1個(gè)應(yīng)答器

與此同時(shí)RFU63x 天線罩中心的過程反饋會(huì)默認(rèn)發(fā)出藍(lán)光，顯示已產(chǎn)生可用的UHF 場(chǎng)并且已檢測(cè)到一個(gè)或多個(gè)應(yīng)答器。這說明使用的標(biāo)簽是可行的，為保證在生產(chǎn)過程中能夠穩(wěn)定接收車型信息需要按照VASS05 標(biāo)準(zhǔn)中提供的數(shù)據(jù)信息對(duì)其中一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖11 所示。

圖11 內(nèi)置天線發(fā)射功率參數(shù)設(shè)置

對(duì)RFID 的內(nèi)置天線進(jìn)行了如圖11 所示的參數(shù)設(shè)置，讀取數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)射功率按照VASS05 標(biāo)準(zhǔn)中將其設(shè)置為14 dBm；寫數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)射功率，由于項(xiàng)目中并沒有該功能所以其參數(shù)值可以不設(shè)；最小的返回功率設(shè)置為10 dBm；信號(hào)傳輸過程中的抗干擾量設(shè)置為1 dB（A）。

如圖12 所示，首先對(duì)RFID 控制方式的一些參數(shù)按照VASS05 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。接著設(shè)置車型數(shù)據(jù)，其輸出的具體格式如圖13 所示，最后對(duì)RFID的網(wǎng)絡(luò)名稱和IP 地址等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如圖14 所示。

圖12 控制命令參數(shù)設(shè)置

圖13 車型數(shù)據(jù)輸出格式設(shè)置

圖14 RFID的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

其中網(wǎng)絡(luò)名稱和IP 地址按照項(xiàng)目中的實(shí)際地址進(jìn)行分配，經(jīng)過上述步驟便完成對(duì)RFID 硬件安裝的設(shè)置，確認(rèn)無誤后將這些參數(shù)保存下載，這臺(tái)RFID 就具備了項(xiàng)目所需的硬件參數(shù)。

3.4 電氣程序控制

首先對(duì)RFU63x 進(jìn)行硬件組態(tài)，并在項(xiàng)目中增加一站，如圖15、圖16 所示。

圖15 RFID在項(xiàng)目中的設(shè)置

圖16 RFID在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械脑O(shè)置

接著編寫控制程序，RFID 的讀寫過程主要由FB520 進(jìn)行控制，具體程序如圖17 所示。

圖17 RFID的讀取程序塊

其中Ver_Lesen 信號(hào)表示閱讀器讀取的條件，在本項(xiàng)目中只要區(qū)域不處在空循環(huán)模式就滿足讀取的機(jī)械條件。Lesen 信號(hào)表示從標(biāo)簽中讀取信號(hào)需要滿足的條件，項(xiàng)目中的讀取條件按圖18 設(shè)計(jì)。

圖18 RFID的讀取條件

為了排除工位中其它機(jī)械因素對(duì)讀取過程的干擾，在標(biāo)準(zhǔn)程序的基礎(chǔ)上添加M611.2，該信號(hào)表示所有機(jī)器人與當(dāng)前工位均處在無干涉狀態(tài)，以此來排除機(jī)器人在放件過程中遮擋天線的可能。同時(shí)對(duì)讀取條件信號(hào)DB4103.DBX0.3 進(jìn)行上升沿處理，為防止在放件過程中因機(jī)械原因產(chǎn)生信號(hào)抖動(dòng)造成讀取不成功。Laenge 表示讀取車型信息的字符長度為32 個(gè)字節(jié)，4 個(gè)字的長度包括區(qū)分車型的4 種關(guān)鍵因素，如圖19 所示。

圖19 RFID讀取的車型信息在WICC畫面中的顯示

4 個(gè)字節(jié)中第1 個(gè)字節(jié)代表項(xiàng)目編號(hào)、第2 個(gè)字節(jié)代表兩驅(qū)或者四驅(qū)車型、第3 個(gè)字節(jié)代表車型細(xì)節(jié)信息、第4 個(gè)字節(jié)作為預(yù)留信息使用，以此來區(qū)分不同的車輛，采取不同的方式進(jìn)行焊接。DB4103.DBX100.0 "RFID_121020IS1".FM_Lesen 為讀取完成信號(hào)標(biāo)志位，發(fā)出該信號(hào)時(shí)表示讀取過程已經(jīng)結(jié)束，本次循環(huán)過程閱讀器不再讀取數(shù)據(jù)。車型數(shù)據(jù)的傳遞主要由FB529 進(jìn)行控制，如圖20 所示。

圖20 RFID讀取的車型信息在程序中的傳遞過程

控制塊中Auto 信號(hào)是工位處在自動(dòng)模式下讀取車型信息的條件，從程序中可以看出當(dāng)讀取完成后車型信息存儲(chǔ)在DB4104.DBW42 中，讀取這一信息后才會(huì)給機(jī)器人發(fā)出相應(yīng)的程序號(hào)來執(zhí)行不同的焊接工藝完成焊接過程。焊接完成后，取件機(jī)器人將零件取走，夾具回到原位后觸發(fā)“M_121020V01FMReset”信號(hào)來清除本次循環(huán)讀取到的車型。

以上過程為在自動(dòng)模式下RFID 的工作過程，當(dāng)在一些特殊情況下RFID 也可以手動(dòng)進(jìn)行讀取，首先Ver_Lesen 條件必須滿足，然后打開控制畫面如圖21 所示。

圖21 RFID手動(dòng)讀取車型信息畫面

當(dāng)滿足讀取條件時(shí)讀取按鈕上的黃點(diǎn)會(huì)亮起來，點(diǎn)擊讀取按鈕，就會(huì)得到標(biāo)簽中存儲(chǔ)的車型信息；車型信息獲得后，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖22 所示的處理過程。

根據(jù)圖22，首先將讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的字?jǐn)?shù)據(jù)，接著對(duì)這個(gè)十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行判斷，如果是100 則為兩驅(qū)車，200 則為四驅(qū)車。

圖22 車型信息的處理過程

3.5 應(yīng)用效果

面對(duì)日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，世界各大汽車廠商都在節(jié)約成本，其中生產(chǎn)線的混流生產(chǎn)是十分重要的一項(xiàng)措施，要實(shí)現(xiàn)混流生產(chǎn)就必然涉及到工位之間車型信息的傳遞過程，作為一項(xiàng)全新的身份識(shí)別技術(shù)，RFID 技術(shù)有著舉足輕重的地位。RFU63x 的閱讀器和標(biāo)簽體積都很小，使用起來快捷方便，標(biāo)簽只要在第1 個(gè)工位固定于吸附在車身上的磁鐵塊，就可以通過后面每個(gè)工位安裝的閱讀器來讀取當(dāng)前工位的車型，本次項(xiàng)目主要參照大眾VASS05 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)RFU63x 的硬件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使用標(biāo)準(zhǔn)功能塊編寫電氣控制軟件程序，實(shí)現(xiàn)地板線區(qū)域的車型識(shí)別功能和2 種車型的混流生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率并節(jié)約大量成本。

4 結(jié)束語

RFID 是一項(xiàng)蓬勃發(fā)展的新型技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)在未來的發(fā)展模式中，將結(jié)合一些其他相關(guān)的高新技術(shù)（如生物識(shí)別等技術(shù)），由單一的識(shí)別向多功能的識(shí)別方向發(fā)展；結(jié)合現(xiàn)代通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)和跨行業(yè)應(yīng)用，相信RFID技術(shù)擁有著巨大的發(fā)展的潛力。

從項(xiàng)目中可以看出德國大眾公司已經(jīng)將RFID技術(shù)成熟地運(yùn)用到汽車生產(chǎn)中，這將對(duì)其汽車生產(chǎn)線的降本增效起到促進(jìn)作用，可以極大地提高大眾集團(tuán)在世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。反觀中國的一些汽車生產(chǎn)商在這方面還十分落后，車型單一，信息傳遞的手段也十分落后，不僅增加成本還降低了生產(chǎn)效率。目前中國的射頻識(shí)別技術(shù)和應(yīng)用都還處于比較初級(jí)的發(fā)展階段，存在現(xiàn)存技術(shù)水平不高，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完整等問題，但中國射頻識(shí)別技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景以及巨大的市場(chǎng)發(fā)展的潛力[4]。