張孝芳

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710077）

在智能制造過程中，將信息追溯系統(tǒng)用于產(chǎn)品質(zhì)量保證、加工過程全方位控制等應(yīng)用場(chǎng)景，是當(dāng)前智能化加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在信息追溯過程中常見的主要有人工統(tǒng)計(jì)、條形碼識(shí)別、二維碼識(shí)別、機(jī)器視覺識(shí)別和RFID 等技術(shù)，其特征見表1[1]，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)。RFID 技術(shù)利用閱讀器與電子標(biāo)簽可以進(jìn)行非接觸式的信息提取與修改，不需要照明光源，對(duì)工件形狀也沒有特殊要求，而且在生產(chǎn)制造環(huán)境差的情況下，也同樣能完成識(shí)別任務(wù)，因此在自動(dòng)化生產(chǎn)線領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，RFID 電子標(biāo)簽可以準(zhǔn)確地記錄加工工藝、加工時(shí)間、質(zhì)量檢測(cè)等結(jié)果，可完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(shù)與PLC 控制技術(shù)。PLC 作為一種高可靠性的控制裝置，與RFID 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)生產(chǎn)過程的控制與管理，而且提高了柔性化的生產(chǎn)水平。

表1 不同識(shí)別技術(shù)特點(diǎn)

1 RFID 技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的無線通信自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用無線電信號(hào)來識(shí)別特定的目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、可讀寫、非接觸、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、保密性好、穿透性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好及能同時(shí)識(shí)別多標(biāo)簽等優(yōu)點(diǎn)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 系統(tǒng)一般由標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線（Antenna）組成[2]，如圖1 所示。

圖1 RFID 系統(tǒng)基本組成框圖

電子標(biāo)簽芯片有2 個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域，分別是UID 區(qū)和用戶數(shù)據(jù)寄存區(qū)，UID 數(shù)據(jù)區(qū)RFID 標(biāo)簽的出廠ID 存放區(qū)，數(shù)據(jù)為只讀，無法修改，用戶數(shù)據(jù)寄存區(qū)則供用戶存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、可進(jìn)行讀寫、修改等操作。天線是發(fā)射并接收電磁波信號(hào)的設(shè)備，即能夠與電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)無線通信，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器后，通過天線發(fā)送一定頻率的信號(hào)，電子標(biāo)簽在接收到信號(hào)后，將內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息通過電磁波信號(hào)發(fā)射出去，天線將接收的電磁波傳給閱讀器，閱讀器識(shí)別該電子標(biāo)簽發(fā)回的信息，最終將識(shí)別結(jié)果發(fā)送中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，這樣便達(dá)到識(shí)別的目的。在制能產(chǎn)線中選用PLC 作為數(shù)據(jù)處理單元，RFID 可以讀出標(biāo)簽信息，通過PLC 比對(duì)標(biāo)簽信息，將工件按照讀出的工序進(jìn)行加工，待加工完畢后，系統(tǒng)可以通過RFID 將后續(xù)加工信息傳輸給工件，以待進(jìn)行下一步工序。

2 硬件選型及方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)備升級(jí)中，PLC 仍用原有型號(hào)為西門子s7-1200 CPU1212C DC/DC/DC 的設(shè)備，其性能穩(wěn)定，成本適中，其集成一個(gè)以太網(wǎng)端口可通過交換機(jī)和RFID 實(shí)現(xiàn)ModBus TCP 通信，無需擴(kuò)展其他任意功能模塊，能夠滿足現(xiàn)有小型智能產(chǎn)線升級(jí)控制需求。

RFID 的分類及特點(diǎn)見表2，按照能量供應(yīng)方式分為有源RFID 和無源RFID 兩種，低頻RFID 是無源的，即電子標(biāo)簽沒有自帶電源，不能主動(dòng)發(fā)射電磁波，只有電子標(biāo)簽靠近閱讀器由天線向其發(fā)射電信號(hào)，電子標(biāo)簽利用收到的感應(yīng)電流將自己的信息發(fā)送到閱讀器，屬于被動(dòng)通信，一般用于停車場(chǎng)的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)及小區(qū)門禁系統(tǒng)。中高頻、超高頻及微波RFID 的電子標(biāo)簽屬于有源RFID 即自帶電源提供能量，可以主動(dòng)向閱讀器發(fā)送射頻信號(hào)，并且自帶電源可以讓信號(hào)傳播的更遠(yuǎn)，穿透力更強(qiáng)，價(jià)格相對(duì)也越高。

表2 RFID 分類及特點(diǎn)

結(jié)合表2 RFID 分類及特點(diǎn)以及現(xiàn)有的智能產(chǎn)線結(jié)構(gòu)緊湊，無法安裝形狀尺寸較大的RFID 設(shè)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(diào)，結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，此外RFID 電子標(biāo)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?cè)辛慵男螤畛叽纾僮鞣奖?。同時(shí)此設(shè)備支持標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信協(xié)議ModBus TCP，閱讀器內(nèi)部集成了射頻部分通信協(xié)議，只需通過以太網(wǎng)接口將RFID 與PLC 控制系統(tǒng)連接一起，由于讀卡器內(nèi)部分?jǐn)?shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)和數(shù)據(jù)輸出區(qū)，通過編寫PLC 程序向讀卡器輸入?yún)^(qū)寫入相關(guān)的數(shù)據(jù)和操作指令，讀卡器執(zhí)行讀寫器指令后，把執(zhí)行指令的結(jié)果存儲(chǔ)到讀卡器的輸出區(qū)[3]。這里需要修改RFID、PLC 及編程計(jì)算機(jī)的IP 地址以確保三者在同一局域網(wǎng)網(wǎng)段下。由于該設(shè)備是基于以太網(wǎng)的高頻讀卡器，用POE（以太網(wǎng)供電46~54 V）供電，在選擇路由器時(shí)可選用帶POE 功能的交換機(jī)，這樣可以簡(jiǎn)化布線和降低成本[4]。通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖2 RFID 高頻讀寫頭安裝效果

圖3 通信網(wǎng)絡(luò)連接

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)置RFID 參數(shù)

RFID 通過以太網(wǎng)口聯(lián)入電腦，打開RFID 軟件configNetReader 設(shè)置RFID 的IP 地址192.168.0.178子網(wǎng)掩碼255.255.255.0 端口號(hào)為默認(rèn)值502，確保RFID、PLC、計(jì)算機(jī)在同一網(wǎng)段下，這也是RFID 與PLC能夠正常通信的前提，設(shè)置界面如圖4 所示。

圖4 RFID 參數(shù)設(shè)置

3.2 PLC 編程

PLC 組態(tài)及參數(shù)設(shè)置，打開西門子TIA Portal 博途軟件，創(chuàng)建新項(xiàng)目組態(tài)西門子S7-1200 CPU1212C DC/DC/DC 控制器，在屬性設(shè)置中更改PLC 的IP 地址：192.168.0.200，啟用系統(tǒng)和時(shí)鐘存儲(chǔ)器，要打開防護(hù)安全中的連接機(jī)制選擇允許遠(yuǎn)程對(duì)象的PUTGET 訪問，否則PLC 與RFID 無法正常通信。

新建數(shù)據(jù)塊，這里需要新建數(shù)據(jù)塊來存放操作數(shù)據(jù)和連接參數(shù)，新建數(shù)據(jù)塊名稱命名為RFID 數(shù)據(jù)同時(shí)在數(shù)據(jù)塊屬性中取消優(yōu)化的塊訪問。打開RFID 數(shù)據(jù)塊，新建讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組Array[0…9] of Char，用于存放讀取數(shù)據(jù)的數(shù)組，再新建名稱寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為數(shù)組Array[0…9] of Char，用于存放寫入數(shù)據(jù)的數(shù)組，再新建啟動(dòng)讀、啟動(dòng)寫，數(shù)據(jù)類型為BOOL，作讀寫觸發(fā)條件。新建連接參數(shù)，數(shù)據(jù)類型為TCON_IP_V4，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。Interface_id 本地接口的硬件標(biāo)識(shí)符即PLC 的硬件標(biāo)識(shí)，通過查看PLC 屬性系統(tǒng)常數(shù)下PROFINET 接口1 的硬件標(biāo)識(shí)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(fù)；connection-type 連接類型，由于本次通信選擇RFID 為遠(yuǎn)程服務(wù)器，PLC 為客戶端主動(dòng)訪問RFID，選擇連接類型為1 即主動(dòng)訪問。Remote Address 為RFID的IP 地址；Remote Port 為RFID 的端口號(hào)502，具體設(shè)置如圖5所示。

圖5 新建操作數(shù)據(jù)和連接參數(shù)

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(chuàng)建時(shí)選擇多重實(shí)例，參數(shù)DISCONNECT（取消連接）的值為“0”，且在REQ=1 時(shí)執(zhí)行新作業(yè)，否則不會(huì)動(dòng)作；參數(shù)MB_MODE=0：讀取，MB_MODE=1 或2：寫入；MB_DATA_ADDR 是用于讀寫的遠(yuǎn)程地址的地址信息，由于采用的是ModBus 通信協(xié)議的概念上，主站可以通過訪問保持寄存器（地址40001-49999）對(duì)RFID 進(jìn)行控制，RFID 標(biāo)簽數(shù)據(jù)地址addr=0x000E 至addr=0x4100 為用戶數(shù)據(jù)寄存器，用戶可對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀寫操作，起始地址000E 轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制為14，所以讀寫的遠(yuǎn)程地址的起始地址為40001+14=40015；MB_DATA_LEN 包含要讀/寫的值的數(shù)量單位為Byte，ModBus 保持寄存器40001 是用于存儲(chǔ)16 位的二進(jìn)制數(shù)，存放讀/寫數(shù)據(jù)的數(shù)組Array[0…9] of Char 共10 個(gè)Char（1 Char=2 Byte=16 bit），所以讀/寫數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為5；MB_DATA_PTR是一個(gè)指針，指向ModBus 服務(wù)器發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，具體讀寫數(shù)據(jù)的程序功能塊如圖6 所示。

圖6 讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)程序

3.3 創(chuàng)建HMI 界面

通過TIA Portal 組態(tài)HMI 介面進(jìn)行人機(jī)交互，可直接在觸摸屏上完成RFID 電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)寫入、讀取等操作。如圖7 所示，通過觸摸屏手動(dòng)寫入“A1B2C3D4”，然后手動(dòng)讀出“A1B2C3D4”，而TIA Portal 軟件數(shù)據(jù)監(jiān)控界面的寫入數(shù)據(jù)數(shù)組和讀取數(shù)據(jù)數(shù)組顯示同樣的數(shù)據(jù)。如在智能產(chǎn)線生產(chǎn)過程中遇到返工操作、設(shè)備報(bào)警等特殊工況，需進(jìn)行人工操作即通過“手動(dòng)讀”“手動(dòng)寫”等功能實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備，極大地縮小了智能產(chǎn)線調(diào)試時(shí)間，且能直觀描述系統(tǒng)狀態(tài)，更直接地控制系統(tǒng)操作[5]。

圖7 HMI 界面和數(shù)據(jù)監(jiān)控

4 結(jié)束語

在智能生產(chǎn)模式不斷提高的背景下，構(gòu)建PLC 與RFID 集成的工控系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中，PLC 作為主站與RFID 閱讀器從站進(jìn)行ModBus TCP 通信從而實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID 標(biāo)簽讀和寫操作，其中RFID 電子標(biāo)簽黏附在工件表面，充分利用其無接觸、無光源、可重復(fù)讀寫性、耐腐蝕和抗高溫等特點(diǎn)，完成物料工件在智能制造領(lǐng)域?qū)ぜa(chǎn)、檢測(cè)等流程監(jiān)控與反饋的目的。該系統(tǒng)對(duì)提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平具有一定的借鑒意義與實(shí)用價(jià)值。在后續(xù)的升級(jí)改造中，能與視覺、二維碼等技術(shù)相結(jié)合，從而使其發(fā)揮更大的作用。且隨著移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的不斷提高和普及，射頻識(shí)別RFID 設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)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(fā)展[1]。很多智能系統(tǒng)需要能夠自動(dòng)識(shí)別并判斷信息是否正確，著力實(shí)現(xiàn)信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行、信息的識(shí)別與處理，詮釋智能制造的新方向。