1 前言
RFID是近年來迅速發展的一種快速識別技術，通過對載碼體的無接觸識別獲得存儲的信息代碼。載碼體又俗稱電子標簽(TAG)，與傳統條形碼技術相比，電子標簽具有數據記憶容量大；可讀可寫、無接觸識別；耐高溫、耐腐蝕適應惡劣環境等優點；而且具有穿透性可無障礙讀寫，可以穿透覆蓋的紙張、木材、塑料等非金屬或非透明材質，誤讀率也低，因此被廣泛應用于各行業。
本文以實際項目使用經驗介紹RFID技術在汽車制造業使用的實例，實現油漆車間車身信息的跟蹤管理。
2 系統總體結構
2.1 車身跟蹤系統的結構
神龍汽車有限公司武漢二廠油漆車間從生產管理到制造工藝設備及技術均達到了PSA全球精益化樣板工廠標桿水平。在車間內部車身跟蹤系統采用了目前先進的RFID識別技術，系統總體設計結構如圖1。從控制角度分，大致分為如圖所示三個層面：基礎設備層、控制層、中央管理層；ERP層屬企業管理層。車身數據流如圖中箭頭所示，各層級之間數據雙向傳遞，生產管理所需的車身信息永久保存在數據服務器中。在生產過程中，工藝、機器人、輸送設備可從電子標簽獲得指導生產必需的車身信息。
圖1 RFID系統總體結構
2.2 系統各組成部分任務簡述
1)中央管理層：EN數據服務器是整個系統的數據處理管理中心。負責信息管理和控制生產流程，上連企業ERP系統，下管理整個油漆車間的生產物流指導，信息收集。隸屬于中控系統的現場客戶端，通過應用系統CCR-View操作平臺可以實現在線查詢、修改車間內部實際車身的信息，譬如顏色、車型等信息。
2)控制層：本地輸送PLC主要控制輸送鏈的運行，并負責車身信息上傳下達的作用，在接收到中央管理層發出的信息后負責傳遞至下層讀/寫站，在收到下層讀/寫站上傳的信息后負責傳送至機器人PLC、大屏幕顯示板以及工藝PLC，電泳線控制PLC收到不同的車型信息時，可以調用不同的電壓參數；噴漆機器人PLC可以根據收到的車型、顏色信息選擇不同的噴涂軌跡及油漆管線噴漆，從而實現工藝過程控制。本項目采用施奈德Premium 57系列5634M CPU，使用以太網連接實現信息傳遞。
3)基礎設備層：主要包含完整的RFID(射頻識別系統)和現場操作終端。RFID系統包含電子標簽(Tag)和讀/寫站，電子標簽用來存儲必需的車身物流信息，讀/寫站從標簽里讀取和寫入數據，讀/寫站通訊協議基于TCP/IP，直接通過以太網和控制PLC連接；現場操作終端用以控制讀寫站，給人提供一個人機交互界面，可以顯示電子標簽存儲的相關信息，可實現緊急或信息錯誤情況下本地信息錄入、修改、查詢等功能。
3 系統功能
3.1 使用RFID前的信息傳遞方式及特點
在使用RFID技術前，存儲車身信息主要是紙質條形碼，采用條形碼的方式就是要在所用功能需求點設置企業管理層SPPV系統的客戶端，通過讀取條形碼，查詢SPPV系統的數據庫獲取需要的車身信息，指導生產管理。優點是方便靈活，缺點是對于車間生產管理的幫助有很大局限性，只能提供車型、顏色等信息，不能融入車間自動化系統的控制。隨著光電技術的發展，一段時期內，很多汽車企業也使用了一種條形碼延伸技術——機械條碼(機械梳子)，就是在每個雪橇上安裝一個具有唯一性的鋼制條形碼，使用光電傳感器來掃描讀寫完成不同車身信息的傳遞，其特點是車身信息必須存儲在PLC里，設置一個專用車身數據PLC管理車間內部運行的所有車身的數據，BODY DATA PLC在車間運行時有大量數據交換，所以，對PLC性能要求高，大容量的內存，對網絡通訊的速率、可靠性要求都很高。
3.2 RFID解決方案
采用RFID系統后，在每個雪橇底部保護盒里安裝一個電子標簽，電子標簽存儲著條形碼、車型、顏色、整車定義碼等大量信息，形成多個小型移動數據庫，在整個生產流程中經過讀寫站點可讀可寫。在多方技術調研和方案論證后，武漢二廠油漆項目選用了EMS公司的RFID識別系統。電子標簽采用最高可承受240℃ HMS150HT高溫系列產品，移動電子標簽存儲了大量車身及物流指導信息(見圖2)。
圖2 移動電子標簽
因此當本地PLC與數據服務器通訊異常時，RFID系統利用電子標簽存儲的信息仍然可以生產，不會導致大面積生產終止。讀寫頭采用HF-CNTL-IND-02，通訊協議基于TCP/IP，傳輸速度更快、穩定性也更好。根據生產和管理功能需要，在油漆車間出入口處、工件物流的分岔處、重要的工藝過程(如電泳線、UBS線、噴漆室、儲存區等)入口處總共設置了26套讀/寫站，從而實現對車身進入油漆車間到發總裝整個生產過程進行RFID跟蹤管理和控制。
3.3 車身跟蹤系統實現的主要功能
3.3.1 生產管理指導功能
1)車身數據指導機器人及人工識別車型、噴涂顏色，
2)各類車身物流的管理：包括車身的導入、導出、側厚管理，多次循環統計等，
3)載具的管理：包括底、面漆雪橇、UBS吊具清洗、導出修理等，
4)向下游車間系統傳遞車身信息。
3.3.2 信息統計報表功能
1)實時統計各工藝段、生產線區域內在制品數量，
2)班、日、月等生產信息統計報表，
3)分時段，分車型、顏色統計已生產的各類車身數量
3.3.3 生產線的實時監控功能
1)查找某輛車所在的具體位置，譬如是在存儲區或者點修補間等，
2)查閱在線或歷史車身在油漆車間的狀態，
RFID車身跟蹤系統作為油漆車間ENCCR系統的重要子模塊，各類相關的生產管理人員通過獨立的使用權限登錄，從中控室或現場的客戶端CCR-View平臺可以進入RFID車身跟蹤系統，實現生產信息的實時查詢、打印功能。
4 軟件設計
4.1 讀寫站標準功能塊內部結構
軟件方面，二廠油漆車間監控系統采用的Wonderware公司的InTouch 9.0作為上位機組態軟件。讀/寫站采用標準以太網協議和操作終端及PLC連接并通訊，PLC與讀/寫站控制器的通訊程序，是用Unity Pro開發的Premium PLC的讀/寫站功能塊MFC_MAIN，MFC_MAIN 功能塊涵蓋了所有與讀/寫站有關的必要的程序邏輯，程序塊結構如圖3：
圖3 程序塊結構
主程序塊內部結構主要包含與中央監控系統的報文消息CCR_MSG，與輸送系統的接口MFC_FTS_IF，與讀寫系統的接口MFC_READ_WRITE_IF，以及與操作終端的數據接口RW_DB。
4.2 標準程序塊的時序邏輯
標準的讀寫站程序邏輯如圖4，圖中①號實線和②號虛線鏈路是程序中輸送系統與讀寫站的交換信號，主要包括輸送發給讀寫站的循環啟動FT_START信號，循環結束信號SDS_FINISHED，還有讀寫站發給輸送系統的反饋信號SDS_DFRG及輸送系統的修改及確認信號FT_DFRG；⑤號實線命令是讀寫系統的執行信號READ和WRITE；③號邏輯鏈路主要是指PLC與CCR物流跟蹤體統數據庫的報文信號REQ_D、DATA_D，④號虛線是CCR數據庫給PLC的報文應答信號DATA_P；⑥號虛線部分DATR和DATW信號是執行讀寫命令后的數據狀態，即讀出或寫入的數據包。
圖4 標準讀寫站程序邏輯
4.3 PLC程序中數據包格式
前文已經描述過電子標簽中包含四大類數據，在實際使用過程中多數情況下讀/寫站功能塊并不需要讀取標簽中的全部數據，就是由讀寫站的物理位置決定讀寫站數據接口讀取范圍的不同，這樣能有效地縮短讀取字節長度，從而節約讀取/寫入時間。對于大多數站點在運行時只提取了車身和雪橇等關鍵數據，如下圖5，這些數據都從屬于RW_DB塊，RW_DB作為PLC與操作終端的接口，除了數據信息外，還定義了操作過程中的狀態、錯誤信息，以及緊急情況的處理，包括人工輸入車身條碼、雪橇號等對話窗口。
圖5 站點提取數據
5 系統可靠性
所有應用于工業系統的技術解決方案，穩定性和可靠性都是第一決定要素，離開其一都無法體現工業應用的實際價值。統觀RFID識別系統總體結構的各個環節，影響穩定性和可靠性的主要因素有：
5.1 數據來源的可靠性
提到數據來源，對于本系統，數據來源包含三種方式：標簽源數據、操作終端手工錄入、中控室數據庫手動編輯。在系統自動運行方式下，在車間入口，RFID讀寫系統會將數據庫中的源數據寫入電子標簽，并在系統中和該雪橇綁定，在輸送系統定位準確的情況下，剔除測試車、試驗車，首點寫入的可靠性已高達千分之一。另外兩種數據錄入方式主要是在應急情況下的操作，譬如無車身信息的調試車、試驗車通過油漆車間，需要手工錄入車身信息；或者手動導入無車身信息的車，需要在數據庫定義該車的信息。人工干預的過程給數據來源的可靠性帶來風險，因此在所有讀/寫站的操作終端，粘貼了詳細的操作流程及說明，盡量減弱這個風險，從而保證系統的可靠性。
5.2 數據傳輸的可靠性、穩定性
從RFID系統結構來看，車身數據從電子標簽到中控室數據庫的雙向傳輸要經過四個環節：讀/寫站、操作終端、輸送PLC、數據服務器，其中讀/寫站采用無線電波，其可靠識別率高達99.99%，其他三個環節的數據傳輸采用10M/100M工業以太網，傳輸速度和通訊距離都是有可靠保障的，而且下層三個環節的設備都在本地，以太網連接的距離也不長，即使和中控室數據庫的通訊出現問題時，本地設備仍然可以降級運行，不影響底層數據的傳輸及設備的運行。
6 結束語
RFID系統讀寫信息可靠，誤讀率低，選用的電子標簽在高溫、酸堿等惡劣環境下運行良好，操作系統人機界面友好，操作簡便，車身跟蹤系統對全車間生產過程的指導管理功能大幅提升，有效提高生產效率。