王冠群

（青島科技大學(xué) 自動化學(xué)院，山東 青島 266042）

小料配料系統(tǒng)集成了生產(chǎn)工藝、自動配料、機(jī)電一體、自動控制、計(jì)算機(jī)監(jiān)控和管理諸多技術(shù)，可解決橡膠、印鈔、油墨行業(yè)生產(chǎn)物料品種多、物性復(fù)雜、稱量精度要求高、生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。應(yīng)用該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化和智能化、企業(yè)科學(xué)管理、安全穩(wěn)定生產(chǎn)和節(jié)能降耗的重要手段，可提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平。

射頻識別（RFID）系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)而研發(fā)的，通常由電子標(biāo)簽（射頻標(biāo)簽）和閱讀器組成。RFID的原理是利用無線電磁波傳輸數(shù)據(jù)，并可根據(jù)不同應(yīng)用條件使用低頻、高頻、超高頻和微波等不同頻率，實(shí)現(xiàn)信息快速采集。電子標(biāo)簽記憶體是有一定格式的電子數(shù)據(jù)，常以此作為識別物品的標(biāo)識性信息。實(shí)際應(yīng)用中將電子標(biāo)簽附著在物品上，作為識別物品的電子標(biāo)記。閱讀器與電子標(biāo)簽可按約定的通信協(xié)議互傳資訊，通常由閱讀器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，電子標(biāo)簽根據(jù)收到的命令，將記憶體的標(biāo)識性數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。與條形碼技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可加密、存儲容量大和存儲信息方便更改等優(yōu)點(diǎn)，而且支持多次讀寫數(shù)據(jù)，無需重新制作標(biāo)簽，能夠識別高速移動的物體和同時讀取多個標(biāo)簽。RFID技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場潛力。

本工作研究RFID系統(tǒng)在小料配料產(chǎn)品中的應(yīng)用。

1 小料配料產(chǎn)品使用RFID系統(tǒng)的優(yōu)勢

現(xiàn)有小料配料稱量產(chǎn)品識別系統(tǒng)主要為條形碼識別系統(tǒng)，信息量小，識別率較低，容易受環(huán)境影響。RFID作為新興的識別系統(tǒng)應(yīng)用于小料配料稱量系統(tǒng)，其主要優(yōu)勢如下。

（1）生產(chǎn)信息可追溯。能夠詳細(xì)記錄產(chǎn)品的生產(chǎn)時間、生產(chǎn)地點(diǎn)和操作人員。

（2）可編程性良好。能夠從系統(tǒng)中把配方信息下載到電子標(biāo)簽中。

（3）存儲空間大。電子標(biāo)簽?zāi)軌虼鎯Υ罅康男畔ⅰ?/p>

（4）適應(yīng)性好。電子標(biāo)簽和閱讀器能夠應(yīng)用在多種極端的環(huán)境下。

（5）重復(fù)利用率高。電子標(biāo)簽可以重復(fù)讀寫10萬次，其中的信息能夠保存10年。

（6）讀取率高。每個閱讀器可一次性讀取多個標(biāo)簽。

（7）保密性強(qiáng)。電子標(biāo)簽上不顯示任何信息。

除RFID本身的特點(diǎn)之外，RFID系統(tǒng)加入到小料配料稱量系統(tǒng)中，可以增強(qiáng)識別系統(tǒng)在該生產(chǎn)線的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）物料識別。通過與物料倉儲RFID結(jié)合，在生產(chǎn)之前可以通過電子標(biāo)簽準(zhǔn)確獲取物料信息。例如物料的生產(chǎn)時間、入庫時間、入庫批號和保質(zhì)期等。結(jié)合手持掃描裝置，可有效控制物料投入的準(zhǔn)確性。

（2）采集稱量產(chǎn)品信息?？梢詫⑸a(chǎn)過程中的稱量數(shù)據(jù)寫入電子標(biāo)簽中，包括稱量物料的種類、稱量質(zhì)量、稱量時間、稱量總質(zhì)量、稱量日期、配方名稱和產(chǎn)品保質(zhì)期。與下游的RFID讀寫器配合，可以將上述信息傳遞到下游工序，輔助下游工序的生產(chǎn)。

（3）比對生產(chǎn)信息。可以通過讀寫器讀取電子標(biāo)簽中的信息，與先前的標(biāo)簽信息進(jìn)行比對，在設(shè)備運(yùn)行過程中進(jìn)行系統(tǒng)自檢，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

2 實(shí)際應(yīng)用

與輪胎生產(chǎn)廠家相比，橡膠制品廠對小料產(chǎn)品的要求更高。由于生產(chǎn)所需的小料品種較多，每種小料的稱量質(zhì)量較小，對設(shè)備的產(chǎn)量要求不高，因此半自動的小料稱量產(chǎn)品更適合橡膠制品廠。

某橡膠制品廠家有30余種小料原料，采用了多輛手推物料小車盛放人工稱量的物料。小車中的物料用完后，需要人工進(jìn)行物料補(bǔ)充，廠家要求系統(tǒng)能夠識別小車中的物料和投料包裝，從而控制物料投料的準(zhǔn)確性。原有的條形碼識別系統(tǒng)能夠很好地識別投料包裝，但是不能識別不銹鋼小車。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，識別系統(tǒng)需要對設(shè)備情況特點(diǎn)進(jìn)行識別比對，基于RFID系統(tǒng)應(yīng)用的多樣性，決定采用RFID系統(tǒng)替代條形碼識別系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

采用Allen-Bradley公司的ControlLogix系列PLC（可編程邏輯控制器）作為控制系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)與SICK公司的RFID系統(tǒng)連接，整個系統(tǒng)配置10個RFID采集點(diǎn)，用于采集手工加料的物料小車信息。采用SICK公司的卡片式高頻標(biāo)簽，該標(biāo)簽易于安裝，存儲空間為112 kb，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合對于存儲信息量的要求。每臺小車上均安裝有卡片式標(biāo)簽，用于存儲由PLC預(yù)先寫入的物料信息，在各個RFID采集點(diǎn)讀取小車上的標(biāo)簽信息，判斷該位置的物料。采用條形碼系統(tǒng)作為物料投料的識別系統(tǒng)，保證投料時小車內(nèi)為同種物料。

RFID系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示，其中RF1～RF10是系統(tǒng)上10個不同的RFID采集點(diǎn)，用于采集不同物料小車上安裝的RFID標(biāo)簽。每個采集點(diǎn)安裝一體式SICK RFID讀寫器。同時系統(tǒng)連接一個無線條形碼掃描槍，用于讀取物料投料的料包信息以進(jìn)行信息比對，保證投入物料與小車中的物料相同。10個RFID讀寫器和條形碼掃描槍通過以太網(wǎng)與ControlLogix CPU相連。

圖1 RFID系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)組成

整個手動稱量系統(tǒng)分為小車投料區(qū)和物料稱量區(qū)兩部分。

2.2.1 小車投料區(qū)

小車投料區(qū)分為投料解包區(qū)和物料小車存儲區(qū)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 小料投料區(qū)結(jié)構(gòu)示意

（1）投料解包區(qū)。通過條形碼槍讀取物料控制解包室門的開啟。

（2）物料小車存儲區(qū)。在每個小車下部安裝有RFID卡片，用于存儲每個小車內(nèi)物料的信息。

2.2.2 物料稱量區(qū)

在物料稱量區(qū)，操作人員根據(jù)配方要求，將裝滿物料的小車推到稱量位置，稱量之前通過RFID讀寫器讀取小車上RFID卡片中物料的信息，如果與需要稱量的物料相同，系統(tǒng)開始進(jìn)行手動稱量；如果物料不匹配，系統(tǒng)報(bào)警提示操作人員物料錯誤。物料稱量區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 物料稱量區(qū)結(jié)構(gòu)示意

2.3 系統(tǒng)工藝流程

整個識別系統(tǒng)分為PLC系統(tǒng)、條形碼識別系統(tǒng)和RFID系統(tǒng)3個部分，識別系統(tǒng)工藝流程如圖4所示。

圖4 識別系統(tǒng)工藝流程

2.3.1 PLC系統(tǒng)

（1）根據(jù)工藝設(shè)定，將物料信息預(yù)先寫入安裝在小車上的卡片式RFID標(biāo)簽。

（2）監(jiān)控每個RFID采集點(diǎn)，如果檢測到RFID標(biāo)簽信息，讀取標(biāo)簽信息的內(nèi)容，獲得該采集點(diǎn)位置的小車信息。

（3）讀取投料料包條形碼掃描的信息，將該信息與讀取的采集點(diǎn)物料小車的RFID信息進(jìn)行對比。如果一致，則可以進(jìn)行投料操作；如果不同，則系統(tǒng)報(bào)警，提示物料條形碼信息錯誤。

2.3.2 條形碼識別系統(tǒng)

無線條形碼槍通過RS232轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊連接到PLC系統(tǒng)上，每次條形碼掃描之后，根據(jù)不同的條形碼信息，生成ASCII字符串，PLC整理這些字符串，獲得掃描的物料信息。將這一信息同先前從各采集點(diǎn)獲得的小車的RFID信息進(jìn)行比對，如果物料信息相符，該采集點(diǎn)的投料限制裝置開啟，可以將物料投入到采集點(diǎn)位置的物料小車中。

在項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行過程中，由于卡片式標(biāo)簽直接安裝在金屬表面，而金屬干擾會造成讀寫器失靈，出現(xiàn)標(biāo)簽信息讀取錯誤或者讀取不到的現(xiàn)象。為解決此問題，在卡片標(biāo)簽和金屬安裝面之間制作了厚約10 cm的錦綸塊。安裝后，經(jīng)過測試卡片的讀寫距離超過80 mm，卡片讀取率為100%，項(xiàng)目運(yùn)行完全滿足要求，可有效預(yù)防投料錯誤。

2.3.3 RFID系統(tǒng)

RFID系統(tǒng)采用SICK的RFH620系列讀寫器，PLC系統(tǒng)通過下傳ASCII碼命令，控制讀寫器讀取和寫入標(biāo)簽信息。根據(jù)使用方法不同分為兩種讀取和寫入方式：固定標(biāo)簽內(nèi)容、觸發(fā)式讀取信息方式和可變標(biāo)簽內(nèi)容、字符串讀取信息方式。

該橡膠制品廠要求系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)定不同的標(biāo)簽信息，因此采用可變標(biāo)簽內(nèi)容、字符串讀取信息方式。PLC程序通過特殊的ASCII碼指令進(jìn)行RFID標(biāo)簽的讀取和寫入。通過“Read multiple blocks string”指令讀取標(biāo)簽中多個存儲區(qū)的字符串信息；通過“Write multiple blocks string”指令將字符串信息寫入到標(biāo)簽的多個存儲區(qū)中，最終實(shí)現(xiàn)了RFID標(biāo)簽信息的靈活設(shè)定和讀取。

3 結(jié)語

作為新型識別技術(shù)，RFID在橡膠制品生產(chǎn)等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用空間，它正在逐步取代條形碼識別系統(tǒng)成為主要的信息識別方式，同時，RFID技術(shù)的引入將增大橡膠生產(chǎn)工序間信息的傳遞量，提高信息傳遞的準(zhǔn)確率，將實(shí)際生產(chǎn)與物聯(lián)網(wǎng)有效連接。