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(chē)間布局是由一條長(zhǎng)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(shì)明顯。但它的缺點(diǎn)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(gè)性化，工廠產(chǎn)品的訂單也轉(zhuǎn)變?yōu)榕啃?、品種多、交付時(shí)間短的新特點(diǎn)。在這種情況下，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線已不能滿(mǎn)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(dú)立出來(lái)，形成一個(gè)功能模塊，該功能模塊由動(dòng)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(diǎn)：可以完成工位的工作內(nèi)容；工位的傳送速度通過(guò)電機(jī)調(diào)整；工位的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)控；可以任意移動(dòng)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(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻的方式實(shí)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。RFID 技術(shù)通過(guò)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(hào)等信息，可使生產(chǎn)制造更加自動(dòng)化、智能化，可使生產(chǎn)管理實(shí)現(xiàn)柔性化、可視化、信息化。本文以U 盤(pán)生產(chǎn)為例，利用RFID技術(shù)研究并設(shè)計(jì)了智能輸送線系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)U 盤(pán)生產(chǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量監(jiān)控、生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)看板的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

U 盤(pán)生產(chǎn)線包括坯料倉(cāng)儲(chǔ)單元、成品倉(cāng)儲(chǔ)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(cè)模塊、組裝模塊、鐳雕模塊、鐳雕檢測(cè)模塊和打包模塊共6個(gè)模塊組成，如圖1所示。

圖1 智能輸送線系統(tǒng)框圖

每個(gè)模塊組成產(chǎn)線的一個(gè)獨(dú)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(cè)模塊和鐳雕檢測(cè)模塊上還設(shè)置了視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)相應(yīng)的零件進(jìn)行外觀和尺寸的檢測(cè)。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(duì)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(pán)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R(shí)FID讀寫(xiě)器和限位開(kāi)關(guān)。在坯料倉(cāng)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(guò)輸送線各工位時(shí)，工位上的RFID 讀寫(xiě)器對(duì)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(dòng)作，并把相關(guān)的輸入寫(xiě)入RFID 標(biāo)簽中。輸送線的特點(diǎn)是每個(gè)模塊中的RFID數(shù)據(jù)都會(huì)上傳到M計(jì)算機(jī)中并保存，每個(gè)夾具上的RFID數(shù)據(jù)可以清零再進(jìn)行重復(fù)讀寫(xiě)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由6 個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊上都安裝有RFID 讀寫(xiě)器和限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)接收夾具到位信號(hào)并傳輸給PLC進(jìn)行信號(hào)處理。PLC和RFID 讀寫(xiě)器采用MODUBUSTCP協(xié)議進(jìn)行通信，并經(jīng)路由器與計(jì)算機(jī)連接。

采用西門(mén)子S7-1200PLC 系列的1215C∕DC∕DC∕DC 的PLC，該P(yáng)LC 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(hù)端或服務(wù)器。

采用思谷SG-HR-I5 讀寫(xiě)器，它是一款一體式的高頻RFID 讀寫(xiě)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(jì)

3.1 RFID 通信模塊

西門(mén)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(xiě)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。MODBUS-TCP 通信的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)客戶(hù)機(jī)與服務(wù)機(jī)之間基于MODBUS 請(qǐng)求、證實(shí)、指示、響應(yīng)4 個(gè)類(lèi)型報(bào)文進(jìn)行通信[2]。

選取RFID 讀寫(xiě)器為服務(wù)端，PLC 為客戶(hù)端。調(diào)用PLC 中兩個(gè)MODBUS TCP 客戶(hù)端（MB_CLIENT）指令，設(shè)置成塊后與RFID讀寫(xiě)器通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一個(gè)用于讀取RFID 的信號(hào)，如圖3 所示的讀模塊，另一個(gè)用于把信息寫(xiě)入RFID讀寫(xiě)器中，如圖4所示的寫(xiě)模塊。

RFID 讀模塊和RFID 寫(xiě)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(shí)不盡相同，如下所示。

（1）引腳REQ 用于給RFID 讀寫(xiě)器發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，用#RFID_R和#RFID_W分別控制讀和寫(xiě)的請(qǐng)求。

（2）引腳DISCONNECT 用于創(chuàng)建與RFID 讀寫(xiě)器的連接，用#RFID_CON 控制，當(dāng)#RFID_CON=0 時(shí)為建立連接，#RFID_CON=1時(shí)為終止連接。

（3） 引 腳#IP_OCTET_1～#IP_OCTET_4 用 于 設(shè) 置RFID讀寫(xiě)器的網(wǎng)絡(luò)地址。

（4）引腳MB_MODE 為0 時(shí)，模塊請(qǐng)求為讀模式；MB_MODE為1時(shí)，模塊請(qǐng)求寫(xiě)模式。

（5）引腳MB_DATA_ADDR 為存儲(chǔ)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的首地址，讀和寫(xiě)模塊都為400001。

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

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

該智能輸送線系統(tǒng)采用了6 個(gè)RFID 讀寫(xiě)器，每個(gè)讀寫(xiě)器作為客戶(hù)端都執(zhí)行讀和寫(xiě)的操作，讀寫(xiě)操作可以集成在一個(gè)塊中，如圖5 所示。#RFID 通信塊_1 是第1 個(gè)RFID 讀寫(xiě)器的模塊，該模塊中，192.168.8.21 是讀寫(xiě)器的網(wǎng)絡(luò)地址，#B1_RFID_R和#B1_RFID_W 分別控制讀和寫(xiě)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(chǔ)了讀和寫(xiě)的內(nèi)容。#RFID 通信塊_2 是第2 個(gè)RFID 讀寫(xiě)器的模塊，192.168.8.22 是讀寫(xiě)器的網(wǎng)絡(luò)地址，其他引腳參數(shù)設(shè)置和第1個(gè)模塊一致。由于西門(mén)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(gè)RFID 開(kāi)始，再到第2個(gè)RFID結(jié)束。同理，可以做出余下4個(gè)RFID讀寫(xiě)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(xiě)器完成讀寫(xiě)功能后，由PLC 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。PLC 采用了SCL 語(yǔ)言進(jìn)行編程，在編程時(shí)，主要使用IF...THEN∕FOR∕WHILE 語(yǔ)句來(lái)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(shí)現(xiàn)邏輯判斷等。SCL語(yǔ)言編程最大的優(yōu)勢(shì)是便于數(shù)據(jù)管理和數(shù)學(xué)計(jì)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?cái)?shù)據(jù).自動(dòng)訂單完成=0 AND"通信數(shù)據(jù)".主控?cái)?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(cè)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(cè)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?cái)?shù)據(jù).RFID1寫(xiě)完成=1 THEN

FOR#清除寫(xiě)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器:=1 TO 8 DO ∕∕寫(xiě)完成清除寫(xiě)數(shù)據(jù)

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

END_FOR;

END_IF

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需注意以下4 點(diǎn)，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(gè)工位的RFID讀寫(xiě)器完成一次讀取后，讀寫(xiě)器的通信數(shù)據(jù)次數(shù)加1，用來(lái)統(tǒng)計(jì)該工位完成零件的數(shù)量；每個(gè)工位完成所有動(dòng)作后，RFID 讀寫(xiě)器的通信數(shù)據(jù)清零，等待下一次的讀寫(xiě)作用。

（2）在加工檢測(cè)模塊中，用“通信數(shù)據(jù)".RFID數(shù)據(jù).B2_W[4]”地址來(lái)存儲(chǔ)檢測(cè)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(cè)模塊中，用“通信數(shù)據(jù)".RFID數(shù)據(jù).B5_W[7]”地址來(lái)存儲(chǔ)檢測(cè)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?cái)?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(gè)RFID 讀寫(xiě)器進(jìn)行IP 地址分配。它們的IP 地址段號(hào)要保持一致，系統(tǒng)為PLC 分配的地址為192.168.8.1，RFID 讀寫(xiě)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(shí)時(shí)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(gè)RFID 讀寫(xiě)器讀取了信號(hào)，則B1_R[1]的監(jiān)視者變?yōu)?，否則為0，當(dāng)?shù)?個(gè)RFID 讀寫(xiě)器寫(xiě)入了信號(hào)，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(cè)過(guò)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(guò)統(tǒng)計(jì)U 盤(pán)生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)模塊的生產(chǎn)狀態(tài)。如圖8 所示，訂單數(shù)量是5個(gè)時(shí)，完成數(shù)量4個(gè)，完成率為80%，在數(shù)據(jù)看板上會(huì)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(gè)產(chǎn)品已完成了前3 個(gè)工位的作業(yè)，正處在第4個(gè)工位即鐳雕模塊階段。

圖8 U盤(pán)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了智能輸送線系統(tǒng)，通過(guò)RFID技術(shù)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作，采用MODBUS-TCP 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)RFID讀寫(xiě)器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。通過(guò)該系統(tǒng)，可以了解訂單完成的進(jìn)度，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品在每個(gè)模塊的完成情況。該系統(tǒng)可存儲(chǔ)6 個(gè)模塊的數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)量大；可實(shí)現(xiàn)6 個(gè)模塊同時(shí)識(shí)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(xiě)RFID讀寫(xiě)器，使用壽命長(zhǎng)。該輸送線模塊各自獨(dú)立，分別完成相應(yīng)的工作，通過(guò)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(dòng)化生產(chǎn)線的改造升級(jí)，為智能數(shù)字化生產(chǎn)工廠奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。