基于RFID的零件加工控制系統(tǒng)的設(shè)計

王先月，潘松峰，劉鑌震，趙相博，伊永琪

(青島大學(xué) 自動化學(xué)院，山東 青島 266000)

0 引言

工業(yè)4.0是指以信息物理系統(tǒng)CPS(cyber physical system)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息高度數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為標(biāo)志，最后達(dá)到快速、有效、智能的個性化產(chǎn)品供應(yīng)[1]?！爸袊圃?025”計劃，旨在完善高端制造業(yè)布局，促使制造業(yè)向智能化、數(shù)字化方向邁進(jìn)。該計劃將智能制造作為主攻方向，加快生產(chǎn)制造過程智能化、數(shù)字化、智能物流管理等技術(shù)在生產(chǎn)中的綜合應(yīng)用，促進(jìn)制造工藝的數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制[2]。無線射頻識別技術(shù)可同時識別多個標(biāo)簽，具有讀取距離可調(diào)節(jié)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可加密、數(shù)據(jù)可重復(fù)讀寫等顯著優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的條碼識別所不具備的。同時，其還可適應(yīng)于惡劣的環(huán)境，抗干擾能力顯著。

1 加工控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)需求分析

1)加工柔性差。在汽車行業(yè)中，傳統(tǒng)螺紋攻制效率低，且同一批次的待加工零件只能攻制同一型號的螺紋，耗時耗力。

2)傳統(tǒng)加工控制系統(tǒng)的各單元之間數(shù)據(jù)傳輸困難。由于各單元之間采用的接口存在差異，匹配度低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸受限。

3)加工模塊各單元加工過程不透明。加工控制系統(tǒng)應(yīng)該及時、準(zhǔn)確地反饋待加工零件的批次、加工尺寸、加工狀態(tài)、物料消耗。

4)傳統(tǒng)加工生產(chǎn)過程加工量大，數(shù)據(jù)采集不及時，物料積壓嚴(yán)重，無法實現(xiàn)質(zhì)量的可追溯。

1.2 加工控制系統(tǒng)的工藝流程

a)RFID工作原理

RFID工作原理如下：

1)RFID閱讀器通過天線發(fā)射電磁波，并通過是否有反饋信息來判斷在磁場范圍內(nèi)是否存在電子標(biāo)簽。

2)電子標(biāo)簽到達(dá)閱讀器識別范圍之后，在電感耦合的作用下電子標(biāo)簽被激活，并對閱讀器的搜尋作出響應(yīng)。

3)閱讀器根據(jù)響應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，判斷標(biāo)簽的數(shù)量。若存在多標(biāo)簽的情況，則進(jìn)行相應(yīng)的防沖突運(yùn)算，首先識別其中一個標(biāo)簽，然后再依次處理剩余標(biāo)簽。

4)對識別的電子標(biāo)簽驗證密碼，驗證成功后進(jìn)行后續(xù)的操作。其原理如圖1所示。

圖1 RFID工作原理圖

b)加工控制系統(tǒng)工藝流程

加工控制系統(tǒng)是集RFID技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、智能控制、電氣自動化于一體的具有自律分散型的智能加工系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

RFID是實現(xiàn)智能攻制螺紋任務(wù)的核心技術(shù)，即每個零件都附有電子標(biāo)簽，加工信息都存儲在RFID標(biāo)簽中，利用閱讀器將零件的加工信息反饋給PLC控制器，通過其控制加工裝置實現(xiàn)特定的任務(wù)，將零件攻制成直徑和深度各異的螺紋。工藝流程如下：

1)智能立體倉庫物料準(zhǔn)備。總控臺下達(dá)加工任務(wù)后，智能立體倉庫分批準(zhǔn)備貼好標(biāo)簽的物料，等待AGV小車的搬運(yùn)，并隨后更新物料。

2)AGV小車搬運(yùn)下單物料。AGV開始搬運(yùn)物料，將物料送至環(huán)形生產(chǎn)線的上料機(jī)械臂位置，反復(fù)此操作，直至將所有物料搬運(yùn)完成，回到起始位置待機(jī)。

3)上料機(jī)械臂將待加工物料放置環(huán)形生產(chǎn)線的托盤上。

4)物料到達(dá)識別區(qū)。附有電子標(biāo)簽的物料到擋板處后，由擋板將物料頂起，安裝在機(jī)械臂上的閱讀器先對其進(jìn)行識別，電子標(biāo)簽被激活后，與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

5)閱讀器將數(shù)據(jù)傳至PLC總控單元。

6)上料機(jī)械臂將待加工物料送至鉆銑平臺。不同的物料到達(dá)鉆銑平臺后，在機(jī)器人的法蘭盤上安裝有4種不同型號的絲錐，實現(xiàn)不同的加工方案。

7)重新寫入新的數(shù)據(jù)。物料加工完成后，由閱讀器寫入新的數(shù)據(jù)信息，作為物料的標(biāo)識。

8)將加工的物料分批送至成品存放區(qū)。

其工藝流程如圖3所示。

圖3 加工控制系統(tǒng)工藝流程圖

1.3 RFID系統(tǒng)的組成

射頻識別通過無線電波不接觸快速信息交換和存儲技術(shù)，實現(xiàn)閱讀器與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)交互，以達(dá)到識別目標(biāo)任務(wù)的信息采集技術(shù)[3]。RFID系統(tǒng)包括閱讀器、電子標(biāo)簽、天線、應(yīng)用系統(tǒng)四部分，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。電子標(biāo)簽作為信息源附著在待識別的目標(biāo)物體上，如托盤、工件、貨架，用于記錄加工對象上的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)待加工對象隨生產(chǎn)線移動時，標(biāo)簽的作用就相當(dāng)于攜帶數(shù)據(jù)信息的載體[4]。另外閱讀器具有與外部設(shè)備(計算機(jī)、PLC、MODEM和終端等)進(jìn)行通信的功能。在這里，選用西門子1500PLC與閱讀器進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖4 射頻識別系統(tǒng)的組成

1.4 主要器件選型

閱讀器選用CK-F060型號的標(biāo)簽閱讀器，通過RS485與PLC進(jìn)行通信。PLC選用西門子S7-1500 PLC中的CPU1517-3 PN/DP型號，鑒于輸入、輸出端口的數(shù)量，還需要配置一塊DI(16×24V DC)型號的數(shù)字量輸入模塊和一塊DQ(16×24 DC)型號的數(shù)字量輸出模塊即可滿足需求。與傳統(tǒng)的MCGS上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相比較，在西門子S7-1500的環(huán)境下，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選擇西門子S7-1500自帶的型號為KTP700 Basic PN，像素為800×480的7″顯示屏，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能和人機(jī)交互。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 RFID標(biāo)簽地址分配

UID數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)由廠家設(shè)置，可讀不可寫，其地址范圍為0×0004-0×0007，一共占有8個Byte的長度。

在電子標(biāo)簽中，讀寫存儲區(qū)通過塊(Block)的方式來存儲數(shù)據(jù)，例如 0×000C-0×000D這兩個地址都屬于塊1(Block1)。用戶可用于讀寫操作的是用戶數(shù)據(jù)寄存器，其地址為0×000A-0×0041。數(shù)據(jù)地址分配如表1所示。

表1 RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)地址分配表

RFID標(biāo)簽到達(dá)讀取位置后，發(fā)送報文：02 03 00 0B 00 04 35 F8，PLC收到RFID發(fā)送的信息后，發(fā)送指令控制閱讀器讀取電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)信息，將讀取到的數(shù)據(jù)信息存入寄存器，返回給PLC。向標(biāo)簽中寫入數(shù)據(jù)，發(fā)送報文：02 10 00 0B 00 01 02 01 72 1B，PLC將數(shù)據(jù)寫入電子標(biāo)簽，寫入后若要查看數(shù)據(jù)是否寫入成功，重發(fā)報文：02 03 00 0B 00 04 35 F8即可。

數(shù)據(jù)塊和控制位的關(guān)系如表2所示，用戶數(shù)據(jù)區(qū)為只讀狀態(tài)，不能重新寫入新數(shù)據(jù)。由于需要向加工完畢之后的零件重新寫入數(shù)據(jù)，這里就不再將相應(yīng)位設(shè)置成只讀狀態(tài)。

表2 鎖定控制位與數(shù)據(jù)塊對應(yīng)關(guān)系表

2.2 RFID數(shù)據(jù)采集

1)RFID工藝流程

RFID閱讀器固定在ABB工業(yè)機(jī)器人上，物料到達(dá)后，由機(jī)械臂帶動閱讀器讀取數(shù)據(jù)。在鉆銑平臺上的機(jī)械臂法蘭盤上裝有4種不同類型的絲錐，由于螺紋要攻制成不同的直徑和深度，按照加工任務(wù)不同，執(zhí)行不同的操作。加工完成后，閱讀器對成品重新寫入數(shù)據(jù)，為成品分類做準(zhǔn)備。其工藝流程如圖5所示。

圖5 RFID工藝流程圖

2)人機(jī)接口系統(tǒng)

在識別過程中，HMI人機(jī)界面可以直觀地監(jiān)視整個狀態(tài)。其采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化硬件和軟件接口，能夠滿足用戶的人機(jī)界面需求[5]。當(dāng)待加工零件隨生產(chǎn)線到達(dá)讀取位置后，自動在顯示框內(nèi)顯示對應(yīng)的加工數(shù)據(jù)信息，將該信息發(fā)送至PLC控制單元，PLC按照顯示的數(shù)據(jù)自動下發(fā)對應(yīng)的加工任務(wù)，同時點(diǎn)亮綠色(圖6中黑色)指示燈，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。人機(jī)監(jiān)視界面如圖6所示。

圖6 HMI監(jiān)控界面

3 結(jié)語

本文通過對加工控制系統(tǒng)的設(shè)計，解決了螺紋攻制過程中效率和柔性差的問題，改變了傳統(tǒng)的加工方式，提高了零件加工的柔性度和效率，實現(xiàn)了對產(chǎn)品的追本溯源，并在統(tǒng)計和復(fù)查等方面帶來更多便捷[6]。該加工控制系統(tǒng)通過測試，能夠順利完成零件的自動識別與加工任務(wù)，加工的零件滿足工藝要求[7]，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。