基于Profibus的烟丝装箱RFID应用控制系统

李钰靓，方柏杨，钱永安，袁根洪

浙江中烟工业有限责任公司杭州卷烟厂，杭州市中山南路77号310008

根据杭州卷烟厂“十一五”易地技改后生产新模式对储丝及供丝方式提出的“柔性化储丝，精细化生产”的需求［1］，各类烟丝将以箱装的形式进入物流高架库系统（入库），再根据制造执行系统的生产订单（出库）进行烟丝的自动掺配。在此过程中，物流高架库系统首先要对箱装烟丝进行产品信息识别，包括品牌代码、生产日期、生产序号、重量、含水率等产品信息。在传统的物流高架库中，普遍采用的条码识别方式存在易污染、折损、需要精确定位、对环境要求高等缺点，难以满足现代物流高架库的需求。射频识别技术（RadioFrequency Identification，RFID）是一种非接触式感应识别技术，具有读写距离长、存储容量大、速度快、效率高、可重复使用等特点，已广泛应用于各种自动化生产线、分拣系统、交通管控、安防、物流、军事等领域［2］。在烟草行业RFID技术主要应用于物流方面［3］，例如卷烟生产经营决策管理系统（一号工程系统）在2004年就采用RFID载码体作为件烟整托盘物流的信息介质，取得了良好的应用效果［4-5］，其他如片烟物流系统、滤棒高架库、辅料高架库也都逐渐开始采用RFID技术替代传统的条码识别技术。为此，将RFID作为箱装烟丝的“身份证”，设计了基于Profibus的烟丝装箱RFID应用控制系统，不仅为物流高架库提供完善的产品信息，也为后续的批次管理提供准确的生产数据。

1 烟丝装箱工作流程

烟丝装箱生产线的主要功能是将制丝线上生产的烟丝，经过衔接输送带的运输装入含盖的烟丝箱，见图1。叉车工将空烟丝箱运输到进箱位，由输送辊分别运送至两个加盖去盖位，将空箱去盖后，输送辊继续输送烟丝箱进入装箱位。烟丝箱到位后，装箱位上部倒顺输送带开始对其罐装烟丝，待罐装量达到预置重量后，倒顺输送带停止，烟丝箱重新回到加盖去盖位，加盖后分别从两个加盖去盖位进入出箱位，至此烟丝装箱生产线完成正常生产的全部动作。

2 系统设计

装箱生产线完成烟丝装箱后，就要利用RFID应用控制系统为每个烟丝箱增加一张“身份证”，以满足物流高架库的需求。在装箱生产线的加盖去盖位增加RFID控制系统后，其工作流程见图2。

图1 烟丝装箱生产线结构示意图

图2 增加RFID控制系统后装箱线工作流程图

2.1 系统结构

RFID控制系统主要由主控PLC、装箱PLC、RFID控制器以及RFID数采终端组成，见图3。其中主控PLC为西门子公司S7-400系列，支持Profibus通讯和以太网通讯；装箱PLC为西门子S7-300系列，与RFID控制器一起作为智能从站挂接到主控PLC的Profibus总线上，通过通讯编程可实现三者之间基于Profibus的S7通讯；主控PLC和RFID数采终端的以太网端口分别连接至工业以太网交换机进行数据交换，RFID数采终端可从主控PLC获得RFID控制器的工作状态，记录每条写入载码体内的信息并将其储存在后台数据库，并且具有数据查询、统计分析、打印及导出等功能。

RFID控制器采用的是德国倍加福公司的Ident识别控制系统的System Q系列，该系列产品工作频段是13.56 MHz，包含控制器、读写头及相应的载码体。其中，控制器是该系统的核心，通过Profibus协议与主控西门子S7-400 PLC无缝集成；读写头受控制器控制，按需读写载码体信息，读写距离可达18 cm，单次读写时间10 ms；RFID载码体，存储空间达2 kBit，可满足产品所有信息的存储需求，每个烟丝箱底部都装备一个载码体用于储存箱内产品的物料信息。

2.2 数据采集流程

烟丝的品牌代码、生产日期、含水率、重量等信息由主控PLC通过Profibus总线发送至RFID控制器，控制器控制读写头将该信息写入烟丝箱携带的载码体内，同时该信息又作为物流高架库系统的数据源被记录到数据库中，便于后续跟踪与追溯，满足批次管理的需要。如图4所示，在中控上位机中输入需要写入RFID载码体的品牌代码、生产日期、含水率、重量等信息，通过以太网发送到主控PLC，主控PLC获取数据后通过Profibus将该信息发送至RFID控制器，RFID数采终端通过以太网采集该信息并将每条信息转存到后台数据库。

图3 RFID控制系统结构示意图

图4 RFID应用控制系统数据流程图

3 技术实现

3.1 系统集成

由于系统采用的都是西门子产品或支持标准Profibus协议的产品，将RFID控制器和装箱设备的控制器连接到再造烟叶生产线的主控PLC上，通过西门子的编程软件Step7可以方便地进行系统集成［6］。系统集成后的硬件组态见图5，其中2个IDENT Control RFID控制器子站号20，21，作为主控PLC的标准DP从站直接挂接到主控PLC的DP主站系统（1）；而装箱PLC系统中安装的CP342-5模块（通讯卡）作为主控PLC的DP主站系统（1）的第26号子站，是主控PLC和装箱PLC之间信息交互的桥梁［7］。

3.2 数据采集

根据图4所示数据采集流程，整个数据采集子系统可分为3部分。

（1）数据采集。由于主控PLC采用的是西门子公司S7-400系列的CPU 414-2 DP，所以利用西门子公司的上位机软件Wincc进行数据采集，Wincc对其系列PLC提供驱动支持，并可通过多种渠道进行通讯。

（2）数据存储。Wincc采集到的每条写入RFID载码体内的信息，包含了每个烟丝箱的固有属性，如箱号、料箱状态等，还包含了烟丝箱内所装烟丝的生产属性，如批号、牌号、生产时间、班次、生产线、生产序号、物料净重等。利用Wincc的工业数据桥（Industrial Data Bridge，IDB），可以将Wincc从主控PLC采集到的数据记录到数据库中。IDB具有以下特点：①既可作为数据源，又可作为数据目的地；②兼容各种标准的OPC接口，可以连接由不同制造商生产的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，将过程数据存储在历史数据库内，便于数据归档；③可以将自动化层的数据连接到IT层等。

写入RFID载码体内的信息在数据采集终端上位机的后台转存过程见图6，Wincc运行系统运行后，默认开启OPC服务器，工业数据桥以该OPC服务器的数据为数据源，经过相应的编程与设置，将数据转存到数据目的地，如SQL数据库、微软Access数据库等［8］。

图6 数据转存示意图

（3）数据查询。利用可视化编程软件Delphi 6.0开发了基于历史数据库的数据查询软件，实现了按产品信息关键字进行查询、分析及统计，按时间段将数据导出到Excel及报表打印等功能。

4 结语

杭州卷烟厂再造烟叶制丝线烟丝装桶RFID应用控制系统自投入运行后，经过2个多月的测试，系统运行可靠，故障率极低，RFID载码体克服了传统纸质条码的缺点，从根本上确保了烟丝箱内烟丝信息的准确与安全，烟丝箱RFID载码体有效识别率达到了96.2%。采用RFID技术的半成品烟丝桶，所携带的RFID载码体内存储的数据为物流高架库提供了完善的入库、出库、流转及掺配所需的产品信息，并实现了数据查询、统计、分析、导出及打印等功能，满足了生产新模式以及批次管理的需求。

［1］李涛，管仲，马路.卷烟制丝生产的柔性制造初探［J］.烟草科技，2006（12）：20-22，25.

［2］章强，楼卫东，盛志芳，等.RFID在卷烟厂成品码垛系统中的应用［J］.烟草科技，2006（5）：18-21.

［3］谭仲夏.射频识别技术及其在烟草上的应用［J］.中国制造业信息化，2006，35（9）：73-76.

［4］李钰靓.RFID技术在卷烟厂物流管理中的应用［J］.硅谷，2009（17）：124.

［5］李钰靓.基于PLC的卷烟厂RFID控制系统的设计［D］.杭州：浙江工业大学，2009.

［6］Siemens automation and drives.Helping document with STEP7［G］.German：Siemens AG，2006.

［7］崔坚，李佳，杨光.西门子工业网络通讯指南［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［8］Siemens automation and drives.Helping document with industrial data bridge［G］.German：Siemens AG，2005.