射频识别系统在小料配料产品中的应用

王冠群

（青岛科技大学 自动化学院，山东 青岛 266042）

小料配料系统集成了生产工艺、自动配料、机电一体、自动控制、计算机监控和管理诸多技术，可解决橡胶、印钞、油墨行业生产物料品种多、物性复杂、称量精度要求高、生产环境污染严重等问题。应用该系统是实现生产过程自动化和智能化、企业科学管理、安全稳定生产和节能降耗的重要手段，可提高生产设备的自动化水平。

射频识别（RFID）系统是基于RFID技术而研发的，通常由电子标签（射频标签）和阅读器组成。RFID的原理是利用无线电磁波传输数据，并可根据不同应用条件使用低频、高频、超高频和微波等不同频率，实现信息快速采集。电子标签记忆体是有一定格式的电子数据，常以此作为识别物品的标识性信息。实际应用中将电子标签附着在物品上，作为识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传资讯，通常由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的命令，将记忆体的标识性数据回传给阅读器。与条形码技术相比，RFID技术具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签数据可加密、存储容量大和存储信息方便更改等优点，而且支持多次读写数据，无需重新制作标签，能够识别高速移动的物体和同时读取多个标签。RFID技术拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。

本工作研究RFID系统在小料配料产品中的应用。

1 小料配料产品使用RFID系统的优势

现有小料配料称量产品识别系统主要为条形码识别系统，信息量小，识别率较低，容易受环境影响。RFID作为新兴的识别系统应用于小料配料称量系统，其主要优势如下。

（1）生产信息可追溯。能够详细记录产品的生产时间、生产地点和操作人员。

（2）可编程性良好。能够从系统中把配方信息下载到电子标签中。

（3）存储空间大。电子标签能够存储大量的信息。

（4）适应性好。电子标签和阅读器能够应用在多种极端的环境下。

（5）重复利用率高。电子标签可以重复读写10万次，其中的信息能够保存10年。

（6）读取率高。每个阅读器可一次性读取多个标签。

（7）保密性强。电子标签上不显示任何信息。

除RFID本身的特点之外，RFID系统加入到小料配料称量系统中，可以增强识别系统在该生产线的应用，实现以下功能。

（1）物料识别。通过与物料仓储RFID结合，在生产之前可以通过电子标签准确获取物料信息。例如物料的生产时间、入库时间、入库批号和保质期等。结合手持扫描装置，可有效控制物料投入的准确性。

（2）采集称量产品信息。可以将生产过程中的称量数据写入电子标签中，包括称量物料的种类、称量质量、称量时间、称量总质量、称量日期、配方名称和产品保质期。与下游的RFID读写器配合，可以将上述信息传递到下游工序，辅助下游工序的生产。

（3）比对生产信息。可以通过读写器读取电子标签中的信息，与先前的标签信息进行比对，在设备运行过程中进行系统自检，提高生产质量。

2 实际应用

与轮胎生产厂家相比，橡胶制品厂对小料产品的要求更高。由于生产所需的小料品种较多，每种小料的称量质量较小，对设备的产量要求不高，因此半自动的小料称量产品更适合橡胶制品厂。

某橡胶制品厂家有30余种小料原料，采用了多辆手推物料小车盛放人工称量的物料。小车中的物料用完后，需要人工进行物料补充，厂家要求系统能够识别小车中的物料和投料包装，从而控制物料投料的准确性。原有的条形码识别系统能够很好地识别投料包装，但是不能识别不锈钢小车。根据实际生产需要，识别系统需要对设备情况特点进行识别比对，基于RFID系统应用的多样性，决定采用RFID系统替代条形码识别系统。

2.1 系统软件架构

采用Allen-Bradley公司的ControlLogix系列PLC（可编程逻辑控制器）作为控制系统，通过以太网与SICK公司的RFID系统连接，整个系统配置10个RFID采集点，用于采集手工加料的物料小车信息。采用SICK公司的卡片式高频标签，该标签易于安装，存储空间为112 kb，能够满足大多数应用场合对于存储信息量的要求。每台小车上均安装有卡片式标签，用于存储由PLC预先写入的物料信息，在各个RFID采集点读取小车上的标签信息，判断该位置的物料。采用条形码系统作为物料投料的识别系统，保证投料时小车内为同种物料。

RFID系统的架构如图1所示，其中RF1～RF10是系统上10个不同的RFID采集点，用于采集不同物料小车上安装的RFID标签。每个采集点安装一体式SICK RFID读写器。同时系统连接一个无线条形码扫描枪，用于读取物料投料的料包信息以进行信息比对，保证投入物料与小车中的物料相同。10个RFID读写器和条形码扫描枪通过以太网与ControlLogix CPU相连。

图1 RFID系统架构

2.2 系统组成

整个手动称量系统分为小车投料区和物料称量区两部分。

2.2.1 小车投料区

小车投料区分为投料解包区和物料小车存储区，结构如图2所示。

图2 小料投料区结构示意

（1）投料解包区。通过条形码枪读取物料控制解包室门的开启。

（2）物料小车存储区。在每个小车下部安装有RFID卡片，用于存储每个小车内物料的信息。

2.2.2 物料称量区

在物料称量区，操作人员根据配方要求，将装满物料的小车推到称量位置，称量之前通过RFID读写器读取小车上RFID卡片中物料的信息，如果与需要称量的物料相同，系统开始进行手动称量；如果物料不匹配，系统报警提示操作人员物料错误。物料称量区结构如图3所示。

图3 物料称量区结构示意

2.3 系统工艺流程

整个识别系统分为PLC系统、条形码识别系统和RFID系统3个部分，识别系统工艺流程如图4所示。

图4 识别系统工艺流程

2.3.1 PLC系统

（1）根据工艺设定，将物料信息预先写入安装在小车上的卡片式RFID标签。

（2）监控每个RFID采集点，如果检测到RFID标签信息，读取标签信息的内容，获得该采集点位置的小车信息。

（3）读取投料料包条形码扫描的信息，将该信息与读取的采集点物料小车的RFID信息进行对比。如果一致，则可以进行投料操作；如果不同，则系统报警，提示物料条形码信息错误。

2.3.2 条形码识别系统

无线条形码枪通过RS232转以太网模块连接到PLC系统上，每次条形码扫描之后，根据不同的条形码信息，生成ASCII字符串，PLC整理这些字符串，获得扫描的物料信息。将这一信息同先前从各采集点获得的小车的RFID信息进行比对，如果物料信息相符，该采集点的投料限制装置开启，可以将物料投入到采集点位置的物料小车中。

在项目的实际运行过程中，由于卡片式标签直接安装在金属表面，而金属干扰会造成读写器失灵，出现标签信息读取错误或者读取不到的现象。为解决此问题，在卡片标签和金属安装面之间制作了厚约10 cm的锦纶块。安装后，经过测试卡片的读写距离超过80 mm，卡片读取率为100%，项目运行完全满足要求，可有效预防投料错误。

2.3.3 RFID系统

RFID系统采用SICK的RFH620系列读写器，PLC系统通过下传ASCII码命令，控制读写器读取和写入标签信息。根据使用方法不同分为两种读取和写入方式：固定标签内容、触发式读取信息方式和可变标签内容、字符串读取信息方式。

该橡胶制品厂要求系统能够根据生产工艺设定不同的标签信息，因此采用可变标签内容、字符串读取信息方式。PLC程序通过特殊的ASCII码指令进行RFID标签的读取和写入。通过“Read multiple blocks string”指令读取标签中多个存储区的字符串信息；通过“Write multiple blocks string”指令将字符串信息写入到标签的多个存储区中，最终实现了RFID标签信息的灵活设定和读取。

3 结语

作为新型识别技术，RFID在橡胶制品生产等领域有很大的应用空间，它正在逐步取代条形码识别系统成为主要的信息识别方式，同时，RFID技术的引入将增大橡胶生产工序间信息的传递量，提高信息传递的准确率，将实际生产与物联网有效连接。