射频识别技术在定制化产品柔性制造系统中的设计与应用*

李 帆，高 东，张玉良

(北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029)

射频识别技术在定制化产品柔性制造系统中的设计与应用*

李 帆，高 东，张玉良

(北京化工大学 信息科学与技术学院，北京 100029)

基于射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID),提出了一种定制化柔性制造系统的系统架构和设计方案。通过把定制化生产信息写入RFID标签，并借助生产线RFID模块和PLC通信的方式，利用WinCC平台，实现了柔性生产数据在RFID和生产信息系统之间的信息交互。重点对柔性生产线的RFID模块以及它的柔性信息交互进行了设计，并应用于实际系统中，实现了定制化产品在生产线上的柔性生产，具有一定研究意义和应用价值。

RFID；定制化生产；信息交互

0 引言

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID) ，又称为无线射频识别，利用无线电波或微波能量进行非接触双向通信。当贴有电子标签的待识别物料出现在读写器的读出范围内时，读写器自动以非接触的方式将电子标签内的识别信息取出，实现物料自动识别和数据交换功能。RFID系统一般由电子标签(Tag)、读写器(Reader)以及远距离收发信号的天线(Antenna)组成。将RFID技术应用到柔性制造系统中，能够把管理层中的产品定制数据、柔性生产计划、排产调度指令等信息下达到生产层，同时又能实时采集生产层的现场数据并传输到管理层，有助于管理层调整生产计划和调度安排，实现柔性生产和数字化管理，解决了传统制造业生产的产品种类单一，工艺路线固定，物料与信息脱节等诸多弊端。

目前，对RFID技术应用于柔性制造系统的研究仍处于发展阶段，Robin G Qiu将RFID技术应用于工厂系统集成中[1]，Barenji等研究了RFID应用于柔性制造系统的模型结构[2]，RV Barenji等引入多智能体结构到分布式RFID柔性制造系统中[3]，谭杰等分析和总结了RFID在制造业中的技术特点和应用模式[4]，李作海等将RFID技术应用到一套实际柔性制造系统，设计了系统硬件和软件部分[5]。本文在以上研究基础上针对RFID与柔性生产的信息交互方面进行了进一步研究，并基于柔性系统的分布式RFID架构，设计了RFID Tag变量表和柔性信息交互方案，为RFID应用到定制化产品的柔性制造系统提供了新的实现方法。

1 RFID应用于FMS的需求分析

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，FMS)由两台或两台以上加工中心或数控机床组成，并在加工自动化的基础上完成物料流和信息流的自动化，以实现柔性生产，基本组成有：信息控制系统，工件、刀具储运系统，自动化加工设备等。

FMS相较于传统自动化生产线的先进之处在于它具备柔性。将RFID技术应用于FMS中，使柔性生产信息(定制，工艺，操作，质量，时间等信息)写入RFID电子标签，有利于实现生产线柔性生产，并使生产系统更加分散，生产过程更加灵活；系统也可以通过RFID技术获得生产线产品实时信息，有利于提高生产效率，降低生产成本。同时，RFID可以与MES、ERP等系统集成，进一步为CPS(信息物理融合系统)[6]系统融合和PLM(产品生命周期管理)[7]功能扩展提供支持。

2 RFID应用于FMS系统架构方案

本文提出基于RFID的垂直分布式系统架构方案，底层的RFID采用设备级别的分布方式[4]，RFID模块直接与生产线每站主控PLC连接。

整体设计架构基于西门子PROFINET总线，分为用户层，服务层，生产层，结构如图1所示。对FMS生产线上柔性产品加入电子标签芯片，通过生产层RFID模块对生产线产品上的电子标签芯片进行读写，实现对产品的自动识别，数据交互与监控管理，构建RFID与生产层PLC、服务层MES系统的链接。

(1)生产层：各加工站主控PLC通过I/O口连接现场设备和传感器。RFID读写器和通信终端构成生产层的RFID模块，读写器可读写生产线柔性产品电子标签上的内容，通信终端通过工业以太网线连接到主控PLC。

(2)服务层：MES系统包括一系列功能模块，其中的排产模块经过排产调度运算将来自用户层的产品订单进行分解，整合，列入排产表，通过WinCC把订单产品信息通过主控PLC写入产品电子标签，并接收来自生产层的实时数据至MES系统[8]。

(3)用户层：采用B/S模式，在网页浏览器中以实时交互方式对FMS生产线进行WEB数据发布和监控[9]。网页可完成产品定制化，下订单，追踪生产线产品，历史数据显示，质量管理，统计分析等功能。

2015年1月至2017年1月我院对60例重症并发肺炎患者进行了研究分析,将患者分成了治疗组和对照组,治疗组有18例男性,12例女性,最小患者27岁,最大患者78岁。对照组有16例男性和14例女性,最小患者26岁,最大患者74岁。两组的一般性资料对比不存在统计学差异性,可以进行比较分析。

3 RFID应用于FMS技术实现方案

3.1 RFID通信

生产层控制系统包括：西门子S7-300PLC(SIEMENS CPU314C-2PNDP)，电源模块(SIEMENS PS307 5A)和工业交换机(SIEMENS XB005)，采用工业以太网PROFINET总线，控制器PN口连接RFID通信终端(SIEMENS RF180C)，RF180C通道连接读写器(SIEMENS RF240R),共同构成FMS生产线上的RFID模块，在STEP 7 V5.5环境下组态编程，实现PLC对RFID电子标签(SIEMENS MDS D424)的读写访问，系统配置如图2所示。

图2 系统配置

RFID读写器对含有电子标签的产品信息进行读写，通过通信终端与生产层PLC通信，交互信息由PLC连接PC上的WinCC集成到服务层 MES系统。在STEP7中组态RFID180C，需安装RF180CGSDML文件，设置相关工作参数，组态如图3所示。

图3 生产层RFID组态

在STEP 7进行PLC编程，调用RFID读写控制程序功能块FB45,其背景数据块为DB45,用于存储MOBY参数。DB45模块中内嵌调用DB47和DB48数据块。DB47用于存储MOBY指令，DB48用于存储要读写的数据，对应存储RFID Tag变量表中的信息[10]。

FB45是RFID识别系统功能块，PLC通过FB45与RFID识别系统进行数据交换。对RFID读写器预分配参数，并存储到参数DB块中。参数DB块通过UDT(用户数据类型)生成，UDT定义了输入参数，控制命令，过程信息，内部变量，状态和控制字，错误状态信息等。输入参数包括RF180C的逻辑地址，读写器通道号，命令DB块号，命令DB的起始地址；命令控制字所在字节为DBW18，涉及对RFID的编程，操作，状态监视等。如图4所示。

图4 DBW18命令控制字

3.2 RFID Tag变量表

根据RFID应用于FMS的需求分析，建立RFID Tag变量表。它是完成柔性信息交互，实现柔性生产的重要环节，包括订单产品ID、产品定制信息、产品生产路线信息、产品执行状态信息、产品质量信息等。在PLC的DB 48数据块中建立与之对应的变量表，使产品电子标签与PLC之间的读写信息对应，便于信息在PLC和物料电子标签间的传输。RFID Tag变量表如表1所示。

表1 RFID Tag变量表

RFID Tag变量表应用于FMS的流程步骤如下：

STEP 1：网页把订单信息(包括订单产品ID，产品定制信息等)写入数据库，MES根据订单信息、生产线产品和设备信息执行排产调度，生成产品生产的柔性信息(包括工艺路线编码，生产路线执行码等)。

STEP 2：PLC根据订单定制信息控制设备推出相应物料进入生产线。

STEP 4：物料进入生产线加工环节。

STEP 5：PLC读取电子标签RFID Tag变量表中的工艺路线编码，执行不同传输渠道和加工路径。

STEP 6：PLC读取电子标签RFID Tag变量表中的生产路线执行码，调用编码对应的PLC程序，选择不同加工刀具。

STEP 7：电子标签RFID Tag变量表中记录的产品执行状态信息、产品质量信息等写入PLC，并传输到MES。

RFID Tag变量表应用于信息交互，便于实现定制化生产，物料配送，流程管理，质量监控等功能，并满足了以下柔性生产需求：

①产品柔性：生产线可以制造不同产品，把定制信息写入产品上的RFID电子标签。②机器柔性：RFID读写产品定制信息为加工平台上刀具的使用提供选择，以完成不同加工任务。③加工路径柔性：RFID读取产品定制信息和加工信息为混线生产柔性加工路径选择提供信息。④产能柔性：RFID读写生产线产品实时数据为MES系统优化调度排产方案提供信息，调整生产率，改变产能。⑤物料运输柔性：RFID读写产品信息为生产线提供多渠道物料运输。⑥扩展柔性： RFID为系统离散化，模块化的组合，扩展提供支持。

3.3 RFID信息交互设计

RFID模块与生产层主控PLC通信，电子标签RFID Tag变量表中的信息被上传到WinCC和数据库，为服务层MES系统和用户层WEB应用提供数据，因此需要完成对PLC变量，WinCC，MySQL之间的数据交互。

对于生产层，在WinCC对变量管理添加驱动并建立TCP/IP连接；在STEP 7中，PLC的DB48模块对应存储RFID Tag变量表的变量，标记共享DB变量并编译，变量即导入到WinCC，成为WinCC外部变量，实现RFID变量与WinCC的关联[11]。

对于服务层，在ODBC管理器DSN文件安装配置MySQL-connector-odbc插件，为WinCC编写VB-Script程序连接MySQL数据库提供数据源驱动。在VB-Script中使用ADO数据访问技术，利用ADO对象访问MySQL数据库并执行SQL语句，存储信息，操作相关记录集[12]。利用ADODB.Recordset和ADODB.Command对象读写数据库数据，完成WinCC与数据库的关联。对于复杂的数据库操作，可在MySQL中编写存储过程(Stored Procedure)[13]，在WinCC编写VB-Script程序调用存储过程即可。在WinCC全局脚本建立项目模块，把以上相关VB-Script程序模块写入模块，设置动作触发器循环时间，使全局脚本开启后周期触发动作，运行项目模块中的脚本程序，在每个周期内完成生产层RFID，PLC相关变量和服务层数据库之间的数据读写。以上过程借助WinCC平台打通了数据库和RFID间的数据链，使数据信息可以在系统中双向传输。

对于用户层，采用PHP技术读写MySQL数据库，存储系统以Ibatis和JDBC相结合的方式，提供对数据的持久化支持。WEB应用采用Struts2技术框架，利用FlexAjax等技术实现网页列表，工艺流程，统计趋势报表等表现形式，可以在网页上完成工艺监控，数据实时和历史趋势，统计分析，系统管理等功能。

4 RFID在FMS的应用实例

本文将RFID技术应用到一套FMS生产系统，系统生产线的每个站有缓冲区和多条分支皮带传输，可排列组合，并行串行扩展连接，使FMS每个站的加工平台在工艺能力上相互补充或替代，实现混线生产，多线柔性生产。范例产品模拟由主件物料和配件物料装配而成，物料有多种颜色和加工方式，以一条加工路径为例，说明各站工艺流程：供料站，物流仓储站分别推出主件、配件物料，主件在传送皮带上经颜色检测，移至检测加工站的加工平台，经高度检测，多种刀具定制化加工，至自动装配站，机械臂抓取主件、配件至装配平台，装配完成后，成品至物流仓储站，再经视觉机器扫码，由抓取机构执行入库。生产线工艺流程如图5所示。

图5 FMS生产线工艺流程

该柔性制造系统采用了垂直分布式架构方案，生产线每站均有分布式RFID模块读写产品或物料上的电子标签信息。服务层的MES系统排产后把订单产品ID，产品定制信息，产品路线信息等通过PLC控制RFID模块写入主件物料上的电子标签，物料进入生产线后与每一站的RFID读写器信息交互，主控PLC根据主件物料电子标签上的柔性信息配送到不同加工站，在相同站可执行不同加工路线和加工方式，推出不同配件物料，同时把执行状态信息，质量信息等通过RFID读写器写入电子标签。生产层的现场设备，PLC，RFID等数据信息通过WinCC平台，存储到MES系统和WEB服务器的数据库。用户可以通过网页实时掌握订单产品的生产情况；查看物料配送信息，浏览柔性生产线工艺流程；查看柔性生产线的排产和调度情况；浏览质量分析的统计图和相关趋势图。部分网页页面如图6所示。

图6 网页页面

5 结束语

RFID作为一种先进的识别技术，在柔性生产、智能制造等领域提供了支持。本文分析了RFID应用于FMS的需求，在分布式RFID构架的基础上提出了新的技术实现方案，解决了生产过程的柔性实现和信息交互问题，提高了生产灵活性和生产效率，并成功运用到一套制造系统中，运行良好，实现了定制化产品的柔性生产，为RFID在FMS上的推广积累了技术经验，具有一定借鉴意义。

[1] RobinG Qiu.RFID-enabled automation in support of factory integration[J]．Robotics And Computer-Integrated Manufacturing,2007(23)：677-683.

[2] Barenji VA, Barenji VR, Hashemipour M.Structural modeling of a RFID-enabled reconfigurable architecture for a flexible manufacturing system[J].ITG-Fachbericht-Smart SysTech, 2013:1-10.

[3] RV Barenji，AV Barenji，M Hashemipour. Structural Modeling of a RFID-enabled Reconfigurable Architecture for a Flexible Manufacturing System[J]. Int J Adv Manuf Technol, 2014 (71):1773-1791.

[4] 谭杰，蒋邵岗，王启刚. 制造业中的RFID应用模式研究及实例[J].控制工程，2008(10)：36-39.

[5] 李作海,姚锡凡. 基于RFID的信息集成柔性制造系统设计研究[J].组合机床与自动化加工技术，2011(4)：14-18.

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[8] 席海峰，陈华，蹇洁. 基于RFID技术的汽车生产流程管理架构模式研究[J].组合机床与自动化加工技术，2013(11)：136-140.

[9] 孙栓柱，孙彬，周春蕾，等. 基于WEB的生产实时监控系统的研究与设计[J].制造业自动化，2013(10)：36-39.

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[13] 王雨竹，高飞. MySQL入门经典[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

TheDesignandApplicationofRFIDintheFMSofProductCustomization

LI Fan, GAO Dong, ZHANG Yu-liang

(College of Information Science & Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)

This paper puts forward a design and architecture of flexible manufacturing system on RFID technology. By means of writing the custom production information to the RFID tag, and through the communication way between RFID and PLC, using the WinCC platform, the system achieves the flexible data exchange between RFID and production information system in the production line.It focuses on the design and implication of RFID module and interaction of flexible information，making the product on the line to realize flexible，which has certain research significance and practical application value.

RFID;customizon production; information interaction

TH165;TG659

A

1001-2265(2017)12-0113-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.028

2017-03-02；

2017-04-08

国家自然科学基金资助项目(61703026)

李帆(1990—)，男，山东莱州人，北京化工大学硕士研究生，研究方向为自动化和制造系统信息化，(E-mail)lf673778861@163.com；通讯作者：高东(1982—)，男，河北保定人，北京化工大学博士，研究方向为化工过程仿真建模、化工过程诊断，(E-mail)gaodong@mail.buct.edu.cn。

(编辑李秀敏)