基于RFID技术的横杆防撞检测系统

连杰 汪建余 谭军

摘要：全自动冲压生产线能够实现自动更换模具和端拾器，端拾器和模具必须保持唯一匹配，如果使用了错误的端拾器，就会导致其与模具发生相撞，损坏其载体-碳纤维横杆。因此，在更换之前，·必须检查端拾器是否准确。当前还在依靠传统的人工检查方式，效率低，漏洞大。通过对以上问题的仔细研究，基于RFID技术和twincat技术设计开发了横杆防撞系统，不仅能够完全替代人工检查，而且准确性极高，用技术手段彻底避免了冲压线由于端拾器错误导致的撞杆风险。

关键词：RFID;冲压线;端拾器;横杆;防撞系统

1 引言

冲压生产线是冲压车间的核心设备，能够自动完成拉延、整形、冲裁等冲压工艺。生产线一般包含拆垛区域、压机区域、线尾区域。主要成型过程发生在压机区域。

板材在各序模具完成不同的成型工艺，在各序模具之间，由机械手完成板材的传输工作，机械手的末端是一根轻质碳纤维横杆，端拾器安装在横杆上，靠末端吸盘吸合板材。

在更换生产品种之前，需要预装下套模具和端拾器，启动更换时自动换入，执行生产任务。机械手运行的轨迹是根据不同的模具干涉性制作而成，从而决定了端拾器和模具的一一对应关系。如果预装了错误的端拾器，运行时会与模具干涉、相撞，导致碳纤维横杆受力断裂，其价格昂贵。避免危险出现的唯一方法就是检查是否正确。

然而，当前只能依靠人工检查，效率低下，且无法彻底避免风险，缺少一种自动化检查方案。针对以上问题，基于RFID的防撞检测系统应用而生。能够实现预装后自动检测模具与端拾器是否匹配，若不匹配，发布提示信息，不仅可以代替人工作业，实现自动化检查，而且大大提高了检查效率和准确率，填补了冲压生产线端拾器自动化检查的空白。

2 防撞检测系统的运行原理

基于自动化工作流程的需要，防撞检测系统包含硬件部分和软件部分。硬件部分主要由PLC、上位机、协议转换头模块、终端检测模块以及RFID电子芯片组成。

完整的RFID系统由读写器（Reader）、电子标签（Tag）和数据管理系统三部分组成[1]。数据管理系统是从软件的角度描述的。基于Visual Studio在Windows平台上开发了软件，依托生产线twincat服务器，实现RFID数据与PLC数据通讯和比较。类似于RFID技术在身份识别方面的应用[2]。

端拾器上粘贴RFID电子芯片，芯片中包含端拾器的ID号、工序号和工位号，端拾器ID与模具ID一一对应。模具和端拾器预装后，PLC读取其ID，twincat获取ID后发送控制信号至RFID头模块，获取端拾器信息，分别匹配ID、工序号、工位号，若匹配正确，则允许自动更换，否则执行报警提醒。

防撞检测系统的运行原理如图1所示。

3 防撞检测系统的硬件设计

防撞系统的硬件主要由PLC、PC机、USB头模块、终端模块以及电子标签组成。硬件拓扑如图2所示。

3.1 头模块的选择和设计

头模块的主要功能为实现USB和485通讯协议的转换。需要考虑其稳定性、兼容性、传输速度、传输距离以及抗干扰性。应用现场的传输距离约为100米，通讯电缆需要通过有强、弱电分布的区域，工况相对复杂，因此需要对头模块进行特殊设计，其特点如下：

1） 采用FT232RL主控芯片，提高响应速度和稳定性;

2） 集成隔离电源，替代外部供电，提升集成度;

3） 集成专用静电防护、脉冲防护和过流防护，确保其不受其他布线干扰

3.2 终端模块和电子标签选择和设计

射频识别技术依据其标签的供电方式可分为三类，即无源RFID，有源RFID，与半有源RFID[3]。在三类RFID产品中，无源RFID出现时间最早，最成熟，其应用也最为广泛，因为省去了供电系统，所以无源RFID产品的体积可以达到厘米量级甚至更小，而且自身结构简单，成本低，故障率低，使用寿命较长[3]。考虑到工业现场的复杂性，采用无源RFID检测方式。

由于应用场合有多种干扰源，因此选择超高频RFID检测技术。与低频检测技术相比，其具有抗干扰性更强、数据交换速度更快、体积更小的特点[2]。

3.3 终端模块和电子标签的布置

包含身份信息和位置信息的电子标签粘贴在端拾器固定位置，终端读写模块安装在端拾器装夹小车上，通过专用电缆与安装在电柜中的头模块通讯，实现提前检测。

4 防撞检测系统的软件开发

防撞检测系统的软件基于Windows平台，利用visual studio软件开发完成，实现从头模块和twincat中分别读取数据进行比较，实现判断，进而将报警信息发送至PLC。

4.1 读写程序设计

数据的读取和写入通过程序发送头模块中预置的对应指令完成，根据不同的指令，执行不同的读写动作，获取不同的数据。

4.2 界面开发

主要包括5个显示区域。

COM：头模块通讯检测，检查是否正常通讯和通讯质量;

LifeBit：生命位跳动检测，检查系统是否掉线;

Status：系统状态自检，提示故障位置;

Data：RFID读取数据与PLC读取数据匹配信息;

历史信息区：追溯软件运行信息和历史记录。

5 RFID技术在工业现场的其他应用思考

文中提及的检测系统在现场运行稳定，成功实现错误安装的预警，彻底替代了人工检查这种相对落后的方法。避免了3次横杆相撞风险，理论节约金额约180万元。

RFID检测技术已经相当成熟，在一些前端行业广泛应用，但是在工业现场应用的案例少之又少，本文最后提供集中其他应用方向的思考。

1） 非接触式检测：类似文中描述的应用方法，工业现场中能够完成自动装夹、更换部件的位置，可以采用低频RFID技术，实现近距离检测;

2） 被检测对象需要包含ID、序列等信息时;

3） 与工业PLC生产数据交互，实現全自动仓储;

4） 安全区域权限和身份识别。

参考文献：

[1]胡博.射频识别（RFID）技术的应用[J].卷宗，2017（27）

[2]杨晶，郑思佳.射频识别技术与应用[J].数字通信世界，2016（3）.

[3]陆锌渤.浅析射频识别技术[J].中国新通信，2018（1）.