射頻識別技術在噴涂自動化生產線上的應用

徐 煒

（上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240）

1 引言

射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID)是一種采用射頻信號及其空間耦合傳送特性進行識別通信的技術。這是一種非接觸的數據采集手段，對于要求頻繁讀取及改變數據內容的場合尤為適用[1]。

上世紀八九十年代，隨著芯片和電子技術的提高和普及，歐洲開始率先將RFID技術應用到公路收費等民用領域。目前RFID技術在西方發達國家已大量應用于自動化生產線、門禁、公路與停車收費、身份識別、貨物跟蹤等領域，覆蓋了運輸、倉儲、加工、配送等物流全過程。例如德國寶馬公司在汽車裝配線上配有RFID系統，以保證汽車在流水線各個位置不出差錯地完成裝配任務。沃爾瑪整個物流配送使用RFID每年為其節省數十億美元的人力成本開支[2]。

本世紀初，RFID已經開始在中國進行試探性的應用。由于RFID特有的非接觸、快速識別、多點同步、多次讀寫、耐久抗污、外形多樣等優勢，該項技術很快得到我國政府的大力支持，二代身份證就是RFID在我們生活中的最典型例子。2006年6月，中國發布了《中國RFID技術政策白皮書》，標志著RFID的發展已經提高到國家產業發展戰略層面。RFID在中國的多個行業領域已經或正在逐步替代條形碼。例如作為中國重點發展產業的汽車工業，幾乎所有整車企業在生產過程中對每個車體都采用RFID卡自動識別裝置，貫穿了從沖壓、焊接、噴漆、總裝全過程。

汽車外飾塑料保險杠作為汽車主要的配套零部件需要在復雜的機器人噴涂線上進行生產制造。在以往配套車型少、顏色品種不多的經濟環境下，國內許多噴涂線采用臨時停線靠人工識別切換噴涂程序和顏色的方式進行生產。但隨著客戶提出小批量、多批次、多車型、多顏色的要求，靠人工辨識來改變生產產品模式的作業方法顯然已不能適應，因此對傳統基于人工識別的噴涂線進行自動化識別改造勢在必行。

2 問題描述

2.1 塑料保險杠噴涂自動化生產線簡介

汽車外飾塑料保險杠的生產工藝比較復雜，通常采用可編程控制器（Programmable Logic Controller,PLC）網絡和噴涂機器人進行自動化控制。以Y公司某兩層樓面分布的噴涂線為例，其工藝流程與產品生產行進方向如下:上件-前處理-機器人底漆噴涂-機器人色漆噴涂-機器人清漆噴涂-烘烤-冷卻-下件，布局如圖1、圖2所示。

(1)上件:將待噴涂塑料保險杠產品放到滑撬掛具上。

(2)前處理:通過自動水洗及擦拭對塑料件表面進行調整處理使之達到油漆噴涂所需底材附著力。

(3)底漆噴涂:通過自動噴涂機器人對保險杠表面噴涂第一層油漆，統稱底漆，起粘接促進作用。

(4)色漆噴涂:通過自動噴涂機器人對保險杠表面噴涂第二層油漆，統稱色漆，匹配車身顏色。

(5)清漆噴涂:通過自動噴涂機器人對保險杠表面噴涂第三層油漆，統稱清漆，起罩光保護作用。

(6)油漆烘烤:對噴涂好油漆的產品進行加熱烘烤，使其表面油漆固化。

(7)冷卻:對烘烤好的產品進行自然(或人工)冷卻，達到正常室溫。

(8)下件:將冷卻后的產品從滑撬掛具上取下。

2.2 人工切換產品模式存在的問題

上述圖1、圖2所示的Y公司保險杠噴涂線為一條典型的基于人工識別的噴涂線。上件工位人員按照書面計劃把對應的產品放上滑撬掛具，隨輸送鏈進入生產線，當到達底漆噴房之前由機器人操作員目視確認產品型號，并在操作臺上輸入對應的程序代碼和顏色代碼，由PLC發送給機器人執行對應噴涂軌跡，色漆噴房與清漆噴房采用同樣的方式處理。這種生產模式在產品品種少、顏色數量不多的情況下，機器人操作員每班只需停頓生產線幾次以用于操作臺輸入信息的變換。但隨著保險杠產品種類的增多、顏色數量的擴展，尤其是小批量多批次的生產需求，頻繁的人工切換暴露出諸多弊端:

(1)由于需要人工對在線產品進行辨識，因此機器人操作臺一次只能輸入一組信息，且只能在產品到達噴房前輸入。

(2)頻繁的人工信息輸入難免出現錯誤，而這些錯誤一旦發生將造成生產的故障：輕則產品報廢，重則損壞設備。

(3)無法準確獲知實時生產線上生產工件的位置狀態和工況。

(4)不同產品需要執行不同的程序，人工輸入切換過程中往往需要暫停生產。切換一次大約需要1分鐘，假如每天需要變換60次則意味著4%的產能白白損失。

3 應用RFID的解決方案

3.1 總體思路

應用RFID技術，通過在生產線上必要的位置增加自動讀寫識別裝置，讀取每輛滑撬掛具對應的生產信息，適時發送給噴涂機器人執行相關程序。

3.2 確定識別裝置的設立位置

從代替人工判別和人工輸入信息的角度出發，每個滑撬掛具上必須安裝一個RFID卡以存儲需要對該保險杠進行處理的信息，因此噴房之前必須增加一個識別器來讀出這些信息。考慮到配合實施現場生產信息化管理，在上件和下件區域也需要增加識別器。而前處理、烘道及冷卻區域對每個產品的工藝處理完全相同不存在差異性，所以該些區段無須設立識別器。生產線上需要設立識別裝置的位置見表1。

3.3 確定RFID卡需要包含的信息

按照噴涂機器人所需的工況判別條件以及PLC尋址檢索的依據，每個RFID卡需要記錄如下信息數據：

(1)生產產品的代碼:即保險杠產品代碼，該代碼將傳送給機器人，以確定對應的執行程序。

(2)是否需要底漆噴涂工序:需要進行噴涂時為1，反之為0。

(3)底漆顏色號:噴涂第一道油漆的顏色代碼，該代碼將傳送給機器人。

(4)是否需要色漆噴涂工序:需要進行噴涂時為1，反之為0。

(5)色漆顏色號:噴涂第二道油漆的顏色代碼，該代碼將傳送給機器人。

(6)是否需要清漆噴涂工序:需要進行噴涂時為1，反之為0。

(7)清漆顏色號:噴涂第三道油漆的顏色代碼，該代碼將傳送給機器人。

(8)滑撬掛具號:每輛滑撬掛具的唯一序列號，用于PLC系統的尋址判別。

3.4 相關軟硬件的工程改造

鑒于Y公司的這條噴涂線采用了基于PROFIBUS通訊協議的西門子PLC網絡和噴涂機器人，考慮到改造后的適應性，我們選取了能適應PROFIBUS通訊的讀寫識別器。按照改造設計理念安放在五個對應的位置，相關位置如圖3、圖4所示。每輛滑撬掛具安裝RFID卡，生產計劃的編輯主要依靠上位WINCC組態軟件。工程改造硬件結構示意如圖5所示，虛線框內為新增組件。

改造項目采用了P+F(倍加福)IPC系列RFID卡，其特點:

具有32位固定碼位，用作滑撬的代號編碼；

928位存儲碼位，用作讀寫操作所要執行的產品程序代碼,顏色代碼,油漆代碼,工序屏蔽代碼等；

可以適應較惡劣的生產環境,抗120度高溫,防水防油,能抵御一般的化學品腐蝕；

可重復進行寫操作100000次以上,讀操作無次數限制；

配合適當的讀寫裝置,在100mm之內有效感應；

無源(被動式)。

讀寫裝置:采用P+F(倍加福)U-P6+IPT系列,特點:

能作為遠程站通過PROFIBUS聯入PLC主站；

能同時傳輸7個雙字(每個字32位)；

工作頻率125KHZ；

配合合適的標簽100mm之內讀覆蓋,50mm之內寫覆蓋。

讀寫識別裝置由于選擇西門子控制器PROFIBUS接口，具備完整的GSD配置文件和標準接口程序。因此只需在PLC中導入這些配置文件和接口程序，即可形成通訊形式，幾乎不需要額外編寫通訊程序，只需編寫數據塊傳遞結構即可，此處不再贅述。

4 應用RFID技術進行生產控制

4.1 生產控制流程

(1)生成生產信息。由于噴涂生產線為訂單生產模式，按照批次產品的不同有不同的機器人執行程序號和顏色代碼。通常作為執行計劃，先由計劃員在生產線主控計算機的生產計劃輸入欄內輸入一個班次的計劃，一般有多個批次，該計劃實質為一批數據，每個數據包包含了產品的數量、程序代碼、顏色代碼、某道處理工序是否需要屏蔽等信息。

(2)向PLC和RFID卡輸入生產信息。每當上件完一個批次的產品后，主計劃會在上件區域更新提示線上人員需要變更產品類型，上件人員只需按照提示屏的代碼上件即可。產品被安放在運行于輸送鏈上的滑撬掛具上，每個滑撬掛具底部固定了一個RFID卡，上件區域的識別器將生產信息逐個寫入每個經過該識別器的RFID卡，同時每個信息也同步上傳給PLC的數據塊。

（3）核對生產信息。每個噴房的入口分別安裝了識別器。當滑撬掛具經過噴房入口識別器時RFID卡被閱讀，將對應生產計劃數據發送到機器人PLC，PLC將讀到的數據與之前在數據塊中的存儲數據進行比較，如果一致說明沒有錯誤，若不一致則立刻現場報警提示,由機器人操作人員判別是否需要執行。

(4)向機器人傳送生產信息。在PLC系統完成生產信息核對，確認一致后將直接把信息傳給機器人，機器人將執行相關噴涂程序。上述生產信息控制流程圖如圖6所示。

4.2 使用RFID技術的效用評估

通過上述的RFID技術應用，Y公司的噴涂生產線運作效能得到很大的提升，體現在如下方面：

(1)產品生產信息批處理功能實現。由于配合RFID同步實施的WINCC計劃，在中央監控計算機上一次可以輸入一個班次的計劃，完全消除了繁瑣的反復計劃人工輸入。無論對于生產計劃員和機器人操作員都是極大的精力解放，可以集中更多的時間處理其它生產運作事務。

(2)杜絕生產數據傳輸出錯。之前的人工輸入模式幾乎每天都會發生1-2次操作失誤，對正常的機器人工作造成極大的隱患。采用RFID卡和讀寫識別后，完全杜絕人為誤操作的可能性，加之系統內部添加的雙重比較判斷功能，更加保障了數據傳輸的準確性。在改造完成直至目前信息傳遞出錯率為零。

(3)實現不停線的程序切換。之前已經提到，在人工切換模式下每次切換必須暫停生產1分鐘左右，每天的累計切換損失時間在1小時。實現RFID功能后，程序切換完全由PLC系統執行判別，適時發送給機器人，無須停止生產。這樣節省的時間就能完全增加到生產中去，實現了生產效率的提升，變相節省了能耗，降低了單位產品的成本。

(4)實現生產工況的信息實時檢查。由于使用了RFID卡，使得每輛滑撬掛具的在線跟蹤成為可能。現場工程師和管理人員通過連接PLC計算機可以方便地獲知每輛滑撬掛具何時上件、何時進入噴涂工段、噴涂何種油漆等數據，可以在線掌握生產狀態，并及時調整作業計劃。RFID技術的應用為工廠日后的MES管理提供了堅實的基礎。

此次改造對200輛滑撬掛具加裝RFID卡，安裝5套識別讀寫裝置，并開發了相關PLC和生產計劃系統。雖然一次改造投資30萬元人民幣，但所獲得的生產效能提升卻是顯而易見的。經過實際財務成本的核算，該次改造的投資在4個月內就收回了成本。

[1]姜大立，張劍芳，王豐.現代物流裝備（修訂第二版）[M].北京：首都經濟貿易大學出版社，2008.

[2]王麗亞.物流信息系統與應用案例[M].北京：科學出版社，2007.