基于RFID技術(shù)的橫桿防撞檢測系統(tǒng)

連杰 汪建余 譚軍

摘要：全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)更換模具和端拾器，端拾器和模具必須保持唯一匹配，如果使用了錯(cuò)誤的端拾器，就會(huì)導(dǎo)致其與模具發(fā)生相撞，損壞其載體-碳纖維橫桿。因此，在更換之前，·必須檢查端拾器是否準(zhǔn)確。當(dāng)前還在依靠傳統(tǒng)的人工檢查方式，效率低，漏洞大。通過對以上問題的仔細(xì)研究，基于RFID技術(shù)和twincat技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了橫桿防撞系統(tǒng)，不僅能夠完全替代人工檢查，而且準(zhǔn)確性極高，用技術(shù)手段徹底避免了沖壓線由于端拾器錯(cuò)誤導(dǎo)致的撞桿風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：RFID;沖壓線;端拾器;橫桿;防撞系統(tǒng)

1 引言

沖壓生產(chǎn)線是沖壓車間的核心設(shè)備，能夠自動(dòng)完成拉延、整形、沖裁等沖壓工藝。生產(chǎn)線一般包含拆垛區(qū)域、壓機(jī)區(qū)域、線尾區(qū)域。主要成型過程發(fā)生在壓機(jī)區(qū)域。

板材在各序模具完成不同的成型工藝，在各序模具之間，由機(jī)械手完成板材的傳輸工作，機(jī)械手的末端是一根輕質(zhì)碳纖維橫桿，端拾器安裝在橫桿上，靠末端吸盤吸合板材。

在更換生產(chǎn)品種之前，需要預(yù)裝下套模具和端拾器，啟動(dòng)更換時(shí)自動(dòng)換入，執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)。機(jī)械手運(yùn)行的軌跡是根據(jù)不同的模具干涉性制作而成，從而決定了端拾器和模具的一一對應(yīng)關(guān)系。如果預(yù)裝了錯(cuò)誤的端拾器，運(yùn)行時(shí)會(huì)與模具干涉、相撞，導(dǎo)致碳纖維橫桿受力斷裂，其價(jià)格昂貴。避免危險(xiǎn)出現(xiàn)的唯一方法就是檢查是否正確。

然而，當(dāng)前只能依靠人工檢查，效率低下，且無法徹底避免風(fēng)險(xiǎn)，缺少一種自動(dòng)化檢查方案。針對以上問題，基于RFID的防撞檢測系統(tǒng)應(yīng)用而生。能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)裝后自動(dòng)檢測模具與端拾器是否匹配，若不匹配，發(fā)布提示信息，不僅可以代替人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢查，而且大大提高了檢查效率和準(zhǔn)確率，填補(bǔ)了沖壓生產(chǎn)線端拾器自動(dòng)化檢查的空白。

2 防撞檢測系統(tǒng)的運(yùn)行原理

基于自動(dòng)化工作流程的需要，防撞檢測系統(tǒng)包含硬件部分和軟件部分。硬件部分主要由PLC、上位機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換頭模塊、終端檢測模塊以及RFID電子芯片組成。

完整的RFID系統(tǒng)由讀寫器（Reader）、電子標(biāo)簽（Tag）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分組成[1]。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是從軟件的角度描述的。基于Visual Studio在Windows平臺(tái)上開發(fā)了軟件，依托生產(chǎn)線twincat服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)通訊和比較。類似于RFID技術(shù)在身份識別方面的應(yīng)用[2]。

端拾器上粘貼RFID電子芯片，芯片中包含端拾器的ID號、工序號和工位號，端拾器ID與模具ID一一對應(yīng)。模具和端拾器預(yù)裝后，PLC讀取其ID，twincat獲取ID后發(fā)送控制信號至RFID頭模塊，獲取端拾器信息，分別匹配ID、工序號、工位號，若匹配正確，則允許自動(dòng)更換，否則執(zhí)行報(bào)警提醒。

防撞檢測系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖1所示。

3 防撞檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

防撞系統(tǒng)的硬件主要由PLC、PC機(jī)、USB頭模塊、終端模塊以及電子標(biāo)簽組成。硬件拓?fù)淙鐖D2所示。

3.1 頭模塊的選擇和設(shè)計(jì)

頭模塊的主要功能為實(shí)現(xiàn)USB和485通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換。需要考慮其穩(wěn)定性、兼容性、傳輸速度、傳輸距離以及抗干擾性。應(yīng)用現(xiàn)場的傳輸距離約為100米，通訊電纜需要通過有強(qiáng)、弱電分布的區(qū)域，工況相對復(fù)雜，因此需要對頭模塊進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)如下：

1） 采用FT232RL主控芯片，提高響應(yīng)速度和穩(wěn)定性;

2） 集成隔離電源，替代外部供電，提升集成度;

3） 集成專用靜電防護(hù)、脈沖防護(hù)和過流防護(hù)，確保其不受其他布線干擾

3.2 終端模塊和電子標(biāo)簽選擇和設(shè)計(jì)

射頻識別技術(shù)依據(jù)其標(biāo)簽的供電方式可分為三類，即無源RFID，有源RFID，與半有源RFID[3]。在三類RFID產(chǎn)品中，無源RFID出現(xiàn)時(shí)間最早，最成熟，其應(yīng)用也最為廣泛，因?yàn)槭∪チ斯╇娤到y(tǒng)，所以無源RFID產(chǎn)品的體積可以達(dá)到厘米量級甚至更小，而且自身結(jié)構(gòu)簡單，成本低，故障率低，使用壽命較長[3]。考慮到工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，采用無源RFID檢測方式。

由于應(yīng)用場合有多種干擾源，因此選擇超高頻RFID檢測技術(shù)。與低頻檢測技術(shù)相比，其具有抗干擾性更強(qiáng)、數(shù)據(jù)交換速度更快、體積更小的特點(diǎn)[2]。

3.3 終端模塊和電子標(biāo)簽的布置

包含身份信息和位置信息的電子標(biāo)簽粘貼在端拾器固定位置，終端讀寫模塊安裝在端拾器裝夾小車上，通過專用電纜與安裝在電柜中的頭模塊通訊，實(shí)現(xiàn)提前檢測。

4 防撞檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)

防撞檢測系統(tǒng)的軟件基于Windows平臺(tái)，利用visual studio軟件開發(fā)完成，實(shí)現(xiàn)從頭模塊和twincat中分別讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)判斷，進(jìn)而將報(bào)警信息發(fā)送至PLC。

4.1 讀寫程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的讀取和寫入通過程序發(fā)送頭模塊中預(yù)置的對應(yīng)指令完成，根據(jù)不同的指令，執(zhí)行不同的讀寫動(dòng)作，獲取不同的數(shù)據(jù)。

4.2 界面開發(fā)

主要包括5個(gè)顯示區(qū)域。

COM：頭模塊通訊檢測，檢查是否正常通訊和通訊質(zhì)量;

LifeBit：生命位跳動(dòng)檢測，檢查系統(tǒng)是否掉線;

Status：系統(tǒng)狀態(tài)自檢，提示故障位置;

Data：RFID讀取數(shù)據(jù)與PLC讀取數(shù)據(jù)匹配信息;

歷史信息區(qū)：追溯軟件運(yùn)行信息和歷史記錄。

5 RFID技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場的其他應(yīng)用思考

文中提及的檢測系統(tǒng)在現(xiàn)場運(yùn)行穩(wěn)定，成功實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤安裝的預(yù)警，徹底替代了人工檢查這種相對落后的方法。避免了3次橫桿相撞風(fēng)險(xiǎn)，理論節(jié)約金額約180萬元。

RFID檢測技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在一些前端行業(yè)廣泛應(yīng)用，但是在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的案例少之又少，本文最后提供集中其他應(yīng)用方向的思考。

1） 非接觸式檢測：類似文中描述的應(yīng)用方法，工業(yè)現(xiàn)場中能夠完成自動(dòng)裝夾、更換部件的位置，可以采用低頻RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近距離檢測;

2） 被檢測對象需要包含ID、序列等信息時(shí);

3） 與工業(yè)PLC生產(chǎn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)倉儲(chǔ);

4） 安全區(qū)域權(quán)限和身份識別。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡博.射頻識別（RFID）技術(shù)的應(yīng)用[J].卷宗，2017（27）

[2]楊晶，鄭思佳.射頻識別技術(shù)與應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2016（3）.

[3]陸鋅渤.淺析射頻識別技術(shù)[J].中國新通信，2018（1）.