工業4.0技術背景下RFID與PLC的集成應用

包曉東

(無錫技師學院,江蘇無錫 214000)

0 引言

“工業4.0”是人類歷史上的第四次工業革命,其本質就是通過數據流動自動化技術,從規模經濟轉向范圍經濟,以同質化規模化的成本,構建出異質化定制化的產業。而RFID識別技術是工業4.0的靈魂所在。

1 RFID的基本工作原理

1.1 RFID的工作原理

當標簽進入閱讀器后,接收閱讀器發出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息,或者由標簽主動發送某一頻率的信號,閱讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統進行有關數據處理[1]。

通常情況下,我們會選用PLC 作為數據處理單元,將信息數據通過IO-Link和RFID之間實現交換。在工業4.0系統中,RFID可以讀出標簽信息,通過PLC 比對標簽信息,將符合要求的工件留下進行加工,將不符合要求的工件放行,待加工完畢后,系統可以通過RFID將后續加工信息傳輸給工件,以待進行下一步工序。

1.2 RFID讀寫器的分類

RFID讀寫器主要有固定式的和手持式兩種。其中,手持式RFID讀寫器包含有低頻、高頻、超高頻、有源等幾種[2]。

2 SIMATICRF200通信模塊介紹

SIMATIC RF200是一種緊湊型、低成本的讀寫裝置,在生產輸送線中應用較為廣泛。RF200的傳輸頻率是13.56MHZ,檢測范圍最大130mm,協議是ISO15693,存儲器容量最大992字節(EEPROM)。RFID系統最大讀速度1.5KB/s,最大寫速度0.5KB/s。

發生在閱讀器和電子標簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種。

電感耦合:變壓器模型,通過空間高頻交變磁場實現耦合,依據的是電磁感應定律。電磁反向散射耦合:雷達原理模型,發射出去的電磁波,碰到目標后反射,同時攜帶回目標信息,依據的是電磁波的空間傳播規律。

2.1 讀取數據

RF200 讀取數據不是直接寫到PLC 中,而是存儲在RS232模塊的內部緩沖區中。首先PLC被通知需要接收數據,然后PLC把需要的數據從RS232模塊的緩沖區中取走。

2.2 寫入數據

寫入的數據需要快速地獨立發送,在CPU的一個掃描周期內,RS232 模塊的緩沖區中的數據將被同時發送。

2.3 通信協議

3964R 協議定義了發送和接收數據過程的控制字符和RFID報文。3964R協議報文傳輸如表1所示。

表1 3964R 傳輸協議Tab.1 3964R transmission protocol

2.4 IO-Link

IO-Link是全球首個用于與傳感器和執行器通信的標準化IO技術(IEC 61131-9),無需對電纜材料提出額外要求,常規3 線制接法即可實現強大的點對點通信。系統組件是一個IO-Link主機和一個IO-Link設備:一個傳感器、一個激勵元件或二者的結合。

3 SIMATIC RF200與西門子1500系列PLC的集成

在博途環境中,我們可以實現SIMATIC RF200 與西門子1500 PLC 的集成。本例操作過程如下。

3.1 組態

在博途軟件中新建項目,并根據實際硬件配置組態,如圖1 所示。

圖1 博圖組態Fig.1 Botu configuration

3.2 打開PCT軟件,添加對應設備

在博途環境中,打開西門子的S7 PCT軟件,用于對RFID設備進行配置。具體操作時,右鍵CM模塊,選擇啟動設備工具。完成后,添加設備如圖2 所示。

圖2 啟動設備工具Fig.2 Start the device tool

(1)根據我們需要使用到的RFID 讀寫頭的型號,選擇對應參數,如圖3所示。

圖3 添加RFIDFig.3 Add RFID

(2)選擇對應的IO-Link設備。添加RFID添加信息如圖4所示。

圖4 IO-Link 設備Fig.4 IO-Link device

3.3 配置IO-Link設備

在博途環境中,對IO-Link設備進行具體配置如下,可根據需要對起始地址和結束地址進行配置,如圖5所示。

圖5 配置IO-Link 設備Fig.5 Configure IO-Link device

3.4 下載與保存設置

選擇整個項目,點擊批量下載,這樣就對模塊已經配置好了,下載與保存設置。

3.5 程序編寫與調試

在程序編寫過程中,可首先測試RFID 內部緩存區的地址,特別是RFID設備的讀、寫控制位地址,然后通過PLC直接對該地址進行讀、寫操作,應用十分簡便。

示例要求:

將一個裝有RFID 芯片的小車放置于傳送帶上,待小車移動至RFID讀寫頭上方時,可以讀取小車的ID號和狀態信息存儲到指定位置。

(1)讀取示例程序如下。通過該程序可以將測試小車的ID信息讀取至指定位置。其中,讀取到的小車ID的地址是IW14,讀取到的小車狀態地址是IW16。如圖6所示。

圖6 RFID 讀程序Fig.6 RFID reading program

小車移動至RFID 讀寫頭上方時,也可以通過讀寫頭將小車的ID號和狀態信息寫入到指定位置。

(2)寫入示例程序如下。通過該程序可以將要求的ID號寫入小車。其中,寫入小車ID的地址是QW14,寫入小車狀態地址是QW 16。如圖7 所示。

圖7 RFID 寫程序Fig.7 RFID writing program

4 對比與應用

IO-Link版本的RF200讀寫器成本較低,與RF200及RF300相比較前者傳輸速率較慢,如果在生產過程中讀寫數據量較大時,建議使用高版本的RFID讀寫器進行處理。在工業4.0系統中,當應用RFID技術后,物料工件就可以被設備進行選擇性識別與判斷,實現智能制造。

5 結語

工業4.0技術是一個自動化集成度很高的技術,且隨著移動計算技術的不斷提高和普及,射頻識別閱讀器設計與制造的發展趨勢是將向多功能、多接口、多制式,并向模塊化、小型化、便攜式、嵌入式方向發展。很多智能系統需要能夠自動識別與判斷信息是否正確,這正是RFID在自動化生產中的重要意義,在集成應用中RFID技術正在越來越被普及應用到日常生活和工業生產中。