利用PN/PN-Coupler 提升車輛控制碼自動(dòng)讀寫成功率

李忠波，楊 旭，張建國(guó)

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林長(zhǎng)春 130000）

0 引言

每臺(tái)汽車投入生產(chǎn)前，主機(jī)廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)會(huì)為其形成自身獨(dú)有的車輛控制碼（KNR 碼或VIN 碼）[1]，這些代碼記錄的該車輛的車型、生產(chǎn)時(shí)間、配置等信息。這些信息需要在生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)讀取，供現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或人員使用[2-3]，如螺栓擰緊時(shí)選擇不同的工藝參數(shù)，人員裝配時(shí)選擇不同的零件等。傳統(tǒng)的控制碼讀取方法一般是在車輛載具上加裝RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別標(biāo)簽）[4]，利用RFID 讀寫器向數(shù)據(jù)載體寫入或讀取數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)不同線體間數(shù)據(jù)傳輸。這種方式的讀碼成功率往往受線體速度、傳輸距離、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)等因素的影響，特別是在速度快、產(chǎn)能高、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，讀碼失敗率較高（3%～4%），一般需要通過(guò)人工掃裝配單碼的方式進(jìn)行補(bǔ)讀，造成人員工時(shí)的浪費(fèi)。受車間生產(chǎn)要求的限制，往往很難輕易改變線體速度與現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線信號(hào)的頻段。因此，本文基于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸原理進(jìn)行研究，利用PN/PN-Coupler 搭建了一套全新的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)取代RFID，解決讀寫失敗的問(wèn)題。

1 RFID 與PN/PN-Coupler

1.1 RFID 基本原理

RFID 是指使用無(wú)線電波自動(dòng)識(shí)別物體或人員的技術(shù)。通常，序列號(hào)或其他與產(chǎn)品/對(duì)象相關(guān)的信息（“標(biāo)識(shí)符”）會(huì)存儲(chǔ)在微芯片上。該芯片連接到天線，使芯片能夠?qū)⑺璧淖R(shí)別信息傳輸?shù)阶x取設(shè)備。天線和芯片的組合被稱為RFID 標(biāo)簽（簡(jiǎn)稱“標(biāo)簽”）（圖1）。RFID讀寫器（簡(jiǎn)稱“讀寫器”）則創(chuàng)造了一個(gè)可激活標(biāo)簽的能量場(chǎng)。RFID 數(shù)據(jù)讀寫成功率與如下因素有關(guān)：讀寫距離；讀寫器發(fā)射功率；天線增益和波束寬度；標(biāo)簽數(shù)量；標(biāo)簽碰撞問(wèn)題的處理算法性能；標(biāo)簽粘貼物材料；標(biāo)簽移動(dòng)速度；現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾等。

圖1 RFID 讀寫器與標(biāo)簽

1.2 PN/PN-Coupler 基本原理

PN/PN-Coupler 用于連接多個(gè)Profinet 主站網(wǎng)絡(luò)或冗余子網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)IO模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換使用兩個(gè)相互對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)都有發(fā)送區(qū)域（Output）和接收區(qū)域（Input）。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送區(qū)對(duì)應(yīng)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的接收區(qū)，反之亦然。最多可實(shí)現(xiàn)1440 Byte 的輸入數(shù)據(jù)和1440 Byte 的輸出數(shù)據(jù)。不同網(wǎng)絡(luò)之間相互獨(dú)立，網(wǎng)絡(luò)故障互不干擾，實(shí)現(xiàn)完全電氣隔離。PN/PN-Coupler 工作原理如圖2 所示。

圖2 PN/PN-Coupler 工作原理

2 數(shù)據(jù)讀寫優(yōu)化方案

2.1 方案難點(diǎn)問(wèn)題及解決方法

如果要取消RFID，需解決兩個(gè)問(wèn)題：①車輛控制碼的存儲(chǔ)；②不同線體（或設(shè)備）PLC 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

針對(duì)問(wèn)題1，研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際車輛生產(chǎn)線上，RFID 讀寫器都是通過(guò)硬件組態(tài)并入線體PLC 控制系統(tǒng)中，并配有相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊用于存儲(chǔ)過(guò)程數(shù)據(jù)。車輛控制碼生成后，通過(guò)相機(jī)掃車身二維碼將控制碼傳入RFID 相應(yīng)數(shù)據(jù)塊中暫存，讀寫完成后覆蓋。因此可以通過(guò)編寫程序，直接將相機(jī)識(shí)別的控制碼存入PLC 其他緩存數(shù)據(jù)塊，形成堆棧，便可以達(dá)到保存車輛控制碼的功能。

針對(duì)問(wèn)題2，可以在不同PLC 主網(wǎng)之間加裝PN/PN-Coupler 來(lái)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)流如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)流

2.2 方案應(yīng)用

以一汽大眾某總裝車間車身輸送線（簡(jiǎn)稱“車身線”）與輪胎螺栓擰緊機(jī)（簡(jiǎn)稱“擰緊機(jī)”）之間的數(shù)據(jù)交互為例，介紹優(yōu)化方案具體應(yīng)用方法。現(xiàn)場(chǎng)車身線與擰緊機(jī)控制系統(tǒng)均采用西門子S7-300 系列PLC 控制技術(shù)。

（1）在車身線與擰緊機(jī)控制程序中，分別建立獨(dú)立的緩存數(shù)據(jù)塊（DB101），用以存放載具號(hào)與車輛控制碼。通過(guò)程序?qū)嶋H檢測(cè)該數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定。

（2）在車身線與輪胎螺栓擰緊機(jī)之間增加PN/PN-Coupler，并用PN 專用線纜連接，根據(jù)實(shí)際配置的硬件組態(tài)和PN/PN-Coupler 物理接線規(guī)則：Coupler-X1-P1 接輪胎擰緊機(jī)交換機(jī)口（SCALANCE X204-2），Coupler-X2-P1 接車身線交換機(jī)口，通過(guò)ping 方式測(cè)試網(wǎng)絡(luò)硬件連接正常。PN/PN-Coupler 硬件連接如圖4所示。

圖4 PN/PN-Coupler 硬件連接

（3）將新增耦合器插入車身線和輪胎擰緊機(jī)硬件組態(tài)內(nèi)部，根據(jù)地址占用狀態(tài)配置所需要的I/O 地址和從站地址。PN/PN-Coupler 硬件組態(tài)及地址范圍如圖5 所示。

圖5 PN/PN-Coupler 硬件組態(tài)及地址范圍

（4）更新硬件組態(tài)后，如CPU 可自動(dòng)運(yùn)行無(wú)報(bào)錯(cuò)，則打開(kāi)組態(tài)選擇編輯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)給新增硬件重新分配IP 地址和設(shè)備名，如有錯(cuò)誤，可查詢?cè)\斷緩存區(qū)查找對(duì)應(yīng)故障，有時(shí)會(huì)因新增組態(tài)硬件版本號(hào)與組態(tài)不一致報(bào)警。MAC/IP 地址分配與硬件命名如圖6 所示。

圖6 MAC/IP 地址分配與硬件命名

（5）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，明確傳輸控制碼的工位位置，通過(guò)車身輸送線定位條碼找到對(duì)應(yīng)的拓?fù)涠危≒L098）及載具號(hào)。調(diào)用車身線功能塊（FC3109）讀取該段載具號(hào)對(duì)應(yīng)的控制碼信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至緩存數(shù)據(jù)塊（DB1705），同時(shí)將其復(fù)制到車身線新建數(shù)據(jù)塊（DB101）。車身控制碼數(shù)據(jù)提取程序如圖7 所示。

圖7 車身控制碼數(shù)據(jù)提取程序

（6）車身線數(shù)據(jù)發(fā)送：將車身線數(shù)據(jù)塊（DB101）內(nèi)載具號(hào)和控制碼信息發(fā)送至PN/PN-Coupler 定義的輸出地址（QD4018 和QB4022.0）。

（7）擰緊機(jī)數(shù)據(jù)接收：通過(guò)PN/PN-Coupler 對(duì)應(yīng)的外設(shè)輸入地址（ID318，ID322，ID326）接收來(lái)自車身線發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)至擰緊機(jī)新建數(shù)據(jù)塊（DB101）。車身線與擰緊機(jī)通過(guò)PN/PN-Coupler 接口傳輸數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 PN/PN-Coupler 接口的傳輸數(shù)據(jù)

（8）調(diào)用擰緊機(jī)功能塊（SFC20）將獲取到的控制碼數(shù)據(jù)發(fā)送至擰緊服務(wù)器，獲取擰緊任務(wù)號(hào)。

2.3 效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)比方案實(shí)施前后連續(xù)5 個(gè)工作日（每日班次、排產(chǎn)均相同）內(nèi)每日自動(dòng)讀碼失敗人工掃碼次數(shù)來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化方案的實(shí)際效果（表1）。

表1 每日人工掃碼次數(shù)

從應(yīng)用效果來(lái)看，優(yōu)化方案有效解決了RFID 讀寫失敗的問(wèn)題，提升了生產(chǎn)效率。此外，方案試驗(yàn)車間現(xiàn)安裝RFID 標(biāo)簽約700 個(gè)，讀寫器約35 個(gè)。如全面使用新方案，上述硬件均可取消，同時(shí)需新增耦合器約15 個(gè)，預(yù)計(jì)節(jié)約硬件成本約465 000 元人民幣。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用PN/PN-Coupler 取代RFID 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同CPU 網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)通信，并以某總裝車間實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備為測(cè)試對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了車輛控制碼自動(dòng)流轉(zhuǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化方案能極大提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)讀寫的成功率，從而節(jié)約生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。