西門(mén)子RFID產(chǎn)品在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)上的應(yīng)用

黃劍峰

（上汽通用汽車(chē)有限公司 上海）

Application of SIEMENS RFID Productionin Engine Assembly Line

［摘要］ 本文介紹了西門(mén)子RF300系列RFID產(chǎn)品在動(dòng)力總成裝配線(xiàn)的應(yīng)用，面對(duì)數(shù)十萬(wàn)產(chǎn)能，近百個(gè)工位、數(shù)十種機(jī)型共線(xiàn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，工程師們是如何做到精準(zhǔn)生產(chǎn)，實(shí)時(shí)物流調(diào)配，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)型無(wú)縫切換的。RFID技術(shù)在這個(gè)柔性制造系統(tǒng)中發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

［關(guān)鍵詞］ 柔性制造系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)、RFID

［Abstract］ This Paper introduces that how does SIEMENS RF300 seriesproducts help powertrain assembly linewhichhashuge production capacity,various engine models,hundreds of workstations doing collinear productionto achieveprecise production,seamless real-time model switching,stable operation of equipment.RFID technology plays a key role inthisflexiblemanufacturesystem.

［Key Words］ flexible manufacture system、engine assembly line、RFID

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)工藝的挑戰(zhàn)

為應(yīng)對(duì)燃油效率和綠色排放的高要求，發(fā)動(dòng)機(jī)不斷迭代，工藝愈發(fā)復(fù)雜，質(zhì)量要求嚴(yán)苛，這對(duì)裝配生產(chǎn)線(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。上汽通用動(dòng)力總成的NGC發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目裝配生產(chǎn)線(xiàn)頗為典型，年產(chǎn)能40萬(wàn)臺(tái)，5大機(jī)型共32種小機(jī)型共線(xiàn)生產(chǎn)，非標(biāo)設(shè)備品類(lèi)繁多，人機(jī)交互頻繁，如圖1所示。

如何保障精準(zhǔn)生產(chǎn)，實(shí)時(shí)調(diào)配物流，保證質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失；如何管理生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)備、人員與材料成了嚴(yán)峻的企業(yè)難題。

2.柔性化生產(chǎn)線(xiàn)的要求

裝配線(xiàn)，顧名思義就是將發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)零部件順序組裝起來(lái)的流水生產(chǎn)線(xiàn)。

現(xiàn)代化生產(chǎn)是一個(gè)精確的執(zhí)行過(guò)程，不同的機(jī)型對(duì)應(yīng)不同的零件，需要機(jī)型防錯(cuò)。自動(dòng)、手動(dòng)工位交織，需要標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程。每一個(gè)零件，每一顆螺栓，每一項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)都必須準(zhǔn)確記錄，數(shù)據(jù)有效、實(shí)時(shí)、可追溯、可查證，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要更多的自動(dòng)識(shí)別，每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都必須可靠、靈敏、連續(xù)和穩(wěn)定^[1]。

圖1 NGC發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)布局

要達(dá)到真正的智能制造、柔性制造，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)必須做到：

1）每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的自身信息，已完成、未完成的工作內(nèi)容及狀態(tài)必須清晰。

2）每個(gè)工位設(shè)備面對(duì)不同的機(jī)型，應(yīng)該知道需要工作的內(nèi)容、工藝流程和防錯(cuò)。

3）每個(gè)操作工面對(duì)各自工位都清楚此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品信息、工藝和防錯(cuò)點(diǎn)信息。

4）每個(gè)生產(chǎn)管理者都清楚生產(chǎn)線(xiàn)的計(jì)劃/實(shí)際產(chǎn)量、班次、機(jī)型和設(shè)備故障信息等。

3.上汽通用汽車(chē)的方案

面對(duì)這些嚴(yán)苛的要求，在實(shí)際的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中，工程師們面臨著以下的問(wèn)題：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)本體信息如何存儲(chǔ)?如何快速讀取?如何更新?

2）工位PLC面對(duì)數(shù)十種發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型的不同工藝，如何調(diào)取正確的機(jī)型參數(shù)?

3）操作工如何知道發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的信息和此時(shí)的工作內(nèi)容?

4）生產(chǎn)管理者如何收集生產(chǎn)線(xiàn)的信息?如何發(fā)布信息?

上汽通用汽車(chē)的工程師們選擇了西門(mén)子公司的Step7-300系列PLC（CPU315-2PN/DP）和Portal系列HMI（HumanMachineInterfaceTP1200）作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，這雖然解決了大部分問(wèn)題，然而現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集、傳輸及處理依舊是老大難，不少關(guān)鍵的生產(chǎn)數(shù)據(jù)因缺乏載體而難以獲取，最終被直接忽略了，這制約了產(chǎn)能的釋放。

RFID技術(shù)在這樣的行業(yè)背景下應(yīng)運(yùn)而生，作為一個(gè)關(guān)鍵的信息承載設(shè)備，它的出現(xiàn)填補(bǔ)了控制系統(tǒng)的短板，大大拓寬了人們的設(shè)計(jì)思路。

工程師們果斷采用西門(mén)子RF300系列產(chǎn)品，以此RFID設(shè)備為基石，一套完整的柔性化制造系統(tǒng)就建立起來(lái)了。上汽通用的動(dòng)力總成裝配線(xiàn)在理論設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和實(shí)際應(yīng)用中都實(shí)現(xiàn)了高度的柔性化、智能化，成為行業(yè)的開(kāi)拓者、先驅(qū)者。

二、RFID系統(tǒng)的構(gòu)成

1.RFID硬件特點(diǎn)

RFID（無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別）技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。

以西門(mén)子RF300系列產(chǎn)品為例，主要由三部分組成：電子標(biāo)簽（RF340T）、讀寫(xiě)器（RF310R）、系統(tǒng)接口模塊（RF170C）。電子標(biāo)簽用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，讀寫(xiě)器用于讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接口模塊用于讀寫(xiě)器與PC/PLC等設(shè)備的通信，包括具體的信息交互和管理，如圖2所示。

圖2 西門(mén)子RF300系列工業(yè)RFID標(biāo)簽

相較于二維碼識(shí)別只能存儲(chǔ)單個(gè)數(shù)據(jù)，RF340T電子標(biāo)簽可以存儲(chǔ)8KB或32KB的數(shù)據(jù)。RF310R支持ISO15693通信協(xié)議^［2］，讀取/寫(xiě)入速度可以高達(dá)8000bit/s，而讀寫(xiě)范圍最遠(yuǎn)可達(dá)0.2m，RF300系列產(chǎn)品的出現(xiàn)彌補(bǔ)了二維碼信息存儲(chǔ)不足的短板，令上汽通用的生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化水平上升了一個(gè)大臺(tái)階。

2.RFID控制架構(gòu)

IP67以上級(jí)別的工業(yè)化RFID電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器，可以直接暴露在工廠(chǎng)環(huán)境中，尺寸只有火柴盒大小，安裝方便。將電子標(biāo)簽裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，讀寫(xiě)器安裝在各工位的輥道上，系統(tǒng)接口模塊則組態(tài)入PLC系統(tǒng),成為PLC總線(xiàn)的一個(gè)從站點(diǎn)，如圖3所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工位時(shí)，讀寫(xiě)器可以讀取到RF340T的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接口模塊將數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC由此進(jìn)行相應(yīng)的工作，并將工作完成的結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)回系統(tǒng)接口模塊，再通過(guò)讀寫(xiě)器寫(xiě)回RF340T。

圖3 RFID系統(tǒng)架構(gòu)

3.RFID的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

RF340T電子標(biāo)簽不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的身份證，更是一份產(chǎn)品檔案。其中記錄了發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、序列號(hào)、缸體號(hào)和所在的托盤(pán)號(hào)，也包含了已完成的工作、返修記錄、調(diào)換記錄及故障分析記錄。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)線(xiàn)上的流動(dòng)，這份產(chǎn)品檔案也在實(shí)時(shí)更新。每個(gè)流經(jīng)的工位設(shè)備都可以通過(guò)PLC讀取這份產(chǎn)品檔案，獲取自己需要的信息，并將該發(fā)動(dòng)機(jī)在本工位完成的工作內(nèi)容記錄到相應(yīng)的檔案頁(yè)中去，與整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)共享。

同時(shí)，工位的PLC可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)過(guò)點(diǎn)信息傳給IT服務(wù)器。生產(chǎn)管理者可以監(jiān)控當(dāng)前各生產(chǎn)線(xiàn)上的生產(chǎn)情況，對(duì)每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的去向，狀態(tài)都清楚了然，也可以追溯產(chǎn)品的任何一個(gè)生產(chǎn)步驟，任何一個(gè)零部件信息，基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的全生命周期管理。

三、RFID的實(shí)際編程應(yīng)用

1.電子標(biāo)簽內(nèi)分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

讀寫(xiě)器讀取/寫(xiě)入電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的時(shí)間和讀取/寫(xiě)入的數(shù)據(jù)大小是線(xiàn)性關(guān)聯(lián)的，每次操作的數(shù)據(jù)量越大，需要時(shí)間越長(zhǎng)，反之亦然。通過(guò)不斷地驗(yàn)證、優(yōu)化，最終將每次讀取/寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量控制在4KB以?xún)?nèi)，RFID的讀取/寫(xiě)入耗時(shí)約500ms，既保證了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，又滿(mǎn)足了生產(chǎn)節(jié)拍。

合理設(shè)計(jì)RFID的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是邁向柔性化制造的第一步，將4KB數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。前100個(gè)bytes定義為靜態(tài)數(shù)據(jù)，上線(xiàn)工位讀寫(xiě)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)后不再變更，用于記錄發(fā)動(dòng)機(jī)EUN（EngineUniqueNumber）和托盤(pán)信息。100bytes以后的數(shù)據(jù)定義為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，用于記錄工位的工作結(jié)果，每個(gè)工位設(shè)備分配10個(gè)bytes數(shù)據(jù)空間，可以寫(xiě)入本工位的作業(yè)結(jié)果，這部分?jǐn)?shù)據(jù)可以進(jìn)行編輯，刪除等操作，如圖4所示。

分布式的數(shù)據(jù)區(qū)域各自獨(dú)立，避免了PLC系統(tǒng)的誤處理，也便于工位PLC讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程下，RFID電子標(biāo)簽內(nèi)每一塊區(qū)域數(shù)據(jù)都一一對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)實(shí)際工位，該工位的總結(jié)果，各個(gè)分任務(wù)的結(jié)果和實(shí)際數(shù)值都可以存儲(chǔ)在規(guī)劃好的區(qū)域內(nèi)。前一工位的合格結(jié)果是后一個(gè)工位的允許作業(yè)條件，工位間的順序裝配關(guān)系也通過(guò)PLC程序邏輯緊密地連接了起來(lái)。

圖4 RFID標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.PLC編程應(yīng)用中遇到的問(wèn)題

西門(mén)子公司官方為用戶(hù)提供了FC45功能塊，用于RF300系列讀寫(xiě)器的讀取/寫(xiě)入實(shí)際指令，免去了用戶(hù)獨(dú)自編程存在bug或不兼容的困擾。但在應(yīng)用過(guò)程中，由于西門(mén)子公司提供的UDT20中，執(zhí)行command是同一個(gè)bytes，如圖5所示，command為1時(shí)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，command為2時(shí)讀取數(shù)據(jù)，command為3時(shí)初始化，這就要求用戶(hù)的外部編程中command必須按照先initial，再read，再write的順序嚴(yán)格執(zhí)行，才能避免出現(xiàn)讀寫(xiě)器直接將舊數(shù)據(jù)寫(xiě)入到新RFID電子標(biāo)簽中的情況。

RFID的讀取、寫(xiě)入完成是沒(méi)有單獨(dú)的引腳輸出的，所以在PLC中需要編程來(lái)判定是否已經(jīng)讀取/寫(xiě)入完成。常用的邏輯是有讀取/寫(xiě)入開(kāi)始信號(hào)，再取Busy信號(hào)，讀取和寫(xiě)入時(shí)Ready信號(hào)會(huì)自動(dòng)復(fù)位為0，當(dāng)Ready信號(hào)再一次為1時(shí)，才表示RFID讀寫(xiě)器已經(jīng)完成了讀取/寫(xiě)入動(dòng)作。PLC邏輯中必須保障每個(gè)循環(huán)中Ready信號(hào)的采集都要有on-off-on的完整過(guò)程。

圖5 UDT20 MOBY_CMD_e數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

四、柔性化制造系統(tǒng)

1.BuildMatrix數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

工位Step7系列PLC讀取到RF340T電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)后，又如何知道當(dāng)前的機(jī)型需要做哪些工作呢?顯然，PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)也必須進(jìn)行相應(yīng)的進(jìn)化和提升了，上汽通用選擇的方案是BuildMatrix框架。

BuildMatrix框架是一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型與其相應(yīng)的PLC程序邏輯的組合，它沒(méi)有任何硬件，也不增加任何軟件，甚至都沒(méi)有一個(gè)主體對(duì)象，它只存在于各個(gè)工位的PLC程序中，散落在程序的各個(gè)邊邊角角，卻發(fā)揮著不可估量的作用。

這套隱形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在PLC程序中體現(xiàn)為一個(gè)DB數(shù)據(jù)塊（DB500），其中存放著本工位的默認(rèn)配置信息和50個(gè)機(jī)型所對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)容和防錯(cuò)要求，如圖6所示。

圖6 工位PLC中DB500數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.BuildMatrix相對(duì)應(yīng)的程序邏輯

RFID設(shè)備和BuildMatrix框架結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了“1加1大于2”的效果。PLC配置完成BuildMatrix數(shù)據(jù)塊DB500后，相應(yīng)的PLC程序邏輯如圖7所示。

圖7 工位PLC中BuildMatrix相關(guān)程序邏輯

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型參數(shù)都預(yù)設(shè)在DB500數(shù)據(jù)塊中，在識(shí)別到RF340T電子標(biāo)簽的發(fā)動(dòng)機(jī)信息后，相應(yīng)的機(jī)型參數(shù)就被調(diào)取出來(lái)，由PLC程序邏輯來(lái)保障其程序號(hào)，擰緊參數(shù)，防錯(cuò)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

3.生產(chǎn)計(jì)劃ERP系統(tǒng)

西門(mén)子RF300系列產(chǎn)品的應(yīng)用，使得上位ERP/MRP系統(tǒng)準(zhǔn)確控制車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃成為可能。ERP系統(tǒng)生成車(chē)間作業(yè)計(jì)劃，下發(fā)作業(yè)批次如圖8所示，包含機(jī)型種類(lèi)和數(shù)量信息^［3］。

裝配線(xiàn)上線(xiàn)工位PLC接收到生產(chǎn)作業(yè)批次數(shù)據(jù)后，開(kāi)始生成發(fā)動(dòng)機(jī)EUN號(hào)，并寫(xiě)入RFID電子標(biāo)簽，工位HMI也會(huì)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)批次的信息，同時(shí)PLC還會(huì)反饋給IT此時(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括缺料、堵料、故障信息和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，為當(dāng)前的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整提供依據(jù)。

五、應(yīng)用總結(jié)與體會(huì)

西門(mén)子RF300系列產(chǎn)品在上汽通用動(dòng)力總成廠(chǎng)的裝配線(xiàn)上得到了大批量的應(yīng)用，以 NGC 項(xiàng)目為例，單條裝配線(xiàn)上配有將近200套，SOP 后兩班組全產(chǎn)能生產(chǎn)兩年以來(lái)，系統(tǒng)穩(wěn)定、柔性，保障了動(dòng)力總成產(chǎn)品的順利下線(xiàn)和質(zhì)量水準(zhǔn)。

圖8 生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)流

RFID設(shè)備不能簡(jiǎn)單理解為一套電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器的總和，如果僅僅是這些，那么它只是一種比二維碼更有效的讀寫(xiě)手段而已，是無(wú)法帶來(lái)真正的生產(chǎn)力變革和提升的。

實(shí)際上，在RFID設(shè)備大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以PLC為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)得到了一次全方位的升級(jí)，BuildMatrix框架的出現(xiàn)和RFID設(shè)備相輔相成，有效地整合了現(xiàn)有的資源，優(yōu)化了整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，挖掘出了相當(dāng)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。只有這樣，RFID技術(shù)的價(jià)值才真正發(fā)揮了出來(lái)，生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)而達(dá)到了高度的柔性化，實(shí)現(xiàn)了真正的訂單化生產(chǎn)，多品種、小批量，隨時(shí)切換，零浪費(fèi)，零庫(kù)存，企業(yè)才取得了真正的規(guī)?；a(chǎn)效益。

展望未來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)，技術(shù)升級(jí)的趨勢(shì)是相當(dāng)明顯的：

1）RFID的廣泛應(yīng)用，制造、物流、倉(cāng)儲(chǔ)和銷(xiāo)售區(qū)域的數(shù)據(jù)全面打通，數(shù)據(jù)的收集、管理、分析及反饋將更加廣泛和深入，將實(shí)現(xiàn)真正的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品全周期大數(shù)據(jù)檔案，進(jìn)而演化成工業(yè)智能物聯(lián)網(wǎng)。

2）RFID設(shè)備將更可靠，更全能，數(shù)據(jù)量更大，傳輸更穩(wěn)定，單個(gè)讀寫(xiě)器可讀取多個(gè)電子標(biāo)簽等，將大幅降低設(shè)備成本，提升系統(tǒng)鋪設(shè)便利性。

3）大數(shù)據(jù)的管理方法論，分析工具的改進(jìn)將更有效地幫助工程師全程介入，實(shí)時(shí)干預(yù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和物流等過(guò)程，以提升生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率。

未來(lái)的智能制造還有相當(dāng)大的發(fā)展空間，RFID技術(shù)也扮演著越來(lái)越重要的角色，不論是產(chǎn)品自身的質(zhì)量還是對(duì)制造系統(tǒng)發(fā)揮的作用，都必然更深入和全面。企業(yè)管理者和技術(shù)人員將牢牢抓住科技潮流，共同努力，勇于創(chuàng)新，大步邁向智能化、數(shù)據(jù)化和網(wǎng)絡(luò)化。

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