RFID在汽车装配中应用研究及其进展

屈 波

(重庆工业职业技术学院，重庆 401120)

0 引言

随着经济全球化的发展，市场竞争不断加剧，这就要求各汽车制造企业不断降低生产成本，提高产品质量，以此在市场竞争中占据有利位置。另一方面，消费需求越来越多样化、个性化，这对于汽车制造企业既是个机遇又是个挑战。需求的的多样化就要求装配过程的多样化，要求一条装配线能装配出多种（甚至可达上百种）不同配置的车型。这使得装配过程中零部件的供应、识别和搬运等工作显得十分繁琐，传统的装配方式很难满足市场多样化、多变的需求。新兴的无线射频识别技术（RFID）给多样化装配过程的自动化提供了可能。

无线射频识别技术(RFID )是一种使用射频通信实现的非接触式自动识别技术，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID被认为是21世纪最重要的技术之一，其发展和广泛应用将对汽车装配过程产生革命性影响。

1 RFID系统构成及技术原理

目前，常见的自动识别技术包括了条码技术、射频识别技术、磁卡识别技术、生物统计识别技术、光学字符识别、机器视觉识别、磁性墨迹识别等。但是RFID技术具有非接触、远距离、大容量、抗污染、智能化和可读可写等其他自动识别技术无法比拟的优势。

射频识别系统通常由电子标签、读写器和计算机通信网络三部分组成（如图1所示）。

图1 RFID系统构成

1）电子标签：又称数据载体、载码体，电子标签内记录着被识别的物体的相关信息，通常固定在被识别的物体上，在制造企业许多情况下被固定在托盘上记录托盘所放物体的信息，可以通过读写器以非接触的方式读取/写入数据。

2）读写器：又称读写头，是可以利用射频技术读写电子标签内信息的设备。通常与上位机（PLC或PC）相连接，受上位机控制，读出的数据返回给上位机进行相应的处理。

3）计算机网络：在射频系统中计算机网络常用于对数据进行管理，完成通讯传输功能。读写器可以通过标准化接口（RS232、DeviceNet等）与计算机通信网络连接。

RFID技术的工作原理：电子标签进入读写器产生的磁场后，读写器发出射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签），读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理[1]。

2 国内外RFID在汽车装配中应用研究现状

对于RFID技术的研究主要涉及到射频芯片、电子标签、天线和基带系统等硬件的研发；射频数据的完整性和安全性，射频识别过程的碰撞与防碰撞算法研究研究；RFID技术的标准化；RFID在具体的行业中应用研究等方面。

2.1 国外研究与应用现状

RFID在国外的研究起步较早，目前已有许多成熟的应用。在芯片、标签、天线、射频模块和基带系统等组成RFID系统的各个方面都有较为深入的研究，形成了一套RFID特有的理论体系。目前己形成一系列的标准或草案，包括用十物品管理的ISO18000系列标准，该标准定义了从低频到高频工作时的一系列要求。

RFID产业方面，TI, Intel等美国集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。Symbol公司等已经研发出同时可以识别条形码和射频标签的读写器。IBM, Microsoft和HP公司等也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID的应用。欧洲的Phillips, ST微电子公司在积极开发廉价RFID芯片;Checkpoint公司在开发支持多系统的RFID识别系统;Nokia公司在开发能够基于RFID的移动电话购物系统;SAP公司则在积极开发支持RFID的企业应用管理软件。

Vasile GĂITAN等人建立了基于RFID控制的高度复杂的并且能与OPC服务器智能连接来实现类似于中心调度的功能。所开发的系统能够满足大批量的用户要求的产品生产过程的监控[2]。

Kenneth T.C.Poon等人鉴于条码监控技术并不能解决生产过程中潜在的关键问题，及效率低、成本较高等缺点，开发了基于RFID的实时制造过程风险管理系统：一个RFID集成方案，不仅能标识生产过程中的潜在问题，还能给出建议解决方案来应对这些问题。提及的风险管理系统集成了RFID和以规则为基础的技术推理（RBR）与风险管理的概念来帮助监视车间操作[3]。

在德国，世界最大的汽车零部件供应商之一ThyssenKrup公司实施了包括数据自动采集、物品追踪和物品管理等方面的基于RFID的汽车零部件追踪整体解决方案。著名的汽车涂装烘干设备制造商Durr Systems公司，利用RFID系统来控制喷涂机器人和浸泡车间，实现了高度灵活的生产控制系统，使这家总部位于斯图加特的公司获得了很大成功:世界上百分之六十的涂装车间来自于该公司[4]。

宝马集团位于慕尼黑的一个工厂成功地把RFID技术应用在其生产线上：不同的包装袋内分别装入导线束先，每个包装袋中都缝入一个带有112byte数据存储器的RFID标签并事先由供货商根据所有数据进行处理。标签周围采用坚固的材料加以保护可以多次重复使用。货物到达宝马工厂后，验货、仓储和进入生产区域等过程都可以通过核对标签内的数据，确保将正确的导线束安装于正确的车辆上。宝马汽车基于用户提出的要求而生产，用户可从上万种内外部选项中设定自己的汽车颜色和发动机型号及轮胎式样等，这样一条汽车装配流水线上就得装配上百种式样的宝马汽车，宝马公司使用带有汽车详细要求的可重复使用的RFID标签，并在每个工作点处配有读写器，可保证流水线各位置能毫不出错地装配。

在英国，中央政府大力资助在零部件供应商与路虎装配厂间应用RFID追踪汽车零部件的项目，捷豹汽车开始采用RFID来提高零部件供应效率。

日本丰田南非Burnaston公司在其生产线中添加了RFID设备，用于生产过程的信息的自动采集与可视化。工人可以使用固定或手持读写器向运输小车上面安装的电子标签写入数据，以记录产品的型号、颜色、装配信息等等。而且如果生产过程中出现写入错误或漏写等情况时，可以手动写入以保证生产的连续性[5]。本田汽车在其意大利和英国的公司采用了RFID对生产全程监视。

美国福特公司为了严格控制Essex发动机厂年产约70万台发动机的生产质量，需要一套自动化数据采集系统来实现信息的可视化，及时发现问题，确保产品质量。利用RFID技术可以实现上述要求，在大约2000道工序的处理过程中，表明“通过或失败”的制造过程数据将被写入电子标签。福特Essex发动机厂使用了RFID系统，使发动机生产过程流水线化。如果一台发动机未能通过最终测试，工程师们无需拆开发动机就能判断问题出在哪里，通过查阅电子标签中的制造数据就可以确定故障原因。

2.2 国内研究与应用现状

国内RFID的应用研究起步较晚但发展较快。在技术发展方面，目前国内RFID应用以低频和高频标签产品为主，超高频标签还未开始规模生产，由于超高频标签具有对移动物体可远距离识别、低成本和可以同时读取多张标签的优势，有望在未来五年内成为应用主流。在RFID核心技术方面，国内的企业以引进消化吸收再创新为主要手段，低频和高频标签产品的生产技术已基本掌握，产业链比较完整，但是与国际同类产品比较没有竞争优势。在超高频和微波级标签领域，由于我国企业缺乏核心技术，虽然已研发出一些产品，但可以量产的企业微乎其微。

国内对于RFID在汽车装配中应用研究单位主要有浙江大学、重庆大学、合肥工业大学，主要集中在理论研究，物流配送模型建立、仿真，也有在企业现场应用的案例。

浙江大学唐任仲提出了装配过程状态模型，采用RFID进行数据采集实现装配过程的可视化监控[6]。

重庆大学刘卫宁等提出了动态物料配送模型，采用RFID进行数据采集，物料的动态供给由动态配送算法控制，有效控制了物料动态供给[7]。邱柯，雷琦，刘飞研究面向MES的车间物流信息系统，设计出了具体的物流系统功能模块并与其他功能模块集成，并运用与实际取得了良好的应用效果[8]。

合肥工业大学梁昌勇等对基于RFID的汽车物流配送管理系统进行了分析，并扩展到总装现场物流配送系统，开发了功能模型，并进行了仿真分析；提出了RFID托盘式作业模式，制定了RFID相关规范，提出了基于看板的供应链供货实现方法；研究了基于RFID的汽车装配物流执行系统，为汽车企业提供了参考解决方案；分析了物流系统主要作业流程，提出一种新的基于RFID的作业模式，设计除了基于RFID的物流管理系统框架[9]。

西北工业大学孙惠斌，常智勇提出一种装配执行过程Petri网模型，分别以装配Agent、物流Agent和RFID标签来反映装配状态和物流状态，可以有效解决了复杂装配过程中物料流与信息流脱节的问题[10]。中国海洋大学于树松、丁香乾分析了发动机装配车间产品跟踪系统的原理和主要功能，给出了其网络结构和硬件构成，阐述了该系统的关键技术[11]。南京林业大学王春峰提出了基于RFID的生产物流信息管理系统，建立了某企业汽车总装线生产物流系统结构模型并编程实现了系统功能[12]。

RFID是一项比较新的技术，涉及到技术保密，企业公开的技术资料很少，但是多数有实际项目的支持，有很强的实际参考价值。

上汽通用五菱汽车股份有限公司王运峰介绍了RFID在汽车装配线具体应用，论证了RFID应用于发动机装配线的优越性[13]。沈阳新松机器人自动化股份有限公司在汽车离合器装配生产线中应用RFID技术，解决了汽车离合器装配生产线的数据传输问题，提高了生产线自动化程度[14]。

国内上海通用、东风日产、隆裕日产、哈飞等很多汽车制造商的生产线上也应用了RFID。

3 目前RFID在汽车装配应用中存在的问题

我国RFID标签的研发中存在的问题:一缺高水平的设计人才，包括芯片、天线和读写器的设计，以及标签的集成创新;二缺资金，一条标签生产线需要十几个亿，而一套标签封装设备也需要几千万元。

目前国内还没有形成完善的RFID标准化体系，并且用于汽车装配线上的RFID的设备成本较高，这也是制约其推广的重要原因。

4 结束语

汽车市场竞争的加剧，迫使各车企提升自己产品的市场竞争力，为市场提供更加“物美价廉”的产品。国内外众多研究成果与应用实例表明：RFID技术的应用能够精准地控制汽车装配工过程中物料流、数据流，保证无差错装配和问题部件原因可追溯，能提高企业的效率、降低生产成本。另一方面，随着RFID标签技术研究的不断深入，RFID系统的成本将会不断下降，RFID在汽车装配的应用环境不断完善，RFID技术在汽车装配中的应用也将会更加广泛。

[1] 游战清,李苏剑.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社.2004.

[2] Vasile GĂITAN,Cornel TURCU,Alexandru GOLOCA.High Complexity Control Gates with Advanced RFID Features for Production Process Monitoring.WAINA.2008:1351-1356.

[3] Kenneth T.C.Poon,K.L.Choy,Henry C.W.Lau.A Real-time Manufacturing Risk Management System:An Integrated RFID Approach[J].PICMET.2007:2872-2879.

[4] 西门子:RFID技术在汽车行业内的应用RFID技术应用,2009(4).

[5] RFID在南非丰田自动化生产线的应用,2009.

[6] 张俊,唐任仲.基于RFID和电子看板的装配生产监控系统的研究[D].浙江大学,2007.

[7] 刘卫宁.基于RFID的装配车间动态物料配送模式研究[D].重庆大学,2010.

[8] 邱柯,雷琦,刘飞针装配型制造企业车间物流信息系统研究[J].现代制造工程,2008,7:83-85.

[9] 吴彬,梁昌勇.基于RFID技术的汽车总装物流执行系统应用研究[D].合肥工业大学,2010.

[10] 孙惠斌,常智勇.复杂产品装配执行过程建模与监控方法研究[J].中国机械工程,2009,20(16):1947-1951.

[11] 于树松,丁香乾.发动机装配过程跟踪管理系统的研究与实现[J].机电工程技术,2007,36(12):13-14.

[12] 王春峰.基于RFID的汽车制造企业生产物流的研究[D].南京林业大学,2006.

[13] 王运峰.RFID技术在汽车发动机装配线的应用研究[J].中国电子商情,2008,1:43-45.

[14] 赵洪涛,马辉,尹景春.RFID产品识别及信息处理在汽车离合器装配生产线中的应用[J].自动化技术与应用,2009,28(2):53-73.