工业4.0技术背景下RFID与PLC的集成应用

包晓东

(无锡技师学院,江苏无锡 214000)

0 引言

“工业4.0”是人类历史上的第四次工业革命,其本质就是通过数据流动自动化技术,从规模经济转向范围经济,以同质化规模化的成本,构建出异质化定制化的产业。而RFID识别技术是工业4.0的灵魂所在。

1 RFID的基本工作原理

1.1 RFID的工作原理

当标签进入阅读器后,接收阅读器发出的射频信号,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,或者由标签主动发送某一频率的信号,阅读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]。

通常情况下,我们会选用PLC 作为数据处理单元,将信息数据通过IO-Link和RFID之间实现交换。在工业4.0系统中,RFID可以读出标签信息,通过PLC 比对标签信息,将符合要求的工件留下进行加工,将不符合要求的工件放行,待加工完毕后,系统可以通过RFID将后续加工信息传输给工件,以待进行下一步工序。

1.2 RFID读写器的分类

RFID读写器主要有固定式的和手持式两种。其中,手持式RFID读写器包含有低频、高频、超高频、有源等几种[2]。

2 SIMATICRF200通信模块介绍

SIMATIC RF200是一种紧凑型、低成本的读写装置,在生产输送线中应用较为广泛。RF200的传输频率是13.56MHZ,检测范围最大130mm,协议是ISO15693,存储器容量最大992字节(EEPROM)。RFID系统最大读速度1.5KB/s,最大写速度0.5KB/s。

发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。

电感耦合:变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电磁感应定律。电磁反向散射耦合:雷达原理模型,发射出去的电磁波,碰到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规律。

2.1 读取数据

RF200 读取数据不是直接写到PLC 中,而是存储在RS232模块的内部缓冲区中。首先PLC被通知需要接收数据,然后PLC把需要的数据从RS232模块的缓冲区中取走。

2.2 写入数据

写入的数据需要快速地独立发送,在CPU的一个扫描周期内,RS232 模块的缓冲区中的数据将被同时发送。

2.3 通信协议

3964R 协议定义了发送和接收数据过程的控制字符和RFID报文。3964R协议报文传输如表1所示。

表1 3964R 传输协议Tab.1 3964R transmission protocol

2.4 IO-Link

IO-Link是全球首个用于与传感器和执行器通信的标准化IO技术(IEC 61131-9),无需对电缆材料提出额外要求,常规3 线制接法即可实现强大的点对点通信。系统组件是一个IO-Link主机和一个IO-Link设备:一个传感器、一个激励元件或二者的结合。

3 SIMATIC RF200与西门子1500系列PLC的集成

在博途环境中,我们可以实现SIMATIC RF200 与西门子1500 PLC 的集成。本例操作过程如下。

3.1 组态

在博途软件中新建项目,并根据实际硬件配置组态,如图1 所示。

图1 博图组态Fig.1 Botu configuration

3.2 打开PCT软件,添加对应设备

在博途环境中,打开西门子的S7 PCT软件,用于对RFID设备进行配置。具体操作时,右键CM模块,选择启动设备工具。完成后,添加设备如图2 所示。

图2 启动设备工具Fig.2 Start the device tool

(1)根据我们需要使用到的RFID 读写头的型号,选择对应参数,如图3所示。

图3 添加RFIDFig.3 Add RFID

(2)选择对应的IO-Link设备。添加RFID添加信息如图4所示。

图4 IO-Link 设备Fig.4 IO-Link device

3.3 配置IO-Link设备

在博途环境中,对IO-Link设备进行具体配置如下,可根据需要对起始地址和结束地址进行配置,如图5所示。

图5 配置IO-Link 设备Fig.5 Configure IO-Link device

3.4 下载与保存设置

选择整个项目,点击批量下载,这样就对模块已经配置好了,下载与保存设置。

3.5 程序编写与调试

在程序编写过程中,可首先测试RFID 内部缓存区的地址,特别是RFID设备的读、写控制位地址,然后通过PLC直接对该地址进行读、写操作,应用十分简便。

示例要求:

将一个装有RFID 芯片的小车放置于传送带上,待小车移动至RFID读写头上方时,可以读取小车的ID号和状态信息存储到指定位置。

(1)读取示例程序如下。通过该程序可以将测试小车的ID信息读取至指定位置。其中,读取到的小车ID的地址是IW14,读取到的小车状态地址是IW16。如图6所示。

图6 RFID 读程序Fig.6 RFID reading program

小车移动至RFID 读写头上方时,也可以通过读写头将小车的ID号和状态信息写入到指定位置。

(2)写入示例程序如下。通过该程序可以将要求的ID号写入小车。其中,写入小车ID的地址是QW14,写入小车状态地址是QW 16。如图7 所示。

图7 RFID 写程序Fig.7 RFID writing program

4 对比与应用

IO-Link版本的RF200读写器成本较低,与RF200及RF300相比较前者传输速率较慢,如果在生产过程中读写数据量较大时,建议使用高版本的RFID读写器进行处理。在工业4.0系统中,当应用RFID技术后,物料工件就可以被设备进行选择性识别与判断,实现智能制造。

5 结语

工业4.0技术是一个自动化集成度很高的技术,且随着移动计算技术的不断提高和普及,射频识别阅读器设计与制造的发展趋势是将向多功能、多接口、多制式,并向模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展。很多智能系统需要能够自动识别与判断信息是否正确,这正是RFID在自动化生产中的重要意义,在集成应用中RFID技术正在越来越被普及应用到日常生活和工业生产中。