西門子RFID產(chǎn)品在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上的應(yīng)用
黃劍峰
（上汽通用汽車有限公司 上海）
Application of SIEMENS RFID Productionin Engine Assembly Line
［摘要］ 本文介紹了西門子RF300系列RFID產(chǎn)品在動(dòng)力總成裝配線的應(yīng)用，面對數(shù)十萬產(chǎn)能，近百個(gè)工位、數(shù)十種機(jī)型共線的自動(dòng)化生產(chǎn)線，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、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)目簡介
1.發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)工藝的挑戰(zhàn)
為應(yīng)對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，這對裝配生產(chǎn)線提出了挑戰(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)線頗為典型，年產(chǎn)能40萬臺，5大機(jī)型共32種小機(jī)型共線生產(chǎn)，非標(biāo)設(shè)備品類繁多，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)量萬無一失；如何管理生產(chǎn)線的設(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)線的要求
裝配線，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的流水生產(chǎn)線。
現(xiàn)代化生產(chǎn)是一個(gè)精確的執(zhí)行過程，不同的機(jī)型對應(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)場設(shè)備需要更多的自動(dòng)識別，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)裝配線必須做到：
1）每臺發(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.上汽通用汽車的方案
面對這些嚴(yán)苛的要求，在實(shí)際的自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中，工程師們面臨著以下的問題：
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)線的信息?如何發(fā)布信息?
上汽通用汽車的工程師們選擇了西門子公司的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題，然而現(xiàn)場數(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)就建立起來了。上汽通用的動(dòng)力總成裝配線在理論設(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)的開拓者、先驅(qū)者。
二、RFID系統(tǒng)的構(gòu)成
1.RFID硬件特點(diǎn)
RFID（無線射頻識別）技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程無需人工干預(yù)。
以西門子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)，讀寫器用于讀取和寫入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)接口模塊用于讀寫器與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 西門子RF300系列工業(yè)RFID標(biāo)簽
相較于二維碼識別只能存儲(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/寫入速度可以高達(dá)8000bit/s，而讀寫范圍最遠(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)線自動(dòng)化水平上升了一個(gè)大臺階。
2.RFID控制架構(gòu)
IP67以上級別的工業(yè)化RFID電子標(biāo)簽、讀寫器，可以直接暴露在工廠環(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，再通過讀寫器寫回RF340T。
圖3 RFID系統(tǒng)架構(gòu)
3.RFID的應(yīng)用優(yōu)勢
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、序列號、缸體號和所在的托盤號，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)的檔案頁中去，與整個(gè)生產(chǎn)線共享。
同時(shí)，工位的PLC可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)過點(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)線上的生產(chǎn)情況，對每一臺發(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)
讀寫器讀取/寫入電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的時(shí)間和讀取/寫入的數(shù)據(jù)大小是線性關(guān)聯(lián)的，每次操作的數(shù)據(jù)量越大，需要時(shí)間越長，反之亦然。通過不斷地驗(yàn)證、優(yōu)化，最終將每次讀取/寫入的數(shù)據(jù)量控制在4KB以內(nèi)，RFID的讀取/寫入耗時(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)，上線工位讀寫器寫入數(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)都一一對應(yīng)現(xiàn)場的一個(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PLC程序邏輯緊密地連接了起來。
圖4 RFID標(biāo)簽內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2.PLC編程應(yīng)用中遇到的問題
西門子公司官方為用戶提供了FC45功能塊，用于RF300系列讀寫器的讀取/寫入實(shí)際指令，免去了用戶獨(dú)自編程存在bug或不兼容的困擾。但在應(yīng)用過程中，由于西門子公司提供的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)讀寫器直接將舊數(shù)據(jù)寫入到新RFID電子標(biāo)簽中的情況。
RFID的讀取、寫入完成是沒有單獨(dú)的引腳輸出的，所以在PLC中需要編程來判定是否已經(jīng)讀取/寫入完成。常用的邏輯是有讀取/寫入開始信號，再取Busy信號，讀取和寫入時(shí)Ready信號會(huì)自動(dòng)復(fù)位為0，當(dāng)Ready信號再一次為1時(shí)，才表示RFID讀寫器已經(jīng)完成了讀取/寫入動(dòng)作。PLC邏輯中必須保障每個(gè)循環(huán)中Ready信號的采集都要有on-off-on的完整過程。
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，它沒有任何硬件，也不增加任何軟件，甚至都沒有一個(gè)主體對象，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相對應(yīng)的程序邏輯
RFID設(shè)備和BuildMatrix框架結(jié)合起來，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，由PLC程序邏輯來保障其程序號，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)確控制車間生產(chǎn)計(jì)劃成為可能。ERP系統(tǒng)生成車間作業(yè)計(jì)劃，下發(fā)作業(yè)批次如圖8所示，包含機(jī)型種類和數(shù)量信息［3］。
裝配線上線工位PLC接收到生產(chǎn)作業(yè)批次數(shù)據(jù)后，開始生成發(fā)動(dòng)機(jī)EUN號，并寫入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)
西門子RF300系列產(chǎn)品在上汽通用動(dòng)力總成廠的裝配線上得到了大批量的應(yīng)用，以 NGC 項(xiàng)目為例，單條裝配線上配有將近200套，SOP 后兩班組全產(chǎn)能生產(chǎn)兩年以來，系統(tǒng)穩(wěn)定、柔性，保障了動(dòng)力總成產(chǎn)品的順利下線和質(zhì)量水準(zhǔn)。
圖8 生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)流
RFID設(shè)備不能簡單理解為一套電子標(biāo)簽與讀寫器的總和，如果僅僅是這些，那么它只是一種比二維碼更有效的讀寫手段而已，是無法帶來真正的生產(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，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，生產(chǎn)線進(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)，零庫存，企業(yè)才取得了真正的規(guī)?；a(chǎn)效益。
展望未來的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，技術(shù)升級的趨勢是相當(dāng)明顯的：
1）RFID的廣泛應(yīng)用，制造、物流、倉儲(chǔ)和銷售區(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)、制造和物流等過程，以提升生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率。
未來的智能制造還有相當(dāng)大的發(fā)展空間，RFID技術(shù)也扮演著越來越重要的角色，不論是產(chǎn)品自身的質(zhì)量還是對制造系統(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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鄂公網(wǎng)安備 42010302001612號