西门子RFID产品在发动机装配线上的应用

黄剑峰

（上汽通用汽车有限公司 上海）

Application of SIEMENS RFID Productionin Engine Assembly Line

［摘要］ 本文介绍了西门子RF300系列RFID产品在动力总成装配线的应用，面对数十万产能，近百个工位、数十种机型共线的自动化生产线，工程师们是如何做到精准生产，实时物流调配，设备稳定运行，机型无缝切换的。RFID技术在这个柔性制造系统中发挥了关键的作用。

［关键词］ 柔性制造系统、发动机装配线、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、项目简介

1.发动机先进工艺的挑战

为应对燃油效率和绿色排放的高要求，发动机不断迭代，工艺愈发复杂，质量要求严苛，这对装配生产线提出了挑战。上汽通用动力总成的NGC发动机项目装配生产线颇为典型，年产能40万台，5大机型共32种小机型共线生产，非标设备品类繁多，人机交互频繁，如图1所示。

如何保障精准生产，实时调配物流，保证质量万无一失；如何管理生产线的设备、人员与材料成了严峻的企业难题。

2.柔性化生产线的要求

装配线，顾名思义就是将发动机的各个零部件顺序组装起来的流水生产线。

现代化生产是一个精确的执行过程，不同的机型对应不同的零件，需要机型防错。自动、手动工位交织，需要标准化作业流程。每一个零件，每一颗螺栓，每一项检测数据都必须准确记录，数据有效、实时、可追溯、可查证，现场设备需要更多的自动识别，每个生产环节都必须可靠、灵敏、连续和稳定^[1]。

图1 NGC发动机装配线布局

要达到真正的智能制造、柔性制造，发动机装配线必须做到：

1）每台发动机的自身信息，已完成、未完成的工作内容及状态必须清晰。

2）每个工位设备面对不同的机型，应该知道需要工作的内容、工艺流程和防错。

3）每个操作工面对各自工位都清楚此时的发动机产品信息、工艺和防错点信息。

4）每个生产管理者都清楚生产线的计划/实际产量、班次、机型和设备故障信息等。

3.上汽通用汽车的方案

面对这些严苛的要求，在实际的自动化生产线设计中，工程师们面临着以下的问题：

1）发动机本体信息如何存储?如何快速读取?如何更新?

2）工位PLC面对数十种发动机机型的不同工艺，如何调取正确的机型参数?

3）操作工如何知道发动机产品的信息和此时的工作内容?

4）生产管理者如何收集生产线的信息?如何发布信息?

上汽通用汽车的工程师们选择了西门子公司的Step7-300系列PLC（CPU315-2PN/DP）和Portal系列HMI（HumanMachineInterfaceTP1200）作为自动控制系统的核心，这虽然解决了大部分问题，然而现场数据的收集、传输及处理依旧是老大难，不少关键的生产数据因缺乏载体而难以获取，最终被直接忽略了，这制约了产能的释放。

RFID技术在这样的行业背景下应运而生，作为一个关键的信息承载设备，它的出现填补了控制系统的短板，大大拓宽了人们的设计思路。

工程师们果断采用西门子RF300系列产品，以此RFID设备为基石，一套完整的柔性化制造系统就建立起来了。上汽通用的动力总成装配线在理论设计、标准执行和实际应用中都实现了高度的柔性化、智能化，成为行业的开拓者、先驱者。

二、RFID系统的构成

1.RFID硬件特点

RFID（无线射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无需人工干预。

以西门子RF300系列产品为例，主要由三部分组成：电子标签（RF340T）、读写器（RF310R）、系统接口模块（RF170C）。电子标签用于存储数据，读写器用于读取和写入数据，系统接口模块用于读写器与PC/PLC等设备的通信，包括具体的信息交互和管理，如图2所示。

图2 西门子RF300系列工业RFID标签

相较于二维码识别只能存储单个数据，RF340T电子标签可以存储8KB或32KB的数据。RF310R支持ISO15693通信协议^［2］，读取/写入速度可以高达8000bit/s，而读写范围最远可达0.2m，RF300系列产品的出现弥补了二维码信息存储不足的短板，令上汽通用的生产线自动化水平上升了一个大台阶。

2.RFID控制架构

IP67以上级别的工业化RFID电子标签、读写器，可以直接暴露在工厂环境中，尺寸只有火柴盒大小，安装方便。将电子标签装在发动机上，读写器安装在各工位的辊道上，系统接口模块则组态入PLC系统,成为PLC总线的一个从站点，如图3所示。

发动机进入工位时，读写器可以读取到RF340T的数据，系统接口模块将数据传输给PLC，PLC由此进行相应的工作，并将工作完成的结果实时发回系统接口模块，再通过读写器写回RF340T。

图3 RFID系统架构

3.RFID的应用优势

RF340T电子标签不仅是发动机的身份证，更是一份产品档案。其中记录了发动机型号、序列号、缸体号和所在的托盘号，也包含了已完成的工作、返修记录、调换记录及故障分析记录。

随着发动机在生产线上的流动，这份产品档案也在实时更新。每个流经的工位设备都可以通过PLC读取这份产品档案，获取自己需要的信息，并将该发动机在本工位完成的工作内容记录到相应的档案页中去，与整个生产线共享。

同时，工位的PLC可以将发动机的实时过点信息传给IT服务器。生产管理者可以监控当前各生产线上的生产情况，对每一台发动机的去向，状态都清楚了然，也可以追溯产品的任何一个生产步骤，任何一个零部件信息，基本实现了发动机产品的全生命周期管理。

三、RFID的实际编程应用

1.电子标签内分布式数据结构

读写器读取/写入电子标签数据的时间和读取/写入的数据大小是线性关联的，每次操作的数据量越大，需要时间越长，反之亦然。通过不断地验证、优化，最终将每次读取/写入的数据量控制在4KB以内，RFID的读取/写入耗时约500ms，既保证了生产数据的稳定传输，又满足了生产节拍。

合理设计RFID的数据结构是迈向柔性化制造的第一步，将4KB数据长度分为静态数据和动态数据两个部分。前100个bytes定义为静态数据，上线工位读写器写入数据后不再变更，用于记录发动机EUN（EngineUniqueNumber）和托盘信息。100bytes以后的数据定义为动态数据，用于记录工位的工作结果，每个工位设备分配10个bytes数据空间，可以写入本工位的作业结果，这部分数据可以进行编辑，删除等操作，如图4所示。

分布式的数据区域各自独立，避免了PLC系统的误处理，也便于工位PLC读取发动机的状态。标准化工艺流程下，RFID电子标签内每一块区域数据都一一对应现场的一个实际工位，该工位的总结果，各个分任务的结果和实际数值都可以存储在规划好的区域内。前一工位的合格结果是后一个工位的允许作业条件，工位间的顺序装配关系也通过PLC程序逻辑紧密地连接了起来。

图4 RFID标签内数据结构

2.PLC编程应用中遇到的问题

西门子公司官方为用户提供了FC45功能块，用于RF300系列读写器的读取/写入实际指令，免去了用户独自编程存在bug或不兼容的困扰。但在应用过程中，由于西门子公司提供的UDT20中，执行command是同一个bytes，如图5所示，command为1时写入数据，command为2时读取数据，command为3时初始化，这就要求用户的外部编程中command必须按照先initial，再read，再write的顺序严格执行，才能避免出现读写器直接将旧数据写入到新RFID电子标签中的情况。

RFID的读取、写入完成是没有单独的引脚输出的，所以在PLC中需要编程来判定是否已经读取/写入完成。常用的逻辑是有读取/写入开始信号，再取Busy信号，读取和写入时Ready信号会自动复位为0，当Ready信号再一次为1时，才表示RFID读写器已经完成了读取/写入动作。PLC逻辑中必须保障每个循环中Ready信号的采集都要有on-off-on的完整过程。

图5 UDT20 MOBY_CMD_e数据结构

四、柔性化制造系统

1.BuildMatrix数据结构

工位Step7系列PLC读取到RF340T电子标签的数据后，又如何知道当前的机型需要做哪些工作呢?显然，PLC自动控制系统也必须进行相应的进化和提升了，上汽通用选择的方案是BuildMatrix框架。

BuildMatrix框架是一套数据结构模型与其相应的PLC程序逻辑的组合，它没有任何硬件，也不增加任何软件，甚至都没有一个主体对象，它只存在于各个工位的PLC程序中，散落在程序的各个边边角角，却发挥着不可估量的作用。

这套隐形的数据结构在PLC程序中体现为一个DB数据块（DB500），其中存放着本工位的默认配置信息和50个机型所对应的工作内容和防错要求，如图6所示。

图6 工位PLC中DB500数据结构

2.BuildMatrix相对应的程序逻辑

RFID设备和BuildMatrix框架结合起来，实现了“1加1大于2”的效果。PLC配置完成BuildMatrix数据块DB500后，相应的PLC程序逻辑如图7所示。

图7 工位PLC中BuildMatrix相关程序逻辑

发动机机型参数都预设在DB500数据块中，在识别到RF340T电子标签的发动机信息后，相应的机型参数就被调取出来，由PLC程序逻辑来保障其程序号，拧紧参数，防错点的准确性。

3.生产计划ERP系统

西门子RF300系列产品的应用，使得上位ERP/MRP系统准确控制车间生产计划成为可能。ERP系统生成车间作业计划，下发作业批次如图8所示，包含机型种类和数量信息^［3］。

装配线上线工位PLC接收到生产作业批次数据后，开始生成发动机EUN号，并写入RFID电子标签，工位HMI也会显示发动机和生产批次的信息，同时PLC还会反馈给IT此时设备的实时数据，包括缺料、堵料、故障信息和发动机状态，为当前的生产计划调整提供依据。

五、应用总结与体会

西门子RF300系列产品在上汽通用动力总成厂的装配线上得到了大批量的应用，以 NGC 项目为例，单条装配线上配有将近200套，SOP 后两班组全产能生产两年以来，系统稳定、柔性，保障了动力总成产品的顺利下线和质量水准。

图8 生产计划数据流

RFID设备不能简单理解为一套电子标签与读写器的总和，如果仅仅是这些，那么它只是一种比二维码更有效的读写手段而已，是无法带来真正的生产力变革和提升的。

实际上，在RFID设备大规模应用的基础上，以PLC为核心的自动控制系统得到了一次全方位的升级，BuildMatrix框架的出现和RFID设备相辅相成，有效地整合了现有的资源，优化了整个自动控制系统，挖掘出了相当量的关键数据。只有这样，RFID技术的价值才真正发挥了出来，生产线进而达到了高度的柔性化，实现了真正的订单化生产，多品种、小批量，随时切换，零浪费，零库存，企业才取得了真正的规模化生产效益。

展望未来的发动机装配线，技术升级的趋势是相当明显的：

1）RFID的广泛应用，制造、物流、仓储和销售区域的数据全面打通，数据的收集、管理、分析及反馈将更加广泛和深入，将实现真正的发动机产品全周期大数据档案，进而演化成工业智能物联网。

2）RFID设备将更可靠，更全能，数据量更大，传输更稳定，单个读写器可读取多个电子标签等，将大幅降低设备成本，提升系统铺设便利性。

3）大数据的管理方法论，分析工具的改进将更有效地帮助工程师全程介入，实时干预产品的设计、制造和物流等过程，以提升生产力和生产效率。

未来的智能制造还有相当大的发展空间，RFID技术也扮演着越来越重要的角色，不论是产品自身的质量还是对制造系统发挥的作用，都必然更深入和全面。企业管理者和技术人员将牢牢抓住科技潮流，共同努力，勇于创新，大步迈向智能化、数据化和网络化。

参考文献

［1］ 付琳琳,苗岐,王玉.发动机装配线的技术探讨与管理维护［J］.南方农机,2017,48(2):41.

［2］ 郝良彬,李有科,庄欣.RFID 的技术标准和相关规则［J］.武汉科技学院学报,2008,7:19-21.

［3］ G.Maticevic,M.Cicak,T.Lovric.Production Management in ERPSystemof Digital Enterprise［J］.Manufacturing Technology,2008.