基于RFID技术的物料输送系统应用研究

引言

随着市场竞争的日益加剧，传统制造系统少品种大批量的生产方式正逐步向柔性制造方向转变，系统的柔性对系统的生存越来越重要。物料输送系统为柔性制造系统输送物料,发挥着至关重要的作用。

射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)是一种非接触式识别技术。由于传统条形码设备的易损性和低安全性，而RFID具有非接触性、无方向性、永久使用、对环境敏感度低等特性，使得RFID技术在零售、物流、交通、图书馆智能化管理等领域应用越来越广泛。RFID的工作频率分为低频段(30〜300kHz)、中高频段(3〜30MHz)和超高频与微波标签(433.92,862(902)〜928MHz,2.45GHz、5.8GHz)，同时具有多种防冲突算法。

将RFID技术应用于固定安装的滚筒输送线，实时地采集生产作业中的信息，通过优化调度处理，将有效地改善整个系统的柔性。

1RFID读卡器的硬件设计

RFID读卡器采用中频13.56MHz的无线频率传输数据,电子标签与读卡器最远距离约为30〜40mm，可满足企业的一般保密要求。微控制器选用51系列芯片，读卡芯片为NXPSemiconductors公司最新生产的MFRC522芯片。其整体方案框图如图1所示。

综合读卡器和PLC的距离以及传输的安全和可靠，选用可长距离通信且抗干扰能力强的RS485通信介质，其使用双绞线通信时，可靠传输距离为1km。每个读卡器都有一个拨码开关为其编号，以方便PLC主站识别RFID读卡器从站。

天线的设计是至关重要的，其相应分立元件的参数选取和PCB布局应注意对称。总体面积的大小以及铜线的宽度等都需要考虑。图2所示为天线的等效电路。

天线的品质因子是天线设计的重要参数，其定义为:

式（1）中，LANT，RANT 分别为天线的等效电感和电阻，可用阻 抗分析仪测量。fR=13.56 MHz。带宽定义为 ：

当使用Miller编码时，脉宽T=3us。

由(3)式和(4)式可得:Q<f•T=40.68。

取Q=35。为降低品质因子Q,需添加一外部电阻：

为了将输入阻抗z匹配到50Q,需串联电容Cs和并联电容G。其中：

2RFID读卡器的软件设计

图3所示是RFID读卡器的软件设计流程图。其中单片机上电初始化主要包括配置串口和MFRC522芯片的内部寄存器。当电子标签进入读卡器的寻卡范围内，MFRC522芯片通过天线与电子标签经过一系列的握手识别并建立通信口。由于周围环境的电磁干扰，会导致多次读出的序列号不一致，可通过软件滤波来解决，即通过多次读取来比较处理。

读卡程序部分源代码如下：

voidread_card(void)

{

RC522Ready()；//配置相关参数

M500PcdConfigISOType('A')；//配置卡片类型//为A卡

Card_type=unknowncard；

success=0；

card_req=ComRequestA()；//有无卡请求？if(card_req)//有请求

{

unsignedchari；

flag=1；

ComAnticoll()；//防冲突

RFID_Buffer[0]=Card_SN[0]；

RFID_Buffer[1]=Card_SN[1]；

RFID_Buffer[2]=Card_SN[2]；

RFID_Buffer[3]=Card_SN[3]；

success=0；

for(i=0；i<20；i++)//多次比较判断

{

ComAnticoll()；if((RFID_Buffer[0]==Card_SN[0])&&(RFID_Buffer[1]=Card_SN[1])

&&(RFID_Buffer[2]==Card_SN[2])

&&(RFID_Buffer[3]==Card_SN[3]))

{

success++；

RFID_Buffer[0]=Card_SN[0]；RFID_Buffer[1]=Card_SN[1]；RFID_Buffer[2]=Card_SN[2]；

RFID_Buffer[3]=Card_SN[3]；

}

elsebreak；

}

if((Card_type!=unknowncard)&&(success>18))

//滤波

{

RFID_Buffer1[0]=RFID_Buffer[0]；RFID_Buffer1[1]=RFID_Buffer[1]；RFID_Buffer1[2]=RFID_Buffer[2]；RFID_Buffer1[3]=RFID_Buffer[3]；

}

}

}

3PLC主站通信过程

RFID读卡器利用RS485作为通讯介质，通过Modbus标准通讯协议将读卡器读取电子标签的信息发送给主站PLC叫在Modbus协议的RTU帧中，需要注意整个消息帧必须作为一个连续的流传输。第一点必须保证在消息帧完成之前有不超过1.5个字符时间的停顿时间；第二点必须控制一个新消息在大于3.5个字符时间内接着前个消息开始。这两种情况可利用单片机内部的定时器来解决，即每发送一个字节后启动定时，并在下一次接受到字节时，读取定时器的值，做出相应的判断.

在PLC主站的梯形图编程中，PLC循环地发送请求帧,请求读到电子标签的读卡器发送信息的。如某一时刻PLC发送的RTU帧格式如表1所列，表示请求读取一号读卡器的数据并存入其从0020开始的寄存器地址内。03为Modbus的功能码，表示读取从站的数据。

作为应答，一号读卡器从站发送的正确RTU帧格式如表2所列，其将读取到电子标签的四字节数据发送给PLC。PLC接受到该信号，则表明相应的物料已输送至一号滚筒输送机。此时，PLC可将后续的滚筒输送机启动，以使物料连续输送至目标位置。

通过控制三个滚筒输送机的正反转，以输送货物。同时在没有输送任务的情况下，停转相应的滚筒输送机，以达到节能的目的。

4结语

本文将RFID技术应用于物料输送系统，详细设计了读卡器和分析了PLC主站的通信过程，验证了相关技术。该方案在实际运用中运行良好，完整地达到了设计目标，不仅可以应用于少品种、大批量的生产类型，而且也适用于多品种、小批量的生产类型。如果与MES系统相结合，就可实现生产计划安排和调度，灵活地实现企业的生产要求，具有广阔的应用前景。

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