超越追踪和追踪:在工厂车间使用RFID

工业制造不断发展，不断适应以满足工厂车间不断提高的生产力和效率要求。RFID技术已经为制造商在整个供应链中提供了高质量，可靠的产品跟踪和跟踪功能，但这种智能监控系统技术也是生产环境中的宝贵资产。通过使用RFID作为制造工具，公司正在重新定义生产标准，提高执行、效率和产品质量。

在能够承受极端环境条件的RFID系统被开发出来之前，制造商无法实现这项技术提供的独特可见性和控制。既然RFID可以在高温、高压、危险场所和潮湿环境中工作，制造商可以将这些系统用于自动化过程，以控制和监视操作并改进计划，直接影响其效率提高并改善生产(参见图1)。

与条形码等光学识别方法相比，RFID具有主要优势。该技术的应用范围广泛，包括石油和天然气、化工、制药、汽车和其他工业制造过程。通过将RFID标签和读取器集成到制造环境中，用户可以通过持续的实时状态更新来提高生产可见性和控制。提供对工具位置、设备跟踪和过程数据的即时访问，RFID为实现以前无与伦比的生产简化提供了一个基本要素。

它是如何工作的

在为每个应用选择和实施适当的RFID解决方案时，制造商应该知道产品成功通过读/写磁头所需的速度和距离。数据大小和距离等变量也会影响解决方案的可行性。因此，在确定适合应用程序的系统时，仅提供一般信息(如建议的读/写间隔或传输速率)通常是不够的。

与条形码或数据矩阵码等传统的自动识别方法不同，RFID使用电磁无线电波传输信息，从而消除了视线要求。虽然贴在产品或组件外部的印刷标签在暴露于高温或潮湿时变得无法使用，但特殊的RFID标签和移动阅读设备使得即使在恶劣的工业条件下也可以使用RFID系统。

RFID系统包含三部分:标签、收发器和接口。标签可以是有源的(需要电池)也可以是无源的，将信号反射回收发器，收发器通常被称为阅读器或天线。接口将数据从标签传输到数据采集设备，如计算机或PLC。

收发器读取RFID标签。I/O设备与企业或更高级别的控制系统通信以提供标签信息。RFID标签包含响应收发器发出的射频场的内部电路。在操作过程中，当射频识别标签通过收发器的场时，标签会检测来自天线的信号。该信号激活射频识别标签，使其能够在其微芯片上传输或接收信息。

最初，这项技术是作为一种通过标签或收发器远程收集数据的方法而开发的。然而，由于它们的数据存储能力，制造商已经在生产过程中将这些标签附加或嵌入到对象中，并使用有关产品、设备或工具的信息对其进行编程。通过标签收集更多的数据，RFID允许用户读写有意义的数据-处理信息-到标签。

一些RFID系统具有最先进的非易失性铁电随机存取存储器(FRAM)存储技术，它允许10⁶在单个数据载体上的写操作和无限数量的读操作。有了这种类型的读/写容量，以及在需要重复写操作的应用中使用的能力，制造商可以减少或消除替换的数据载体。此外，现有的RFID系统允许在任何位置使用手持设备轻松地将读写操作编程到数据载体上，并使数据能够以十进制、二进制、十六进制和ASCII码格式显示在发光的触摸屏上。从这一点上，制造商可以轻松方便地操作数据，根据需要编辑和写入相应的数据载体。

为了适应多用途和具有挑战性的应用需求，数据载体具有各种形状和不同的读/写间隔，高频技术允许在5至500毫米的距离内进行读/写操作，超高频技术允许在长达几米的距离内进行读/写操作。

系统也被设计成可以承受很宽的温度范围，包括可以在极高温度下工作的数据载体，以及那些不需要冷却时间进行读写操作的数据载体。这些增强的热特性可以显著提高工厂车间的生产率。此外，为了满足快节奏的制造环境，创新的RFID系统已被设计为以每字节0.5毫秒的速度同时读取或写入数据，有些甚至能够在距离达500毫米的距离上实现10毫秒的实时生产速度。

除了满足速度和距离要求外，RFID还必须具有足够的适应性以适应行业变化。对于固有的可扩展性，具有内置I/O功能的模块化RFID系统使该技术能够跟上不断增长的制造需求。用户可以在系统中添加离散、模拟和/或八通道RFID模块，以扩展单个网络节点。RFID可以集成到现有平台中，并支持常见协议，包括Profibus-DP, DeviceNet, Modbus TCP, Profinet和以太网/IP，从而实现灵活的连接，通信和生产可见性。

工厂车间的射频识别

通过供应链跟踪产品可以提高产品质量和客户满意度，RFID也可以在内部使用，以提高流程效率和降低成本。例如，制造商可以使用RFID技术通过标记机器、传送带、卡车或叉车来监控设施内的设备。通过这些标签，用户可以访问每台设备的内容、位置、可用性和维护要求等数据。这些知识使用户能够破译生产状态信息，识别潜在的问题区域，并帮助制定生产性能优化和有效的劳动力/资产分配的计划策略(参见图2)。

库存管理

准确的库存信息对每个工厂的效率都很重要。RFID技术可以帮助改善库存管理。通过跟踪产品和设备，RFID有助于调节制造单位的库存，允许用户使用原材料、设备或供应需求的实时数据更好地预测他们的需求。此外，通过维护设备和工具位置清单，RFID可以改善生产计划或消除重新订购被认为丢失的材料的需要。

当将RFID应用于库存管理时，用户可以通过应用该技术来提高产品可见性和加强库存/再订购流程，从而有效地降低成本和浪费。RFID可以定位有标签的材料和用品。使用RFID技术来管理设备和工具位置，用户可以通过识别哪些对象正在使用或可以分配给特定项目来改进生产计划。此外，精确定位剩余供应的数量及其确切位置的能力可以改善生产线的运动，减少停机时间和收缩。

由于工厂地板经常是繁忙、混乱的环境，收缩是常见的。存货缩减是指由于一些不相关的原因导致产品在存货项下下落不明。这可能包括不再可用的材料或物品丢失或损坏。当员工故意将资产/工具放在方便的地方时，也会发生收缩。这使得这些物品看起来好像从库存中消失了，导致不必要的替换购买。有了RFID跟踪，定位这些资产变得更加容易，从而节省了搜索时间和更换成本。

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在制品

维护关于特定制造过程进度的准确记录是乏味的，通常需要耗时的手动数据输入。这个过程也增加了错误和不完整信息的可能性。如果没有最新的数据，生产力就会受到影响。因此，使用RFID来跟踪制造在制品可以提高工作流程的生产率和效率。

RFID可用于标记在制品应用程序，从而实现实时零件或产品位置跟踪，并允许装配线状态更新。在特定的生产站点使用标签，用户可以获得特定产品或流程的持续更新进度。这确保了正确的材料以正确的间隔到达正确的位置，并避免了昂贵的停机时间来纠正错误(参见图3)。

在制品中使用RFID使工厂能够协调设备、人力和物质资源的使用。RFID非常适合在一条生产线上生产多种产品的制造商，或者在多个地点的多个工厂生产复杂或定制产品的制造商。生产计划人员和库存控制人员使用RFID标签自动更新客户数据和成品库存。

通过将RFID集成为内部制造工具，用户可以改善企业内部信息传递的方式，同时减少代价高昂的错误和多余的劳动力支出。使用自动捕获和传输数据的RFID阅读器和PC，而不是手动创建数据输入表，消除了系统中潜在的错误。RFID标签可以应用于子组件，以实现自动化，无人值守的在制品跟踪，并且可以与工业控制系统接口，通过装配过程自动路由项目。这避免了依赖于手动数据输入，从而提高了处理速度和准确性。

RFID的应用

RFID已经成为一个有价值的设备，在各种各样的行业提高生产性能和降低成本，它已经取代了传统的光学识别技术，以克服耐久性挑战和停机时间与这些选项相关。

例如，为了跟踪和监控每一个中间或最终产品，传统的光学识别方法，如条形码或数据矩阵码，使用外部附加的印刷标签。这使得它们容易受到环境条件的破坏，如高温、潮湿、污垢或磨损，这可能使它们无法操作。此外，条形码和数据矩阵代码只能提供基本的物品信息，不能写入，自动识别和生产控制数据不能完全集成到系统中。然而，RFID技术由于其耐用的外壳和传输更多信息的能力而有效地克服了这些挑战。

钢铁生产行业就是一个例子，RFID技术为这一过程增加了显著的价值(见图4)。大型起重机在整个工厂运输90至425吨用于钢铁生产的原材料，这些原材料装在巨大的钢包里。如果出现问题，最好的情况是大量的时间损失。但最坏的情况可能是熔化的金属或笨重的钢包造成的严重损坏。

通过实施RFID系统和特殊传感器，可以将温度范围扩大到212华氏度，可以精确跟踪工厂内的钢包运输。这可以防止在运输过程中发生昂贵和耗时的错误。安装在起重机转子磁盘附近的RFID读写头记录安装在轨道上特定点的转发器的信号，从而可以精确定位并与主控制单元的旅行传感器协调。利用已知的标签位置，PLC可以校准旋转位置传感器信号。这样可以防止位置错误，实现安全高效的运输。

RFID技术还为装配线程序提供进度跟踪。例如，在半导体制造工厂，射频识别可以用来检查正确的布线之前，芯片模块被转移到良好的零件杂志。沿着生产线使用RFID技术直接在零件载体上记录工艺步骤。所述第一读写标签可位于装载机出口上，所述数据载体接收有关所述指定组件是否成功安装以及所述组件是否可以进一步加工的信息。如果考虑到必要的组件，则更新数据载体内容，使其包含处理发布。

该过程在每个处理站继续进行，当产品通过每个处理站时，有关每个步骤成功的信息被添加到数据载体中。最后，在最后一个RFID工作站，导出数据，操作员根据数据载体上的状态将单个部件转发到良好部件杂志或不良部件冲床。为了记录的准确性和理解性，这些生产数据随后根据每个批次在报告文件中存档。

RFID技术还可以帮助满足生产期限或交货时间表。一个提供灵活的交付方案的工厂，例如向其他制造商及时交付零件或组件，其仓库或存储容量非常小。这意味着设备必须高效、和谐地运行以满足订单。为了确保生产顺利进行，这些设施严重依赖自动化。因此，使用RFID系统可以与传统的现场总线进行通信，而无需plc -并且具有自己的数据存储器并自动适应应用-可以帮助保持所需的生产速度。

为了满足不断变化的生产需求，模块化RFID模块可以调整，使每个通道在并行/多路模式下单独使用读/写磁头。这对于两个读/写头彼此非常靠近的应用程序尤其重要，例如当传送带链分裂成几个链时。此外，具有FRAM存储器和高速读/写功能的RFID可以实现更快的数据传输，并且需要很少的维护。这允许制造商减少每个工作站的读/写时间。由于读写停止不再需要，系统可以适应更快的输送机速度，从而产生更高的吞吐量。

RFID的未来

市场竞争要求制造商不断寻求新的方法来提高生产。RFID技术提供了一种智能、低维护的解决方案，带来了显著的好处。在工厂车间实施RFID技术使用户能够提高准确性，提供更快的生产速度，最大限度地减少错误，并显着降低材料和人工成本。

Randy Durick是图尔克美国公司网络与接口部门的主管，担任该职位已有四年。他在图尔克工作了10多年，在过程和工业自动化行业的销售、业务开发和产品管理方面拥有超过15年的经验。

本文发表于2013年2月的应用自动化增刊控制工程和设备工程，都是CFE Media的一部分。

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