RFID：射频识别在生产线上的应用

工程师正将射频识别（RFID）技术在工厂中应用，并之辅以数据库和软件。本文将介绍RFID的工作方式，及其为用户带来的实际好处和资金节约，例如，实现更好的可视性、跟踪功能和质量控制等。

说起来容易做起来难，至今射频识别（RFID）系统和标签仍然相当昂贵。考虑到几乎所有商品都要贴上标签，而且标签难以重复使用，那么成本之高就可想而知了。因此，当沃尔玛2003年6月通知其100家最大的供应商必须全部采用RFID标签，而且有关设备要在2005年1月前在发货中心全部到位时，许多供应商都忙不迭的想办法提高投资回报（ROI）并降低成本。

其中百家最大的供应商之一是Wells' Dairy，该公司为沃尔玛提供Blue Bunny冰淇淋及各种小商品。Wells'的报告指出，它是全美最大的家庭所有的奶制品公司，而且经营着全球最大的冰淇淋生产厂，该厂位于爱荷华州的LeMars，每周工作时间长达160小时。

许多供应商为了符合新的RFID规定，在出货前才贴上标签，但Wells'的做法不同，它在制造过程的早期就采用了RFID系统，从而节约成本并实现了其它优势。Wells'的工艺过程控制经理Brad Galles于2004年中期开始与奶制品公司的自动化供应商Rockwell Automation开展试验性项目。其内部开发的解决方案使用Allen-Bradley 1756 EWEB模块用于ControlLogix来处理数据，有关数据来自Alien Technology的RFID读取器和915-Mhz、96位的Squiggly标签（见下图）。

来源:Control Engineering
及由Turck公司(www.turck.com)提供的数据
图3：针对典型的RFID技术而言，读取器/收发器的电磁场激励
标签中的电路系统会产生足够的能量实现彼此间的数据交换。数据
随后可通过控制器传递，根据需要继续传给PLC、PC和数据库

天线读取器在RFID标签上写入，标签贴在两桶装的产品外包装上，每分钟可贴30个外包装盒。速冻时再次读取外包装盒上的标签，这时速度可达先前的四倍，最后产品出货。RFID系统将信息传递回Wells'控制体系，在公司的企业网络中实现信息共享。Galles解释说，要是采用通常的标签粘贴后再出货的系统，Wells'就必须引入手工再包装的工作，这就会增加劳动成本。

Galles指出：“我们从一开始就认为采用RFID技术可推进工艺转变，提高业绩。一旦采集了数据，我们就可用其来改进目录跟踪，实现大部分质量控制和目录工作的自动化，并简化数据采集工作。”Wells'的报告还表明，其RFID系统使员工从繁重的工作中解放出来，减少了出货错误，并尽可能的减少了人工修复工作。

该奶制品公司和Rockwell通过RFID系统实现了效率提高，充分利用了标签具备的数据处理功能。举例来说，奶制品公司的每个RFID标签都连接到数据库，其中带有包装盒中冰淇淋的生产参数，包括生产时间、批识别信息和产品线等。这使Wells'公司的操作人员能够精确的了解每个标签何时被粘贴，而且批量发货属于哪一批等信息。

总而言之，RFID标签识别数据的高级特性有助于强化用户数据库的物理状态和环境数据，确保工艺过程的变化或测试有效的进行，并支持相关的决策和实施，以便进一步提高产品质量。

Galles指出：“RFID的作用在于，它能够加强工厂生产的可视性，因为我们可利用RFID收集信息，信息采集的方式与现有设备相配套，这就为我们创造了更多的价值。为了实现投资的最高回报，我们应继续使用现有工艺进程所采用的ControlLogix平台来进行RFID系统的设计工作。”

RFID基础知识
RFID标签不需要监视生产线，可以处理更多的数据。尽管条形码无处不在，价格也相对低廉，但RFID标签的鲁棒性更高，理应取代条形码。此外，RFID比传统的无线电发射器和其它无线技术的成本都要低廉。

不过，就目前的应用情况而言，RFID主要用于识别、材料处理和其它类型的文档工作。这可以满足沃尔玛公司和美国国防部（DoD）关于安装RFID系统的要求。人们对该技术的发展给予了极大的期望，不过也有报道指出，它实现还面临着障碍，投资回报也存在着疑问，因此RFID的实施不宜操之过急。

图1：带有嵌入式RFID标签的车体
通过Toyota南非公司的组装线

有鉴于此，通常来说，应用发展走势如何说到底要靠用户来做主，用户应当明确自身需求，了解RFID的功能和成本，然后再决定RFID是否有助于提高工作效率，促进决策，加强质量控制，并促进生产。如果不适合，用户还是会选择条形码、无线电发射器或有线网络等技术。

Omron Electronics LLC的Bill Arnold指出：“如果说，数据采集系统用其‘眼睛’看到条形码，那么它也可以通过系统的‘耳朵’听到RFID标签的信息，而且还能通过系统的‘语言’与其交谈。如此说来，RFID技术对于供应链实现控制和可视性来说显然是更好的一种途径。条形码只有14至16位，而每个RFID标签则有96至256位，作为一种独特的技术，它可用于明确产品的各种参数，包括生产班次、所用机床以及操作人员等。”

RFID标签可以是只读的、一次写入多次读取的（WORM）、读写式的、可用天线/读取器被动读取的，或者是主动发送信号的（通常由电池协助）。

ArnoldSo指出：“基本上，RFID是一种自动化的数据采集技术，而不是一种控制技术。不过我们可将该技术集成在控制系统中，因为系统可读写RFID信息。条形码能够跟踪物料事件，而RFID除了跟踪事件外还可记录事件、参数并进行测量。其存储数据，适用于严酷条件并可被写入的特性使RFID比条形码更强大，也比无线电发射器更廉价。这意味着用户能够更快的做出决定并实施改变，比方说它可以帮助我们迅速的找出没能通过检测标准的物料。”

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Omron推出的125-MHz RFID标签和V700 RFID读取器最近还与Intermec条形码系统相结合，系统集成商SMS Group将其安装用于优化印第安纳州Total Interior Systems-America（TISA）公司的汽车座椅生产系统，并提高了它的跟踪功能。该公司为附近的丰田工厂提供汽车座椅。SMS自动化和数据采集经理Mike Deal指出：“这里，RFID标签用于取代已有的条形码。RFID标签能够全面跟踪TISA的just-in-time（JIT）和just-in-sequence（JIS）系统，预先确定了每个座椅的标准和位置。”

Deal补充说，TISA的传送带由PLC和SMS的定制核心中间件控制，通过Omron的读取器存取标签数据。中间件还与TISA的PLC及其ERP系统通讯。由于标签在RFID集成器的“闭环”中重复使用，因此TISA系统可实现持续的JIS确认，而且据称能在六个月内收回投资。

Omron的报告显示，该公司新近推出的RFID工具包包括RFID读取器、软件和打印机等，可帮助用户以1.2万至1.5万美元的成本实现符合RFID标准的手工系统，低于传统系统通常高达20万美元的成本。

从闭环到开环
与传统的无线电发射器类似，RFID标签设备以前也是成本约100美元的砖块状设备，通常在条件严酷的工业应用中监视工作过程（WIP），其功能强大，体现在工作距离更长等方面。Pepperl+Fuchs的智能系统经理Helge Hornis提到：“从历史上说，RFID标签上存储的读写数据能够帮助用户开发独立的工作机床，因为标签保存了相关信息和其它工艺数据。随着因特网和以太网的出现，用户开始采用具有更小存储器的标签来运行应用，这些标签被连接到了中央数据库和企业系统。”

几年来，标签的大小不断下降，与曲奇饼差不多大，其成本也降到几美元左右，而且标签仍在闭环应用中数百次的重复使用，这就降低了初始应用成本。标签通常用于跟踪大型物料，如汽车底盘和组件等，同时也加强了相关工作的经济性。

图2：Wells’ Dairy包装过程中，两桶装Blue Bunny冰淇淋的
外包装写入RFID标签信息并进行粘贴，随后冷冻
并运送到沃尔玛分销中心

Siemens Energy & Automation的工厂自动化感应器业务经理Alec Stuebler谈到：“传统的RFID标签工作时几乎就像一部扩展硬盘驱动器，用户可在RFID标签上读写所有数据，实现所有必需的质量测量要求。举例来说，RFID标签可确认汽车组装过程中的工具测量扭矩以满足预定义的测量要求，并允许组件装配进入下一步。另外，防热标签还能启动喷漆工作，在物料从250℃的炉子中完工出炉后还可监督质量。”

Steubler还讲到，RFID标签的读取距离从2毫米（工具加工应用中的埋入式标签）到300米（频率为2.4GHz的标签）不等。存储器大小从96-112字节到64K字节不等，不过存储器容量加大时用电也会增多，比如要消耗更多的电池电力才能保持存储器工作、才能够存取。

RFID系统的工作频率主要有三种：低频，低于1MHz；高频，全球科学测量统一要求的13.56MHz通用频率；以及超高频（UHF），高于800MHz。UHF可实现更长的读取距离，成本也更低，但同时也会面临一些干扰问题。

Siemens计划于2005年8月推出其Simatic RF 600和Simatic RF 300产品。上述900MHz的系统据说可实现3至5米的读取距离，其中将包括RFID标签、读取器、天线和软件等。

近期的技术进步使RFID标签的大小不断降低，几乎与半导体芯片的大小相当，小到足够植入于条形码，或其它标签中，也可直接置于产品之中。RFID标签粘贴的产品外包装或封装越来越小，而且往往是一次性使用的外包装，通常将此称作“开环”应用。

尽管技术不断进步，批量出货的无源RFID标签单价通常仍要花费35至45美分，少量出货要75至80美分，带有数据读写、存储和其它高性能功能的有源RFID标签单价则达85美分。不幸的是，有报道指出，RFID标签想要适用于大多数主流一次性开环应用的话，就必须降到5至10美分的阈值水平，当前价格显然要高得多。

无源RFID标签由小量RF能源供电，它在接近RFID系统天线或读取器周边的电磁场时就会被激活。举例来说，13.56MHz标签的读取距离可达1米。一旦标签加电，读取器就能与标签互动，并将标签数据传送给相连的控制器、PLC、PC或进一步上传给更高级的企业系统。

干扰、安全性和鲁棒性问题
与各种无线技术一样，RFID技术也面临干扰问题，通常在靠近金属和液体时都会出现这种问题。要是存在物理障碍，那么就要求标签、读取器的功能更强，这样成本就会更高，或者还要采用其它定制方法。

距离和物理读写限制通常可以避免未授权存取标签数据，不过开发中的新式RFID二代标准预计还将进一步解决当前的安全性关切问题。一代技术公布了EPC全球标准，目前许多RFID开发商都已采用该标准。

Impinj报告指出，其近期推出了完全集成的RFID二代系统，包括全面符合二代标准的芯片、标签、贴纸、嵌体和读取器等。

Escort Memory Systems（EMS）的市场经理Bradley Todd指出：“条形码是识别部件和部件去向的最廉价方法，不过在许多制造环境下，如喷漆炉、化工处理和肉类包装等，条形码根本就不能适用。RFID标签在工艺进程中一步步传递着信息，从而能在制造过程中帮助企业资源计划（ERP）进行决策。举例来说，用于跟踪阿根廷试验项目中牲畜养殖信息的标签可向养殖场的ERP系统添加信息，向其它闭环标签写入信息，可为封装上的条形码添加信息。”

Todd补充说，Toyota南非公司近期实行了RFID车辆跟踪系统（VTS）的第二阶段，为工厂添加了EMS的LRP RFID读写器天线和标签功能。系统集成商EMS SA建立了在诸多制造阶段和最终组装过程中跟踪车辆的RFID系统。EMS的报告指出，由于安装后可同时采用重复性使用和一次性使用的标签，因此此次RFID的应用意义非常重大。

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该项目的第一阶段采用了可重复使用的高温HMS150标签，而第二阶段则采用了LRP-L4982贴纸标签，其成本更低，大小与信用卡相当，作为一次性纸质标签，它还具备了存储器存储特性。

Todd还说：“由于RFID在每步之后都可读写，因此我们在工艺过程的早期就能发现问题，从而为后期节约了大量的金钱与时间。”

未来的发展
就RFID本身而言，它与传统的控制和自动化似乎关系不大，不过，配合数据库和其它现有的信息源，RFID对控制和自动化的工作大有裨益，尽管其发挥作用的方式往往是间接的。事实上，即将到来的技术进步（如节能的有源RFID标签）将使标签成为模拟、数字、以太网和/或因特网数据的无线发射器，从而成为无可置疑的优势技术。Arnold指出：“今后两三年内，RFID标签可能将与温度感应器相结合，标签还可作为恒定温度指示计。”

包装接口处的RFID监督消毒剂用量及质量

Colder Products连接系统中的RFID标签和读取器确保AmeriSpa足疗椅的药剂用量适当

Colder Products公司的报告指出，可以在液体消毒剂包装袋接口处添加极小的读写RFID标签，再配合13.56-MHz RFID读取器，这样就能识别标签。AmeriSpa公司在其足疗足浴椅系统中采用这种通用消毒剂匹配（UDC）技术，实现了有计划的消毒卫生机制。

Colder的智能技术业务经理Rick Garber指出，一旦接头匹配，RFID标签上的信息将加密并报告确认剩余药剂。一旦消毒剂包装清空，标签将转入只读状态。

Colder的RFID标签包括Phillips Semiconductor的64字节I-Code 1 RFID芯片，其中8个字节为只读序列号，48个字节为通用读写数据，8个字节为芯片的控制存取部分。

Garber解释说，除了调节用药剂量之外，AmerSpa足浴消毒卫生系统中的UDC还可避免使用伪造的清洁器，从而避免了污染和感染。他补充说，匹配的读取器可连接于更高级别的网络，未来还可实现报告和预订功能。

RFID基本术语解释
基于英国的Pelican Control Sys-tems公司在其“RFID系统通用定义”网页（www.pelican systems.co.uk）上介绍的许多基本的RFID概念。以下列出一些Pelican提供的常用定义：

RFID标签/贴纸/脉冲转发机是粘贴于监视或处理物品上的标识器。脉冲转发机的大小、存储器容量、物理构造和工作距离各不相同。

读取器/扫描仪作为脉冲转发机和数据环境间的监视和/或操作接口进行工作。读取器管理与脉冲转发机之间的数据通讯过程，并临时存储信息或向数据环境传输信息。

工作频率，通常低于1MHz，为13.56MHz或高于800MHz，它决定着RFID系统的设计特性，如材料穿透、数据传输速率、所需的能量以及工作距离等。

无源RFID系统采用外部电源（如天线或读取器）供电的脉冲转发机。无源脉冲转发机通常比有源产品便宜，但其工作距离和数据传输能力有限。

有源RFID系统使用电池或导线连接作为电源为逻辑电路系统供电，从而突破了无源RFID的限制。

电磁感应、电场干扰（也称作反向散射或现场干扰调制）和无线电数据通讯是标签和读取器间RFID通讯耦合的三种方法。电磁感应系统通常工作在低频（约125kHz）上，调节要求很少；也可工作在13.56MHz频率上，这时应用正常的无线电和频谱分配调节。电场基于读取器发射的无线电能量将会通过脉冲转发机收集并反射。读取器和脉冲转发机发射无线电信号进行联系时，就会形成无线电数据通讯。

抗争用通讯协议。如果系统不使用抗争用通讯协议，那么它一次只能与一个脉冲转发机通讯。这意味着脉冲转发机要彼此独立，逐次处理，这样在时间上就会相当复杂，耗时不菲。抗争用协议在处理独特或重复识别信息的能力上互有差异，在处理不同脉冲转发机数量、脉冲转发机稳定性或变化移植情况时的功能也有所不同。

只读存储器脉冲转发机由制造商内置独特的编程代码，不能改变。脉冲转发机识别信息必须通过检索表与特定项目相关联，这就实现了高级数据安全性，不过其灵活性较差。

一次写入多次读取（WORM）脉冲转发机可由用户在制造之后根据规范要求进行编程。一旦编码后，数据不能改变。这实现了较高的安全性，也比只读存储器更为灵活。

读写脉冲转发机所包含的存储器可在正常工作过程中加以改变，通常应用于动态数据库。