浅谈RFID技术在汽车生产线上的应用

0  引言

　　目前汽车行业信息化程度良莠不齐，有些信息化程度很高，有些则刚刚处于起步状态，有些甚至仍然沿用完全手工操作记录的方式。但所有企业都希望能够建立识别系统来帮助整个企业的管理提升到一定的水平，整个物流环节的效率能够提高，差错率能够降低。虽然各个企业大都建立了自己的ERP系统，但每个企业都存在信息系统各自为政，信息孤岛情况严重，而且信息化程度严重的不一致，我们国内企业的信息化状况尤其落后。可是每个企业对信息化建设的投入却都是长期的，对识别系统建立的迫切性渴望性非常强烈。

　　汽车零部件工业是汽车工业的重要组成部分，是保证汽车工业长期稳定发展的基础。经过近几年的发展，汽车配件配套市场达2000亿元，维修市场达600亿元。不仅形成了一定的经济规模，汽车质量水平也有了很大提高。汽车零部件随着汽车的国产化的带动，初步形成比较完整成熟的零部件配套体系。

　　射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。。

　　随着经济一体化的快速发展，汽车工业开放程度越来越高，国内的汽车制造业面临着巨大的经营压力。汽车行业有些信息化程度很高，而有些仍沿用完全手工操作记录的方式。虽然大部分企业都建立了自己的信息体系系统，但大都存在信息化程度严重不一致的情况。同时随着汽车大批量的生产及使用，社会对于汽车工业发展的要求也将越来越高，所有企业都希望能够建立识别系统使自己的管理水平得到提升，以提高效率、降低差错率。汽车业必将会是RFID技术产生巨大影响的一个主要领域。

1 RFID系统的基本原理及分类

1.1 RFID系统基本原理

　　RFID（无线射频识别）是近年来迅速发展的一种快速识别技术，通过对被识别物体的无接触识别获取资料信息，与传统条形码技术相比，具有数据容量大、无接触识别、保存时间长、耐污适应恶劣环境等特点，被广泛应用于各行业。

　　与其他行业相比，汽车厂商和零部件供应商面临的压力更大：一方面，他们需要不断降低成本；另一方面，他们还要保证自己的产品符合该行业尤为严格的质量标准。近年来，汽车制造商在供应链管理系统上花费了他们大量的IT预算，目的是实现透明与灵活的供应链。RFID技术在物料与产品跟踪上的作用，将对汽车供应链产生积极的影响，通过部署RFID系统，可实现供应链过程的可视化管理和制造过程的分布式控制。

　　典型的RFID自动识别系统由以下几部分组成：数据载体，读/写单元和接口模块，接口模块以总线方式或串口通讯方式与PLC、PC等控制单元相连。

　　RFID的基本原理是利用空间电磁波的耦合或传播实现对象信息的无接触传递，以达到自动识别被标识对象，获取标识对象相关信息的目的[3]。系统启动时，由读取器产生特定频率的无线电信号，激发标签内部晶片中的程序，进而产生射频电波，并将记忆体中的识别码（ID Code）传回读取器，经由计算机解码后完成辨识功能。一套基本的RFID系统一般由两部分组成：电子标签（Tag）和阅读器（Reader）[4]，如图1所示。电子标签和阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合（交变磁场或电磁场），在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递与数据的交换。为了更好地完成无线射频识别技术的识读功能，在较大型的RFID系统中，还需要用到中间件等附属设备来完成对多读头识别系统的管理[5]。

1.2 RFID系统的分类

　　按照电子标签获取能量的方式，RFID系统分为有源系统和无源系统。

　　按照工作频率的不同，RFID系统分为低频（30 kHz～300 kHz）、高频（3 MHz～30 MHz）、超高频（300 MHz～3 GHz）和微波频段（2.4 GHz～5 GHz）系统。

　　按照调制方式的不同，RFID系统可分为主动式、被动式和半主动式。主动式的RFID系统用自身的射频能量主动地发送数据给阅读器（读头），调制方式可为调幅、调频或调相。被动式的RFID系统使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器的载波来调制自己的信号，此时读头可以确保只激活一定范围内的射频系统。半主动式的RFID系统也称为电池支援式反向散射调制系统，它本身带有电池但只起到对标签内部数字电路供电的作用，标签不通过自身能量主动发送数据，只有被阅读器的能量“激活”时，才通过反向散射调制方式传送自身数据。

2 RFID在汽车生产线中的应用

　　在企业车间现场建立统一中心数据库，作为物品流通的信息平台，以便于整体规范管理。在工业环节利用RFID技术为每一个在制品零部件赋予一个识别编号（ID），也就是该部件在信息网络中的名字，通过RFID技术，将生产状态，库存情况映射到信息网络中，登记在现场中心数据库里，在传送到信息体系中（如ERP，MRP）等

　　将RFID技术应用于生产线监控，可以实现自动控制和检测，节约成本。RFID标签可以标识每1件产品，通过应用程序记录每1件产品的原料和来源、生产线位置、生产过程和库存状况等信息，为企业更好地管理生产和调整库存等提供有效的依据。

　　汽车制造业原本就是典型的多工种、多工艺、多物料的大规模生产过程，如今随着个性化汽车的发展（购买者可以对汽车进行定制），几乎每1辆汽车都会有一些个性化的地方，因此，有必要在生产的全过程中应用RFID技术实现透明化。汽车产业链可简单划分为零件制造、整车装配与售后服务3个基本环节，目前RFID技术主要应用于零件制造和整车装配环节。无论是零件生产厂还是整车装配厂，仅由人工管理数量庞大的零部件和复杂、众多的制造流程，不但容易出错而且无法从源头上快速提高各流程的运作效率。

2.1 RFID在汽车焊接生产线的应用

　　在早期汽车车体焊接生产线上，大多使用人工方式，看书面操作说明书一步接一步地操作，很容易发生人为错误。后来逐渐改用条形码标签来管理，虽然降低了人为出错率，但经常因为生产现场的粉尘、高温振动、油污等影响而发生识别错误。再遇到带有罩子的情况时，无论是条形码标签还是人工也都不能放心使用。RFID在汽车焊接生产线应用示意图如图2所示[6]。

　　图2中，选择耐高温、防粉尘、防金属、防磁场、可重复使用的有源封装标签，通过自动识别作业来监控焊接生产线作业。可将操作指示信息（车种信息、焊接指示信息、程序等）存储在目标托盘中，天线为了避开人和机器的影响可设置在焊接生产线较高的地方，由于RFID标签的强抗污染能力和强耐久性，大大减少了识别错误并且可以有效提高内部供应链的可视化程度。

2.2 RFID在汽车涂装生产线的应用

　　汽车涂装生产线的工艺过程繁多复杂、车型变化大、生产灵活性大，而汽车涂装的目的在于使销售的每1辆车让消费者看起来都更加完美。因而，车间生产线的各个工艺环节都必须具备非常高的自动化水平和质量监控系统。所以，在生产线自动控制系统的车身识别系统中采用RFID技术，可以对生产过程中各类现场数据的统计、状态监控以及质量检测等信息进行实时采集，及时送至生产控制中心。

　　在汽车涂装生产线上，输送设备为滑撬输送机，如图3所示，在每1个载有汽车车身的滑撬上都安装有1个耐温达240℃的RFID无源标签，在整个生产流程中，这个标签随工件运行，形成了1个随车身移动的数据，成为1个随身携带数据的“智能车体”。根据生产工艺及管理的不同需要，可在涂装车间出入口处、工件物流的分岔处、重要的工艺过程（如喷漆室、烘干室、存储区等）入口处设置现场读写站。每个现场读写站都可以完成滑撬、车身信息和喷涂颜色及次数的写入，同时把信息送入控制中心。

　　RFID技术结合光纤以太网及现场总线可以构成一个复杂的自动控制系统，实现汽车涂装生产线的柔性生产，提高汽车车身生产的自动化水平和适应不同品种生产的灵活性，使系统具有很好的可靠性和容错能力。

2.3 RFID在汽车总装生产线的应用

　　总装车间作为汽车整车生产的环节，涉及零部件众多、工序繁多，对保证汽车质量和生产进度起着重要作用，任何装配工序的中断就意味着作业的耽误。在总装生产线上，特别是在采用JIT（Just In Time）准时制生产方式的流水线上，原材料与零部件必须准时送至工位，库存与物料供给也必须配合车辆装配进度。采用RFID技术之前，汽车制造厂是以人工方式，通过采用条形码或纸制识别卡来实现对车辆装配进度的实时追踪与监控，其缺点是条形码和识别卡极其容易被毁坏、调换或丢失，从而造成生产作业出现错误操作。

　　以Ford汽车公司为例，其墨西哥工厂早在几年前就开始采用RFID技术解决上述问题。该厂在组装车辆的挂具上安装可回收、可重复使用的RFID标签，然后为每台组装车辆编制相应序号，用阅读器将此序号写入RFID标签中，带有汽车所需的详细要求的标签随着装配输送带运行。在每个工作点处合适的位置安装阅读器，以保证汽车在各个流水线位置处都毫无错误地完成装配任务。当载有组装车辆的挂具经过阅读器时，阅读器可自动获取标签中的信息并送至中央控制系统，该系统便做到了实时采集生产线上的生产数据、质量监控数据等，然后传送给物料管理、生产调度、质量保证以及其他相关部门。这样就可同时实现对原材料供应、生产调度、质量监控以及整车质量跟踪等功能和有效避免人工操作的各种弊端。

3 RFID技术面临的问题

　　RFID是一项新技术，其应用正处在快速发展之中并且有着巨大的发展潜力。但也有其局限性，在推广应用中遇到了不少挑战，主要表现在以下几个方面：

　　（1）成本问题。成本是制约RFID推向应用市场的巨大瓶颈之一：①作为RFID系统中的重要部件，不论是电子标签还是阅读器，其价格都比较昂贵。仅仅是标签的单个成本就已达到了30～60美分，一些低价位的商品无法采用的RFID标签；②完整的RFID系统还需要其他硬件和软件的支持，终安装1台RFID识读装置的成本不会低于10万美元，而整个系统未来的维护费用还将占有不小的比例；③一个复杂的射频识别系统肯定会影响现有的业务流程，必将要求相应的人员培训和业务流程重组，其服务成本也需要考虑。

　　因此，如何降低成本成为RFID技术被广泛应用的关键因素之一。降低成本首先考虑整个标签供应链，包括标签芯片的成本、标签天线的成本、标签封装以及标签印刷的成本。在满足功能和性能的前提下，努力降低芯片面积是降低芯片成本的关键，采用先进的制造工艺，优化芯片的设计很重要。在标签天线的制造方面，目前有铜腐蚀方法和导电银浆的印刷方法，都需要从成本降低的角度加以改进和提高。

　　（2）技术标准。技术标准是RFID标准体系中基本的组成部分，标准化是推动产品广泛获得市场的必要措施。但射频识别读取机与标签的技术仍未见其有统一的标准，因此无法一体化使用；阅读器与电子标签通信的无线电频率使用不规范；标签上的芯片性能、存储器存储协议与天线设计约定等，也都没有统一标准。在今后一段时间内，技术标准问题仍将继续阻碍RFID在我国的推广。

　　（3）隐私与安全问题。将来随着RFID的大规模应用，在射频识别实施过程中，隐私和安全必将成为普遍关注的问题。目前的无源RFID系统没有读写能力，所以无法使用密匙验证方法来进行身份验证，如果标签是有源的，并且会收到不断变化的验证密钥，那将会大大提高其安全性，不过这又会增加其成本。因此，目前的RFID技术要想在对信息有保密要求的领域展开应用还需要加强研究。

　　（4）电磁环境问题。RFID应用的电磁环境是一个开放的电磁环境，对开放电磁环境的复杂性认识不足，缺乏足够的依据和指导。特别是对于相对较复杂的汽车工业生产现场，例如焊装工艺生产线，焊接设备在焊接过程中的电磁干扰发射不仅会对电网造成污染，而且，对连接在同一电网中的用电设备造成影响和损坏，对设备品质、网络通信和信号传输也都是重大的考验。此外，因为RFID技术还处在发展过程中，其测试方法尚未形成规范，远距离RFID系统面临的电磁环境问题尤其突出。

4  结束语

　　RFID技术在汽车生产线中的应用，有着其他技术无法比拟的优势，非接触式自动获取数据并且可承受恶劣工作环境，这就保证了其优点是配置灵活、响应速度快、对系统通信的要求低，使生产厂能准确采集相关数据并进行在线分析和处理，实现汽车生产线的自动实时追踪和有效监控，提高了生产效率。相信随着RFID技术的不断发展和应用系统的推广普及，RFID技术在性能方面必将会有较大提高，成本也将逐步降低，从而安全隐患也将得到缓解。RFID技术必将成为汽车信息化制造与汽车信息化管理的主流，从而推动汽车产业的发展。