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在工业应用中的基于代理的控制系统中的射频识别
罗克韦尔自动化研究中心，Pekarska#39; 695 / 10a，15500 Prague 5，捷克共和国布拉格捷克技术大学的控制论部，Technicka#39;2,166 27布拉格6，捷克共和国收到2007年1月15日; 2007年12月3日收到修订表格; 2008年1月7日接受可在2008年4月3日在线。
摘要：
射频识别（RFID）是一种用于自动识别物品的技术，特别是在供应链中，但对于工业应用却越来越重要。与检测从条形码标签反射的光学信号的条形码技术不同，RFID使用无线电波从固定到物理对象的RFID标签传输信息。与目前在仓库库存和供应链中最常使用这种技术相反，本文的重点是在工业环境中开发RFID，特别是用于基于实时可编程逻辑控制器（PLC）的制造控制。本文还提出了一个独特的架构，将RFID技术与基于代理的工业控制解决方案相结合，提出了特殊的RFID代理作为物理RFID读取器和其他代理之间的中介。这个解决方案的整体部分是工件代理的介绍，直接与制造资源代理商就生产的细节进行谈判。2008年Elsevier有限公司保留所有权利。
关键词：RFID; EPC; 制造业; PLC; 多代理系统; 模拟
- 介绍：
尽管条形码是用于当今使用的物理对象的标记和识别的最广泛的技术，但是该技术具有若干限制和缺点。 主要问题之一是需要手动定位物品，以便确保读取器装置和标签之间的视线。 另一个问题是，条形码不被设计为允许区分对象的各个实例（相同类型的所有对象具有相同的ID），并且特别是出于制造目的，因为标签被放置在物理对象的表面上 对于扫描仪是可见的，它对包含例如灰尘或油的脏环境具有低阻力。
射频识别（RFID）技术允许使用无线电信号远程识别物体，因此不需要每个物品的视线或手动定位。包括小芯片和天线的RFID标签附着到物理对象。当标签进入RFID读取器的范围时，其吸收来自无线电场的能量，具有唯一识别码的微芯片通过调制无线电波将该信息返回读取器。无源标签的传输距离范围从厘米到米不等，它们没有自己的电源。具有内置电池的有源RFID标签能够在高达100米的距离上传输其数据;然而，它们遭受更大的尺寸和更高的价格。 RFID的主要优点
条形码技术是RFID系统允许在通过读取器场时同时检测多个物品（例如，可以在不打开封闭箱的情况下检查所有物品的存在）。另外，每个物理对象具有其唯一ID（即使相同类型的两个产品具有两个不同的ID），使得能够精确地跟踪和监视每个单独标记的产品件的位置。
RFID标签和读取器本身只是整个RFID解决方案的一部分。最近，所谓的EPCGlobal架构框架（EPC Global，2007 ）已经被开发为用于物理世界中对象的自动和唯一识别的全球标准，并且它们与网络数据库中的虚拟表示的联系（Harrison等人，2004） 。 EPCGlobal架构框架提供了一套硬件，软件和数据标准，旨在促进贸易伙伴之间有关物理对象的信息交流。一个关键的组成部分是引入电子产品代码（EPC），其基本上是嵌入RFID标签的存储器中的唯一代码。 EPC编码方案（具有不同长度，例如96,128或256位）被设计为包含关于产品的制造商，产品类型的信息，并且作为相对于条形码的主要优点，唯一的序列号特殊产品。例如，96位EPC允许区分2.68亿不同的制造商，单个制造商1600万种不同的产品类型和相同类型的产品的680亿种不同序列号。
EPC信息服务是一种网络基础设施，使贸易伙伴能够通过标准接口共享其现有EPC数据的不同子集，从而不需要直接访问底层数据库。 支持技术是用于将EPC翻译成一个或多个因特网地址（URL）的对象名称服务（ONS），其中可以找到关于对象的进一步信息。 通常，这些URL标识EPC信息服务，尽管ONS还可以用于将EPC与与对象相关的制造商的网站相关联。
过滤和收集层，通常被称为中间件（Lee和Kim，2006）被放置在物理读取器基础设施和更高级信息系统（EPC信息服务）之间。它的作用是收集，过滤和聚合来自一个或多个RFID读取器的原始EPC数据，并将其转换为更高级应用程序和信息系统的有意义的形式。该层减少了发送到应用程序的信息量 - 只有重要的数据事件和摘要数据包传播到应用程序和信息服务器，而不是每个单独的标签读取（Chokshiet al。，2003）。在该层中执行的EPC数据处理的示例包括过滤（根据不同标准消除一些EPC，例如丢弃特定产品类型的所有EPC），随时间间隔的聚合（消除该间隔内的重复读取），分组（例如，一个特定的对象类）等。
RFID业务的所有主要厂商，包括IBM，Sun，SAP，OAT，Oracle或Microsoft都已经介绍了他们的RFID框架。 然而，在大多数情况下，目标是与企业应用程序的集成。 罗克韦尔自动化作为以ControlLogixTM可编程逻辑控制器（PLC）作为其产品的工业自动化解决方案的主要提供商，意识到需要针对工业环境的特定方面量身定制的专用RFID中间件解决方案。 此外，由于对基于代理的制造控制解决方案进行研究的悠久历史（Marı#39;ket al。，2005），本文中讨论的主要主题是相当独特的，在文献中很少涉及,是：
在工业控制环境中利用RFID技术。 目标是实现轻量级中间件应用程序，使得能够从各种RFID读取器收集，过滤和聚合EPC数据，并以适当的形式将其直接提供给在工业控制器（PLC）中运行的实时控制应用程序。
提出一种原始架构，使RFID技术与基于代理的制造控制系统集成。 引入了特殊的RFID代理（其内部嵌入中间件）以用作物理读取器和对RFID数据感兴趣的其他控制代理之间的介体。 另外提出了工件代理作为特定产品零件的智能和主动代表，在RFID的帮助下，直接与资源代理（机器，运输系统组件等）就生产和运输的细节进行协商。
本文的结构如下。 第2节讨论了常见仓库库存和运输跟踪系统和制造应用的RFID基础设施要求的主要差异。 第3节报告了专用于工业控制器的RFID中间件基础设施的开发，并讨论了一些有用的过滤方法。 第4节介绍了特殊的RFID代理，用于基于代理的控制应用中作为其他代理的RFID数据提供者。 第5节给出了一些结论。
- 面向制造的RFID框架要求
RFID技术的最近发展是由主要零售商对其供应商施加的强制性动机，要求他们使用RFID标签标记交货。为了保持业务，所有供应商都必须遵守，因此一直在寻找解决方案，RFID行业繁荣。使用RFID标签标记交付代表了供应商的额外成本，而零售商没有得到补偿。可以理解，供应商正在寻找方法来获得他们对RFID技术的投资的一些回报。这种尝试已经启动了利用已经在产品生命周期的生产阶段中的RFID标签的存在的想法。这种可能性随着项目级标签的引入而增加 - 而在此刻，大多数RFID标签是在托盘或箱子，很可能一旦标签价格下降，每个单独的项目将被标记。项目级标签的重点是越来越多的法规，旨在确保制造商分销商和药房的处方药流入（Collins，2004），要求使用有效的系统进行电子追踪和跟踪个人药品包装（电子谱系统）。 RFID标签用作处方药物的单独包装的唯一识别的相对安全的载体。
这是可以理解的，大多数RFID设备制造商专注于RFID市场的最大份额，并试图满足特定的仓储和鉴定跟踪业务的需求。在产品生命周期的生产阶段，寻找从RFID标签的存在中获益的方法，我们很快发现，RFID标签在制造过程中的使用有许多特定要求，如果使用RFID技术应该带来任何好处。物品级标签似乎是RFID标签在制造阶段的使用的主要促成因素。在单个物品（部件）上存在RFID标签允许在生产过程中有效地跟踪物品。在库存保持单元（SKU，例如箱子或托盘）水平处的标签似乎在以下方面带来非常有限的益处：生产阶段。在这项研究中，假设RFID标签的价格将迅速下降，并且项目级标签将在可预见的未来成为标准实践。另一个假设是，制造商可以通过在生产过程的早期标记项目来获得对RFID的投资（由零售商规定），并利用它们的存在来改进制造过程。
下面列出的主要差异在于要求RFID基础设施特定于仓库库存和货物跟踪和制造使用。
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- 要同时读取的项目数量
典型的仓储和货物跟踪应用在托盘或箱子的水平上使用RFID标签。 RFID读取器通常位于仓库的门口（门式读取器）。当接收到货物时，读取货物中的货物的RFID标签，并将关于接收的货物的信息存储在数据库中。这些应用中的大多数可以通过出现在读取范围中的大量标签来表征RFID读写器。需要读取所有标签，并且必须处理这些标签中包含的信息。其他典型的操作是使用手持RFID读取器在仓库的货架中搜索特定箱子或托盘，或者在客户在零售店结账时（在物品级标签的情况下）使用手持读取器。在某些情况下，启用RFID的叉车有助于跟踪仓库中货物的移动。如果使用手持式RFID读取器，则可能希望在此时仅读取单个RFID标签（读取器操作者仅想要获得关于单个感兴趣项目的信息，而不是关于相同存储架中的所有其它项目）。
虽然难以估计在制造过程中使用RFID标签的所有可能的方式，但是主要用途将在于识别生产线上的单个产品部件。可以假定单个标记的部件进入生产过程。这些部分通常依次进入该过程（一次一个）。在该过程中，不同类型的每个具有RFID标签的单个部件被分组在一起，因为最终产品正在从那些部件逐渐组装。各个标记的物品停止作为单独的部分，并且构思由这些部分组成的新物品，每个物品用先前属于各个部分的多个RFID标签标记。因此，制造中的RFID使用的重要特性似乎是将加标签的物品逐步分组成新实体
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- 时间临界
虽然进入仓库门户的货物通常包含大量的标记物品，并且所有这些物品都需要读取，但时间性能似乎并不高度关键。 即使货物在运行中被扫描（装载在通过门架移动的叉车上），运动速度也相对较慢。 读取器执行大量的读取周期以确保读取货物中的所有标签。 使用手持读取器对标签信息读取的速度没有要求。 扫描件和读取器的相对移动速度可忽略不计。
在制造应用中，必须假定物品以高速移动通过生产线，并且即使在高速下也能够读取标签信息是非常重要的。
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- 标签信息的处理
在仓储和货物跟踪应用中使用的系统的体系结构通常部署边缘控制器（IBM，2007）作为RFID读取器和企业级系统之间的接口。边缘控制器使用读取器协议连接到一个或多个RFID读取器，通常执行一些基本标签数据过滤，然后使用由企业级系统使用的标准通信协议之一将相关数据传送到数据库。 EPCglobal标准涉及在供应链中涉及的不同方之间共享标签产品的信息。 EPC对象命名服务允许感兴趣方基于EPC标签数据来定位关于项目的信息的来源。这些应用程序中使用的企业级系统能够处理不同的数据类型，并与数据执行大量的数据库事务。这就是为什么在边缘控制器的层次上标记数据的过滤不是那么重要。
可以假定在大多数制造应用中标签数据的主要处理方式是PLC。这种设备不被设计为利用标签数据（特别是以字符串格式）执行大量事务。这是为什么限制 在读取器级别或中间级（RFID管理器），通过高级过滤尽可能多地到达PLC的数据量
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- 制作工艺要求摘要
以前的章节试图指出主流RFID应用与RFID技术在制造中的应用之间的差异。 RFID技术在制造环境中的应用特点可以总结如下：
通常同时进入读者附近的标记物品的数量很少。 随着最终产品的组装，单个标记的部件停止作为个人，并且标记有多个RFID标签的以前属于从物品组装的部件的新标签被设想。标记物品的移动速度可以相对高，并且读取可靠性 critical.RFID标签数据由相对简单的设备（例如PLC）处理，而不是设计为处理大量的字符串数据。
显然，面向制造的RFID架构应当提供一些与当前面向仓储和货物跟踪的RFID系统不同的附加特征。这些特征应该（i）克服工业控制器（PLC）和（ii）的数据处理中的固有限制， ）在制造应用的关键方面提高RFID读取器的性能。 作为这些考虑的结果，罗克韦尔自动化决定实施专门的轻量级中间件应用程序，从各种读取器收集RFID数据，应用不同的过滤方法，然后使用标准化的工业通信基础设施（允许例如映射RFID 中间件作为可通过以太网/ IP访问的PLC的标准I / O模块）。
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为工业应用设计的RFID中间件
- RFID管理器
我们的RFID中间件架构的核心是称为RFID管理器的紧凑型Java应用程序，其任务是从RFID读取器收集EPC数据，应用基本过滤器并将数据临时存储在其内部存储器中。 RFID管理器具有一组定义良好的接口，通过这些接口，内部存储的EPC数据可以提供给各种外部应用，例如PLC控制程序，RFID代理，远程GUI，更高级别的信息系统，如MES或ERP系统 ，等等。 如图1所示，RFID管理器包括四个主要部分：（i）驱动器接口模块，（ii）过滤和处理模块，（iii）EPC数据存储器和（iv）应用接口。
第一模块管理RFID管理器与物理RFID读取器通信并接收数据的驱动器。 今天，大多数首选和几乎连接的充分连接类型是通过以太网。
然而，当需要时，例如在实时应用中，大多数读者也可以使用串行连接。 虽然EPCGlobal已经批准了一个与读者交互的标准（EPCGlobal Reader Protcol），但每个制造商仍然使用自己的特定通信协议。 RFID管理器因此包含用于主要读取器制造商的驱动器库，其可以通过添加新的读取器特定驱动器而被额外简单地扩展，而不需要修改应用的其余部分。 该架构提供了在运行时连接到新安装的读取器的动态能力，与不再需要的读取
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