RFID專題：51 智慧工業管理
8.6智慧工業管理
超高頻RFID在智慧工業中有多種應用，包括生產自動化管理、產線工人管理、生產工具管理、生產設備管理、自動化傳感等。雖然超高頻RFID芯片在智慧工業領域出貨量的占比不高，但單個標簽芯片產生的經濟價值是所有應用中最高的。本節主要針對在智慧工業管理中價值鏈最高的超應用項目，自動化生產管理應用和無源無線電力測溫應用。
8.6.1 自動化生產管理
01、項目背景
在傳統的制造企業中，日常管理更多的是集中在產品管理、質量管理、倉庫管理、移動資產管理、現場人員管理、車隊管理等等。而生產線信息的采集通常是采用人工采集、手工輸入的方式。這種人工采集、手工輸入的方式準確性遠遠不足，存在較大的錯誤率。且手工輸入只能定時進行，導致生產計劃只能按周計劃、月計劃提交，不能精確到日。系統中生產數據無法實時更新，滯后情況嚴重，不利于生產流程的順利進行，制約了產能的進一步提高。同時制造企業大部分職能部門大多使用紙和筆的初級記錄方式，這使得制造企業的大部分職能部門面對著大量的數據錯誤，降低了企業整體的生產力。
制造企業已意識到這些問題的存在，并嘗試使用新興技術去解決這些問題。目前，部分生產型企業采用條碼識別的方式來提高數據錄入的準確性，但條碼識別還是存在技術上的瓶頸：
工人的效率不同，容易引起小組的分工不均勻；
生產異常、生產線瓶頸問題無法實時發現；
勞動效率低下，實際工作時間利用率不高；
條碼標簽一旦印刷不清晰、有折疊的痕跡等問題時，條碼槍便很難識別；
無法實時追蹤，管理層難以根據工作狀態進行工作安排，如果工作過程中某個工序出現問題，要排除問題也必須等到下一天；
條碼數據采集需要專門安排人員隊伍進行操作，勞動成本開銷大。
因此，以條碼識別為代表的生產線管理系統已經越來越不能滿足企業對高效、精益化生產管理的要求，企業在深化現代管理理念的同時，構建更先進技術的生產線管理系統具有重要的意義。
02、解決方案
隨著物聯網技術的快速發展，智能化制造業生產結合了超高頻RFID技術和現有的IT系統，建立智能化、數字化生產線的實時管理體制，讓生產更優化、更合理地利用資源，從而提高生產產能、資產利用率以及高質量控制，讓生產創造更大的效益。超高頻RFID技術打造一體化智能產線管理。
超高頻RFID正在進入制造過程的核心階段。通過在車間層逐步采用超高頻RFID技術，制造商可以直接且不間斷地獲取信息并鏈接到現有的、已驗證和工業加強的控制系統基礎結構，與配置超高頻RFID功能的供應鏈協調，不需要更新已有的制造執行系統（MES）和制造信息系統（MIS），就可以發送準確、可靠的實時信息流，從而創造附加值，提高生產率和大幅度地節省投資。
超高頻RFID技術生產線管理是在生產線、產品轉存區和暫存倉庫應用先進的超高頻RFID自動識別技術，使用可重復讀寫的電子標簽（每個電子標簽都有唯一ID號，以及可讀寫數據區，將產品信息寫入電子標簽中），在生產線下線工位及倉庫出入口安裝閱讀器，通過讀寫標簽信息自動寫入和采集各位置產品信息，并與其它的MES系統共享數據信息，信息同時顯示在顯示屏上，生產線操作員可根據相應提示對需要加工的產品從下線到倉庫轉存、暫存、再上線生產進行全流程跟蹤管理。如圖8-31所示為超高頻RFID技術生產線示意圖。這樣可以保證生產線之間貨物批次箱號的對應，各條生產線能毫不出錯地完成生產任務，且記錄下生產過程中的重要信息，可為將來的質量信息追溯提供基礎數據服務。
工位管理，一般用于計件生產場合，員工用身份卡刷卡開始工作，讀取產品上的電子標簽記錄加工產品的信息，主要作用有記錄員工出勤、工作數量信息；記錄產品信息，提供動態進度信息，并可通過數據分析發現產線產能瓶頸，提供生產依據。
自動化產線管理，在自動化產線應用中，在產品上或載具上安裝電子標簽，利用產線的閱讀器讀取產品信息，以便為自動化加工提供加工屬性依據。
產線軌道超市管理，產線上料區安裝閱讀器，讀取料箱或工件信息，為快速補料提供依據，提高生產效率。
流利架超高頻RFID管理，在每個流利架安裝電子標簽閱讀器以及小型顯示屏，自動記錄上料批次以及數量，并及時提供上料預報信息，上料時可燈光提示上料口以及顯示批次物料名稱等信息。
圖8-31超高頻RFID技術生產線示意圖
超高頻RFID對工序管理解決了工序管理對人工的依賴，整個生產制造過程的工序更加精確便捷，對于在制品的工序可以實現跟蹤、追溯。一旦有任何制品出現問題，都可以迅速找到問題源頭，立刻解決。相較于人工，大大提升效率。
超高頻RFID技術自動采集生產中各個專業環節中的數據，形成信息實時采集與傳輸，讓系統統計數據方便、及時、準確。提高了生產流程的工作效率，打造成本控制管理可視化、產品物流運態監控管理。
03、系統收益
基于RFID技術生產線管理系統的建成，可為企業帶來如下收益：
（1）生產數據能夠準確、實時的采集
生產數據的實時反饋是保證生產運營暢通的基礎。系統在生產車間采集實時生產數據是閱讀器設備實時自動采集，閱讀器通過讀出貨物電子標簽中的特定信息實時的反饋到系統中，服務器每5秒鐘（更新頻率可以根據需求而定）更新一次數據。通過這種操作方式系統能夠提供實時的生產數據進行采集和數據分析。
（2）生產力在原有的基礎上實現提升
生產力是生產管理的關注熱點同時也是管理難點，如果提升了生產力就意味著企業的產量提高、利潤可以增加。生產車間實時生產數據反饋到系統，通過系統監控可以實時的發現阻礙生產流水線暢通的原因，及時發現生產瓶頸所在。系統是通過實時數據歸集對每個車間、每個組、每個工位的生產情況進行實時的監控，從而可以發現任何生產環節出現的非正常狀態，并及時解決阻礙生產流水的瓶頸。從整體上保障了流水線的暢通，提高了生產力。
（3）訂單進度實時跟蹤，保障及時交貨
訂單如果不能及時交貨意味著公司不但不能盈利反而導致虧損，同時也影響公司的信譽度，使公司將來的發展受到很大的影響和阻礙。特別是出口企業對于訂單的及時交付顯得更為重要。系統根據客戶訂單，實時跟蹤生產產品從開始生產到結束生產整個生產流程，從而精確的掌握每個訂單的生產進度，保證按時交貨。
8.6.2 無源無線電力測溫
01、項目背景
電力設備安全可靠性是超大規模輸配電和電網安全保障的重要環節，尤其我國正處于經濟快速增長時期，國家電網的電力供電負荷日益增加，在持續擴大供電的同時，也給電網電器設備帶來一系列的安全問題。為盡可能的避免各類電力事故，電力設備安全運行實時監控的任務迫在眉睫。
電網設備中的觸頭和接頭是電網安全的一個重要隱患?，F有統計結果表明，故障主要發生在如下位置：
開關柜中動、靜觸頭故障。開關柜在電力系統中被廣泛應用，是輸配電系統中的重要設備，承擔著開斷和關合電力線路、線路故障保護、監測運行電量數據的重要作用。開關設備因高壓斷路器動、靜觸頭接觸不良，加上長期的大電流、觸頭老化等因素易致其接觸電阻增大，從而導致長時間發熱、觸頭溫升過高甚至最終發生高壓柜燒毀事故。
電纜接頭故障。隨著運行時間的延長、壓接頭的松動、絕緣老化、以及局部放電、高壓泄漏等，將引起發熱和溫度的升高，這將使運行狀況進一步惡化，促使溫度進一步提升，這一惡性循環的結果就引發短路放炮，甚至火災。
傳統的溫度測量方式周期長、施工復雜，效率低，不便于管理，發生故障時要耗費大量的人力物理排查和重新鋪設線纜。而在特定場合下監測點分散、環境封閉或有高電壓，很多測溫方式無法實現測量工作。再加上高溫對電池影響非常大，正常電池無法長時間工作，且電力設備中更換電池非常麻煩，因此無源無線測溫系統應運而生。
02、技術對比
現有的無源無線電力測溫技術共有三種，分別是超高頻RFID溫度傳感技術、聲表面波（SAW）技術和感應取電（CT）技術。如表8-1所示，為無源無線電力測溫的技術對比表。其實這三種技術的實現方式在本書中都有介紹，超高頻RFID溫度傳感技術在4.6節無源傳感標簽技術中有詳細介紹；聲表面波技術在4.3.7節無芯超高頻RFID技術中有介紹。溫度變化會改變聲表面波的諧振頻率，可以通過頻率的變化反算出當前溫度；感應取電其實就是使用電感線圈耦合電力線上的50Hz交流電流轉化為直流電，再給無線射頻芯片和傳感器供電，其取電模型為1.3.2節中介紹電感耦合取電方式。
表8-1無源無線電力測溫的技術對比
這三類技術方案的成本相差不多，但技術特點差異較大：
感應取電方式，由于可以使用通用無線芯片通信，具有最遠的傳輸距離。其缺點為必須套在線纜上才能取電，若需求測溫點尺寸很小，則無法使用；且感應取電設備本身體積較大，使用多有不便。由于是通過電感耦合取電，若取電點的電流過大或過小都無法取電，電流太大會損壞電路，電流太小無法提供足夠的感應電流。還有一個缺點為無法現場調試，為了保證人員安全，在安裝測溫設備時必須設備斷電，而線纜上沒有電流就無法取電，測溫系統無法測試。
聲表面波作為無芯射頻識別標簽時就暴露出了諸多問題，如無法支持多個標簽同時識別，模型信號數據識別率低，一致性差等問題，作為測溫使用時其測溫精度較差。還存在長時間高溫使用時其特性會發生變化，引發系統維護成本高。
綜合分析，采用超高頻RFID溫度傳感的方案最具競爭力。
03、系統結構
如圖8-32所示為超高頻RFID無線溫度傳感的系統方案。首先將不同形態的溫度傳感標簽固定在測溫點上，并記錄EPC號與測溫點的位置關系。閱讀器通過天線采集每個測溫點上的電子標簽溫度數據，并通過ModBus或485總線將數據傳出來，最終的數據可以通過DTU達到云端，也可以在遠程監控終端上顯示。
圖8-32 無源無線測溫系統方案
此處使用的超高頻RFID無線溫度傳感的系統工作協議為EPC C1 Gen2；工作頻率為920MHz~925MHz；讀取距離為1.2~8米；系統要求的工作溫度范圍為-40℃到150℃；系統要求的環境耐溫范圍為-40℃到225℃；溫度誤差為±1℃；標簽均為抗金屬標簽；安裝方式為螺絲、不干膠、卡扣、綁扎等；防護等級為IP53~IP65。
04、解決方案
本節針對三種常見電力測溫場景的解決方案進行詳解。
（1）低壓柜接插件測溫方案
低壓配電柜的進出線接插件部位由于頻繁的插拔，是產生故障溫度異常的主要部位。且待測點眾多（每個抽屜需6個點）、結構復雜。傳統方式無法完成監測需求，悅和科技利用小體積、高靈敏度的TSC250905溫感標簽直接與接插件粘合，放于插塊內，通過安裝在電纜室的天線與進線柜二次儀表室的閱讀器獲取所有待測點的實時溫度，方便安全、靈敏可靠。如圖8-33所示，為低壓柜測溫方案結構，圖中展示了閱讀器天線的裝置位置和標簽的安裝方法。
圖8-33低壓柜測溫方案結構圖
圖8-34為TSC250905-3溫感標簽裝配圖，TSC250905-3溫感標簽專為環網柜出線頭測溫設計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標準閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達3米；標簽完全內嵌在標準堵頭內部，不改變現有堵頭的外觀結構和安裝要求，整體簡潔可靠；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內頻偏＜2MHz。
圖8-34 TSC250905-3溫感標簽裝配圖
（2）環網柜堵頭測溫方案
環網柜套管及堵頭處是溫度異常故障頻發的高危區域，由于高壓器件的安全要求較高，結構緊湊，且真實發熱點在內部允許安裝傳感器的區間較小，傳統方式無法完成監測需求。悅和科技特殊設計了圓環標簽TSP453401-3與TSC130905-3，直接套在金屬嵌件處或者與金屬嵌件粘合并鑄造在堵頭環氧層內，通過安裝在電纜室頂部的天線與配自動化柜內的閱讀器，實時監控3相堵頭處的溫度數據。如圖8-35所示，為環網柜堵頭測溫方案結構，圖中展示了閱讀器天線的裝置位置和標簽的安裝方法。
圖8-35環網柜堵頭測溫方案結構圖
圖8-36所示為SP453401-3系列圓環測溫標簽裝配圖，TSP453401-3系列圓環測溫標簽專為環網柜出線頭測溫設計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標準閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達2米；標簽夾在標準堵頭中間，不改變現有堵頭的外觀結構和安裝要求，整體簡潔可靠；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內頻偏＜2MHz。
圖8-36TSP453401-3系列圓環測溫標簽裝配圖
圖8-37為TSC1309-3系列陶瓷測溫標簽裝配圖，TSC1309-3系列陶瓷測溫標簽專為環網柜出線頭測溫設計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標準閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達2米；標簽完全內嵌在標準堵頭內部，不改變現有堵頭的外觀結構和安裝要求，整體簡潔可靠；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內頻偏＜2MHz。
圖8-37TSC1309-3系列陶瓷測溫標簽裝配圖
（3）中置柜動觸頭與母排測溫方案
中置柜中，動觸頭與母排結合部是溫度異常事故的主要部位，悅和科技特殊設計了卡扣型測溫標簽TSC250905-K3與音叉型測溫標簽TSC303005-C3，可直接安全緊固的連接在動觸頭與母排螺栓處，通過放置在母線室的天線與儀表室的閱讀器，實時監控待測點的溫度數據。如圖8-38所示，為中置柜動觸頭與母排測溫構，圖中展示了閱讀器天線的裝置位置和標簽的安裝方法。
圖8-38中置柜動觸頭與母排測溫方案結構圖
圖8-39為TSC303005-C3系列音叉標簽裝配圖，TSC303005-C3型音叉標簽專為開關柜內母排，出線等連接點測溫設計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標準閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達10米；音叉型結構件設計可直接通過母排搭接螺絲固定；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內頻偏＜2MHz。
圖8-39TSC303005-C3系列音叉標簽裝配圖
圖8-40為TSC250905-K3系列卡扣式標簽裝配圖，TSC250905-K3型卡扣標簽專為開關柜內動觸頭測溫設計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標準閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達3米；卡扣型結構件設計可直接卡入動觸頭任一觸指、安裝簡單牢靠，不改變動觸頭自身的伸縮特性；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內頻偏＜2MHz。
圖8-40TSC250905-K3系列卡扣式標簽裝配圖