0 引言

    RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)不可缺少的重要組成部分，其定義為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過電磁場(chǎng)進(jìn)行無線通信，自動(dòng)識(shí)別對(duì)象并獲取信息，具有可讀寫、存儲(chǔ)容量大、可靠性高等優(yōu)勢(shì)^[1]?！吨袊?guó)RFID技術(shù)政策白皮書》及《浙江省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確指出，RFID標(biāo)簽為重要研究對(duì)象。將RFID技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，可以極大地促進(jìn)信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合^[2]。

    針對(duì)電能計(jì)量器具，國(guó)家電網(wǎng)公司全面推進(jìn)“三集五大”體系改革，而大需求量的電壓互感器，基于其產(chǎn)品零件多、生產(chǎn)管理復(fù)雜的特點(diǎn)^[3]，對(duì)其進(jìn)行可視性、協(xié)作化、可優(yōu)化的智慧管理迫在眉睫。安佰江等人介紹了互感器資產(chǎn)管理的流程模式，分析了RFID技術(shù)在互感器資產(chǎn)管理和自動(dòng)化檢定中的應(yīng)用背景^[3]。談慧針對(duì)制造業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，闡述了RFID技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)提高生產(chǎn)效率的工作原理^[4]。王聰?shù)热嗽谒芰系纳a(chǎn)車間中應(yīng)用RFID技術(shù)，形成了面向塑料制造業(yè)的智慧裝配車間^[5]。

    上述文獻(xiàn)研究了制造業(yè)和針對(duì)互感器自動(dòng)化檢定應(yīng)用RFID系統(tǒng)的理論可行性，并且在塑料制造企業(yè)已經(jīng)成功應(yīng)用了RFID系統(tǒng)。但是針對(duì)電壓互感器的智能制造，其生產(chǎn)車間環(huán)節(jié)無疑是重點(diǎn)，而相對(duì)于應(yīng)用環(huán)境較好的塑料制造業(yè)，設(shè)計(jì)出可以應(yīng)用于電壓互感器的抗金屬標(biāo)簽顯得更為重要。本文總結(jié)了浙江華采科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華采科技”）電壓互感器制造與管理環(huán)節(jié)的缺陷，分析了其應(yīng)用RFID系統(tǒng)的需求及其優(yōu)勢(shì)，提出了一套針對(duì)電壓互感器的制造溯源系統(tǒng)，其中重點(diǎn)闡述了PCB RFID抗金屬標(biāo)的設(shè)計(jì)，通過實(shí)施應(yīng)用，達(dá)到了智能制造、優(yōu)化管理和信息溯源的期望目標(biāo)。

1 產(chǎn)品制造需求分析

    對(duì)于電壓互感器的生產(chǎn)和管理，華采科技還沒有一套成形的信息化系統(tǒng)方案，目前僅是將重要的信息，利用記號(hào)筆寫在一塊PCB板上，該P(yáng)CB板夾在“工”形鐵架與鐵座之中，以便進(jìn)行生產(chǎn)車間前期的暫時(shí)記錄。在后續(xù)的制造過程中，產(chǎn)品被全密封澆注成型，從而前期所記錄的信息將無法查看。電壓互感器在生產(chǎn)分配、產(chǎn)品制造、成品檢測(cè)和包裝倉儲(chǔ)等環(huán)節(jié)存在缺陷，主要問題如下：

    (1)無法對(duì)全部所需信息進(jìn)行記錄，而且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息采集；

    (2)無法在產(chǎn)品的制造、檢測(cè)、運(yùn)輸和銷售的整個(gè)生命周期進(jìn)行信息追溯；

    (3)無法明確分配生產(chǎn)任務(wù)，生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行力差；

    (4)制造信息無法與各主要工序監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)，不能進(jìn)行生產(chǎn)責(zé)任的追究；

    (5)制造信息無法與現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)和后臺(tái)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

    將RFID系統(tǒng)應(yīng)用于電壓互感器的制造中，可以解決上述問題，實(shí)現(xiàn)智能制造和智慧管理。本系統(tǒng)的關(guān)鍵是，基于企業(yè)所用的PCB板設(shè)計(jì)出能夠應(yīng)用于電壓互感器制造環(huán)境的RFID電子標(biāo)簽。

2 RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能模塊

    系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)從線圈繞制、貼心裝配、壓制、噴塑、出廠測(cè)試、包裝等制造全過程的信息追溯功能。根據(jù)此要求，系統(tǒng)功能模塊包括辦公室模塊、繞線車間模塊、包扎車間模塊、壓注成型模塊和測(cè)試包裝等模塊。系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示。其中，分配辦公室模塊包括標(biāo)簽信息初始化和計(jì)劃生產(chǎn)的產(chǎn)品編碼；繞線車間模塊記錄繞線工人代碼；包扎車間模塊寫入包扎工人代碼和鐵芯的型號(hào)；壓注成型模塊記錄壓注工人和噴漆工人的代碼；測(cè)試包裝模塊包括裝機(jī)工人代碼、測(cè)試工人代碼、包裝工人代碼以及測(cè)試報(bào)告編碼和局放值。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

    通過分析電壓互感器的實(shí)際生產(chǎn)線，并結(jié)合上述系統(tǒng)功能要求，基于PCB RFID抗金屬標(biāo)簽的電壓互感器制造溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖2所示。

    在電壓互感器制造流程的最初始環(huán)節(jié)加入RFID標(biāo)簽，以便記錄其整個(gè)制造過程的信息。在辦公室模塊，操作人員將標(biāo)簽進(jìn)行初始化，并把生產(chǎn)計(jì)劃的產(chǎn)品編碼寫入標(biāo)簽之中，由此分配給繞線工人；在繞線車間模塊，操作人員通過手持讀寫器，依次讀取繞線工人的標(biāo)簽，檢查其操作的產(chǎn)品型號(hào)是否與標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的型號(hào)一致，若其中出現(xiàn)問題，則立刻停止更換產(chǎn)品，若正常，則將繞線工人代碼寫入標(biāo)簽；在包扎車間模塊和壓注成型模塊，以同樣的方式進(jìn)行操作，分別寫入相應(yīng)的信息；在測(cè)試包裝模塊，操作人員先讀取標(biāo)簽進(jìn)行信息確認(rèn)，再寫入相關(guān)信息，若測(cè)試過程中出現(xiàn)次品，則不需要拆機(jī)，通過讀取內(nèi)部的電子標(biāo)簽即可找到責(zé)任人和出錯(cuò)環(huán)節(jié)；若測(cè)試結(jié)果正常，則順利完成了電壓互感器的制造。通過上述步驟，在每個(gè)重要工位上都進(jìn)行了產(chǎn)品型號(hào)的確認(rèn)，避免了物料配置出錯(cuò)，并且寫入了相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了信息實(shí)時(shí)性、透明化，實(shí)現(xiàn)了制造過程的可追溯。

    在制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行RFID的讀寫操作，通過讀寫器獲得制造信息，并與通過上位機(jī)得到的監(jiān)控信息相關(guān)聯(lián)，在數(shù)據(jù)處理后傳送到客戶端。該系統(tǒng)在RFID信息采集的基礎(chǔ)上，與企業(yè)現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)進(jìn)行整合，可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括整個(gè)制造環(huán)節(jié)的信息追溯、生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行評(píng)價(jià)、管理監(jiān)控、責(zé)任追查、作業(yè)調(diào)度和制造信息實(shí)時(shí)上傳共享等，從而為實(shí)現(xiàn)智能制造與智慧管理奠定基礎(chǔ)。

3 RFID抗金屬標(biāo)簽

3.1 RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)理論

    在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，為了滿足應(yīng)用的實(shí)際情況和系統(tǒng)的要求，需要針對(duì)電壓互感器設(shè)計(jì)UHF超高頻電子標(biāo)簽。設(shè)計(jì)后標(biāo)簽性能是否滿足要求可以通過仿真及仿真后得到的各項(xiàng)性能參數(shù)來判斷。方向性能和工作距離是RFID最重要的兩個(gè)性能參數(shù)，這兩個(gè)性能參數(shù)可以通過仿真觀察標(biāo)簽的阻抗匹配程度、回波損耗和增益來進(jìn)行驗(yàn)證。

    RFID電子標(biāo)簽的工作距離為：

式中，Z_A=R_A+jX_A為天線的復(fù)阻抗，R_A為天線復(fù)阻抗的實(shí)部，X_A為天線復(fù)阻抗的虛部；Z_L=R_L+jX_L為芯片的復(fù)阻抗，R_L為芯片復(fù)阻抗的實(shí)部，X_L為芯片復(fù)阻抗的虛部。通過微波通信原理可知，當(dāng)信號(hào)源的阻抗與負(fù)載阻抗兩者處于共軛匹配狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可以達(dá)到最大傳輸功率。

    回波損耗s定義為入射功率與反射功率之比，是表示入射功率的一部分被反射回信號(hào)源的性能參數(shù)，所以回波損耗值越小，表示標(biāo)簽的性能就越好?；夭〒p耗同樣與阻抗匹配程度有關(guān)，一般要求其小于-20 dB。

    由上述可得，若要實(shí)現(xiàn)RFID電子標(biāo)簽有較遠(yuǎn)工作距離，則需要較好的阻抗匹配程度、較低的回波損耗和較高的增益。

    此外，考慮到制造過程讀寫的方便性，標(biāo)簽的方向性也是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)因素?？紤]到金屬的影響，要求RFID電子標(biāo)簽具有較好的半球全向性^[6]。對(duì)于方向性，可以通過仿真得到其輻射方向圖來判斷，利用輻射增益最好的方向做標(biāo)簽的讀寫操作。

3.2 RFID抗金屬標(biāo)簽設(shè)計(jì)與仿真

3.2.1 標(biāo)簽設(shè)計(jì)分析

    金屬不僅會(huì)反射電磁波從而影響標(biāo)簽性能，而且還會(huì)直接干擾標(biāo)簽的自身特性，因此在金屬環(huán)境下，RFID電子標(biāo)簽的性能會(huì)嚴(yán)重下降，甚至無法工作^[7]。對(duì)于抗金屬標(biāo)簽，最常用的方法是用塑料泡沫墊高標(biāo)簽，但是電壓互感器制造的高溫壓注環(huán)節(jié)不允許有泡沫材料。此外引入AMC人工磁導(dǎo)體和電磁帶隙結(jié)構(gòu)，或是多種基于陶瓷或復(fù)合材質(zhì)的微帶天線利用金屬做為其接地板，達(dá)到抗金屬目的^[8-9]，但是標(biāo)簽的成本太高，無法適用。

    結(jié)合金屬材料反射干擾電磁波的理論，提出基于此環(huán)境的RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用現(xiàn)有空間和周圍的金屬，在一定范圍內(nèi)調(diào)整與金屬的距離，使金屬反射回的電磁波加強(qiáng)天線讀取方向上的增益。

    對(duì)于RFID芯片，綜合芯片價(jià)格和性能，選擇Impinj的monza4E標(biāo)簽芯片。芯片復(fù)阻抗的實(shí)部為11 Ω，虛部為143 Ω，該類型芯片的User內(nèi)存和EPC內(nèi)存分別為128 kB和496 kB，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

    根據(jù)上述設(shè)計(jì)，利用T型匹配來達(dá)到RFID天線和芯片的阻抗匹配，同時(shí)改變天線覆銅面積來達(dá)到中心頻率降低損耗，通過優(yōu)化標(biāo)簽與金屬的距離來增強(qiáng)其增益，可確定RFID標(biāo)簽的大致外形及尺寸，如圖3所示。

3.2.2 標(biāo)簽性能仿真驗(yàn)證

    將天線用螺絲固定在“工”形鐵架的中心，“工”形鐵架兩邊的上方均有鐵架，利用HFSS軟件仿真優(yōu)化其性能，其仿真圖如圖4所示。

    通過HFSS軟件優(yōu)化的RFID標(biāo)簽放置在鐵具前后，最終得到天線在空氣中和鐵具中間的最優(yōu)性能。該天線加金屬前后的性能對(duì)比如圖5所示。

    通過圖5（a）可知，由于金屬的影響，在金屬中的回波損耗高于在真空中的，為-30 dB以下；由圖5（b）可知，金屬的影響使天線的實(shí)部降低虛部增大，基本可以達(dá)到共軛匹配；圖5（c）說明了利用三面金屬，天線的方向性更明確，增益得到提高。綜上，放置于三面均為鐵金屬的環(huán)境下，在中心頻率922.5 MHz時(shí)，標(biāo)簽天線的回波損耗為-35 dB，阻抗為6.4+144j，基本達(dá)到了阻抗共軛匹配，增益為3.9 dB。此設(shè)計(jì)方案得到的RFID抗金屬標(biāo)簽性能較好，能滿足系統(tǒng)的要求。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

    應(yīng)用上述設(shè)計(jì)的PCB RFID抗金屬標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)了華采科技電壓互感器制造溯源系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

    （1）對(duì)全部所需信息的實(shí)時(shí)采集記錄，實(shí)現(xiàn)了信息實(shí)時(shí)共享反饋，信息實(shí)時(shí)性、透明化；

    （2）可以在產(chǎn)品的制造、檢測(cè)、運(yùn)輸和銷售等整個(gè)生命周期進(jìn)行信息追溯；

    （3）提高了生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行力，明確生產(chǎn)任務(wù)分配，及時(shí)掌握生產(chǎn)進(jìn)度，提高了生產(chǎn)效率；

    （4）制造信息與各主要工序監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)，做到出現(xiàn)問題可以及時(shí)叫停改正，實(shí)時(shí)調(diào)整，并追究到責(zé)任人或生產(chǎn)錯(cuò)誤環(huán)節(jié)。

    （5）制造信息與企業(yè)的信息管理系統(tǒng)和后臺(tái)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合制造業(yè)，方便進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，增強(qiáng)了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)束語

    本文結(jié)合企業(yè)具體項(xiàng)目的實(shí)際環(huán)境條件和要求，設(shè)計(jì)了一套基于PCB RFID抗金屬標(biāo)簽的電壓互感器制造溯源系統(tǒng)，這類RFID系統(tǒng)可以推廣至其他離散型制造業(yè)的生產(chǎn)中，同樣可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”上升為國(guó)家戰(zhàn)略，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)被引入到現(xiàn)代制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)得到更加廣泛的研究和應(yīng)用。

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作者信息:

張  松1，洪  濤1，盛泉根2

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州310018；2.浙江華采科技有限公司，浙江 杭州310023)