基于RFID下的化工智慧工廠設計

路慶磊，戴文東

1.山東德信領鋒自動化工程有限公司，山東淄博，255000；2.黑龍江龍維化學工程設計有限公司山東分公司，山東淄博，255000

0 引言

智慧工廠主要是指運用各種現(xiàn)代化的技術(shù)，實現(xiàn)工廠管理、辦公以及生產(chǎn)自動化，以便更好地加強以及規(guī)范企業(yè)管理，最大程度上控制工作失誤，堵塞各種漏洞、提升工作效率、增強運行安全性[1]。簡單來說，就是通過計算機能力的賦權(quán)增強工廠本身對各個環(huán)節(jié)的監(jiān)控管理能力，強化“思考”能力。在“科技創(chuàng)新2030”中，其明確指出將借助中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型特殊時期，帶動中國制造含金量得到明顯提升，配合新一代信息技術(shù)、智能制造等各個不同領域?qū)崿F(xiàn)一體化部署，推進顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，幫助產(chǎn)業(yè)變革，增強在市場上的核心競爭力[2]。射頻識別（RFID）技術(shù)是一種無源感知代表技術(shù)，其不再單純是一種自動識別技術(shù)，更是一種無需傳感器的通用感知技術(shù)，已經(jīng)被廣泛運用于智慧項目領域[3]。本研究將結(jié)合化工工廠特征以及RFID技術(shù)特點，打造全新的化工智慧工廠，旨在有效解決化工工廠生產(chǎn)過程中互操作能力欠缺、機械與車間底層之間雙向連接等問題，并提升各環(huán)節(jié)信息通暢度，推動化工工廠德大更好的發(fā)展。

1 RFID技術(shù)介紹

RFID系統(tǒng)主要通過應答器、閱讀器兩個部分共同組合而成。RFID閱讀器實際上主要是針對應答器來進行讀寫處理，通常情況下，其包括了一個控制單元、一個射頻模塊、一個與應答器耦合的元器件，當前市面上最常見的閱讀器多配置了能夠與網(wǎng)絡實現(xiàn)通信的模塊[4]。應答器常規(guī)情況下能夠被固定在待標記產(chǎn)品的表面，主要是通過集成電路（IC）以及微芯片來組合而成[5]。本次化工工廠設計中主要采用的是RFID標簽應答器。

2 化工智慧工廠特點

化工工廠在生產(chǎn)期間表現(xiàn)出較為獨特的連續(xù)性特征，能量流、物料流以及信息流始終連續(xù)不斷地穿過整個生產(chǎn)過程。能量流在進行生產(chǎn)期間，必然會表現(xiàn)出相互交錯特征，物料流必須配合反復加工、循環(huán)等生產(chǎn)特點，促使生產(chǎn)裝置之間表現(xiàn)出較為突出的耦合作用，生產(chǎn)期間也經(jīng)常性因原料組分改變、供應量等因素而導致生產(chǎn)負荷發(fā)生改變，甚至必須配合對生產(chǎn)過程作出調(diào)整，導致生產(chǎn)經(jīng)濟效益受到影響，甚至還可能引發(fā)環(huán)保問題、安全問題以及個別單元裝置停車等問題[6]。除此之外，化工生產(chǎn)過程中，設計物料具有一定污染性，人工長時間接觸會引發(fā)職業(yè)疾病，同時這些物料還具有較高復雜性，要實現(xiàn)人工職業(yè)防護以及物料的精確機理建模，本身就是生產(chǎn)難點之一。加之，復雜龐大的信息處理方案，以及龐大的計算量、數(shù)據(jù)量等，很難在生產(chǎn)階段的控制與決策問題通常會遭遇各種問題。但也正是因此，進行智慧工廠的構(gòu)建成為了不少企業(yè)的必然選擇。

3 基于RFID下的化工智慧工廠整體架構(gòu)

3.1 智慧工廠整體架構(gòu)

智慧工廠系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡與倉庫管理系統(tǒng)兩個部分來實現(xiàn)，倉庫管理系統(tǒng)主要是通過室內(nèi)定位系統(tǒng)以及庫存管理系統(tǒng)來構(gòu)成，訂單系統(tǒng)則是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎上來構(gòu)建而成，企業(yè)層則配合這些系統(tǒng)來實現(xiàn)對訂單的調(diào)度、工藝流程的改進，具體的架構(gòu)見圖1。

3.2 智慧化工工廠系統(tǒng)基礎組件

3.2.1 庫存管理系統(tǒng)的研究與設計

基于供應鏈關系下，化工倉庫始終是整個流程的中間節(jié)點，不僅是生產(chǎn)與采購之間的節(jié)點，同時也是精加工與預處理的節(jié)點。高效的庫存管理能夠有效實現(xiàn)對企業(yè)成本的控制，同時也能夠更好地解決時間資源[7]。絕大部分化工工廠均必須配備準備的倉庫，且對倉庫的存放有著極高的標準。

本次所研究的化工企業(yè)，以往在倉庫管理上，主要配合采用手持式掃描槍來進行產(chǎn)品以及物料的清點，隨后再通過人工實現(xiàn)將相關產(chǎn)品信息錄入到倉庫管理系統(tǒng)。這種管理方式不僅會導致人員長時間暴露于高濃度化工原料的環(huán)境下，增加職業(yè)病發(fā)病風險，同時人工清點差錯率非常高，并且從安全角度上來看，人工進入庫房非常容易帶來火源，引發(fā)爆炸。此外，這種管理模式需要大量的專職人員，增加了崗位和人員成本。結(jié)合RFID技術(shù)本次研究提出了有效的解決方案。

（1）標簽類型選取。結(jié)合本次研究對象，大量的原料均為液體、粉塵灌裝，很難采用有源標簽。而存儲倉庫的面積大約為200平方米，無源標簽的性能能夠較好地幫助倉庫管理系統(tǒng)得到切實有效的落實，為此，最終確定運用無源標簽。

（2）通信接口選取。因RFID本身處于發(fā)展階段，不少企業(yè)都參與到了RFID設備制造中，導致不同廠家的RFID設備很難有效兼容。用戶若因不可抗力的因素必須對RFID設備作出更換處理，就必須重新進行應用層代碼并進行測試，復雜且有著較大遷移工作量。現(xiàn)階段，RFID設備主要以LLPP通信協(xié)議為主，該協(xié)議本身具有極高復雜性，開發(fā)人員必須充分了解標簽與閱讀器的底層構(gòu)造原理，編寫出更為可靠的應用層代碼[8]。應用級事件（ALE）則對LLPP實施了相應的封裝處理，故本研究最終確定ALE作為RFID閱讀器的通信接口。

（3）庫存管理系統(tǒng)感知層構(gòu)建。RFID系統(tǒng)是構(gòu)成產(chǎn)品信息感知層的關鍵，而該感知層主要分布于倉庫的出口、入口位置，用于對倉庫產(chǎn)品出入信息的讀取。倉庫的出口與入口分別配置了相應的RFID閱讀器，兩組閱讀器均基于ALE協(xié)議下，設定為邏輯閱讀器。ALE客戶端首先被設定為LRSpec，在其中包含明確了邏輯閱讀器、閱讀器列表以及定義該邏輯閱讀器是否屬于復合閱讀器的布爾值。ALE實現(xiàn)主要是基于LRSpec以及名稱創(chuàng)設的邏輯閱讀，在完成創(chuàng)設處理之后，ALE客戶端定義主要配合閱讀標簽信息的ECSpec，其中包括讀取標簽信息以及列表時的條件等相關信息。最后再經(jīng)由TCP完成物理與邏輯兩類閱讀器的連接，使得LRSpec以及ECSpec中所指定的參數(shù)經(jīng)由不同的LLPP消息傳輸?shù)轿锢黹喿x器內(nèi)，形成全新的邏輯閱讀器構(gòu)建。

（4）庫存管理系統(tǒng)傳輸層構(gòu)建。出入口部位的每一組物理閱讀器中同時設置了對應的中央閱讀器，其能夠經(jīng)由倉庫服務器經(jīng)由遠程過程調(diào)取啟動。中央閱讀器在成功開啟之后，即可對本地所需要的網(wǎng)絡接口信息進行快速獲取，并經(jīng)由Ping消息對各個設備18080端口做出檢測。在成功接收到子網(wǎng)中各種存活設備IP之后，其能夠與Web相互連接，并完成JSON格式確認文件，以便實現(xiàn)對正確閱讀器的快速連接。

（5）庫存管理系統(tǒng)應用層構(gòu)建。針對該應用層，其主要是通過瀏覽器/服務器來實施構(gòu)建，其最主要的功能為：能夠?qū)崿F(xiàn)對庫存管理系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制；經(jīng)由gRPC輸出流即可獲得邏輯閱讀器的輸出并實現(xiàn)有效解析，同時將數(shù)據(jù)存放到相應的倉庫中；一旦有錯誤發(fā)生，就發(fā)出警報，方便管理人員及時查看。

3.2.2 基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)

（1）RFID信號分析。因無源RFID標簽共同組成了RFID系統(tǒng)，驅(qū)動標簽工作的能量主要源自于閱讀器所發(fā)射的電磁波。無源RFID標簽運轉(zhuǎn)所需要耗費的能量均來源于閱讀器，在閱讀器發(fā)出了對應的電磁波信號之后，若信號在達到了標簽后，其所包含的能量能夠?qū)崿F(xiàn)對無源RFID標簽電路的有效驅(qū)動，那么此標簽就必然能夠經(jīng)由內(nèi)置芯片來實現(xiàn)對相關信號的獲取，并經(jīng)由反向散射調(diào)制原理將標簽中存儲的內(nèi)容反饋到閱讀器中。就具體情況來看，調(diào)制主要是經(jīng)由將標簽天線的阻抗在共軛匹配阻抗以及短路阻抗兩種不同的狀態(tài)下實施快速切換處理。

（2）室內(nèi)定位方案。RFID室內(nèi)定位技術(shù)可以配合多方式來實現(xiàn)，針對定位非常精確并且要求相對較低的情況下，可以配合標簽是否存在于閱讀器范圍內(nèi)來實現(xiàn)有效定位。這種處理方式本身的分辨率相對較低，若需要提升其定位精度，則需要基于RHD信號來實現(xiàn)對更多信息的提取。在本次設計中，就采取了RSSI作為特征，標簽選取UHF頻段的無源RFID標簽。

RSSI算法主要配合固定的RFID閱讀器來實現(xiàn)，通過在閱讀器中設定多個不同的參考標簽，它們的具體型號以及附著于產(chǎn)品上的標簽均是具有較高一致性，定位系統(tǒng)能夠更好地掌握他們的位置情況。與此同時，在整個定位系統(tǒng)范圍內(nèi)，被定位的產(chǎn)品均需要在短時間內(nèi)保持適中不動。通過增加參考標簽的方式，不僅能夠避免過度依賴RSSI測量結(jié)果，同時還有利于提升整體定位的精準程度。

3.2.3 OPC UA驅(qū)動的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡設計

本次設計對象表現(xiàn)出非常典型的企業(yè)層與生產(chǎn)層在內(nèi)溝通交流不到位的情況。生產(chǎn)層很難及時將化工生產(chǎn)流程中存在的問題反饋到企業(yè)管理層，這就使得管理人員也無法結(jié)合真實可靠的信息來合理調(diào)整生產(chǎn)方案。除此之外，在進行生產(chǎn)的過程中，成品率等相應數(shù)據(jù)通常很難準確計算，管理人員也很難結(jié)合具體數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對生產(chǎn)的優(yōu)化處理，這就使得產(chǎn)品的成本無法得到較好的控制。例如：某臺設備因故障受損時，使得整個生產(chǎn)線產(chǎn)量急劇下降，管理人員實際上無法及時掌握信息，仍然是以原本的生產(chǎn)效率來進行原料的采購，造成原材料持續(xù)堆積，資金周轉(zhuǎn)受到影響，嚴重影響企業(yè)的運作效率。為此，在設計中，注重提出了基于RFID下的OPC UA數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡設計方案。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)：數(shù)據(jù)采集的整體架構(gòu)見圖2，它主要功能可概括為以下幾點：

（1）在原料處理等設備上裝設OPC DA服務器，促使設備與設備之間操作流程能夠形成相互交錯，更好地獲取相應數(shù)據(jù)信息。在原料攪拌池內(nèi)部配置PLC控制器來實施控制，而針對標簽機以及傳送帶則主要以嵌入式設備來實現(xiàn)管控，這就能夠經(jīng)由OPC DA迅速收集所需要的數(shù)據(jù)信息。

（2）打造對應的OPC DA客戶端，該客戶端主要配合使用了OPC UA來實現(xiàn)對訂閱機制，實時完成OPC DA服務器相關緩存數(shù)據(jù)獲取。

（3）OPC UA服務器所創(chuàng)建設備對象能夠?qū)崿F(xiàn)對各個節(jié)點的快速訪問，還能夠?qū)ν夤枷鄳刂贰PC UA服務器使用設備節(jié)點能夠更好地獲得OPC DA客戶端所傳送的相應設備數(shù)據(jù)，隨后再將數(shù)據(jù)存儲到對應的數(shù)據(jù)庫內(nèi)，最大程度上提升數(shù)據(jù)的持久化效果。

（4）針對完備故障處理機制做出科學設定，這就能夠更好地提升系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

OPC UA故障處理：無論在何種系統(tǒng)內(nèi)，故障處理至關重要。OPC UA在客戶端和服務器都設定了非常完備的故障處理體系。服務器主要經(jīng)由對另一個服務器鏡像實施復制的方式，來達到對數(shù)據(jù)的備份處理。一旦客戶端服務到達的服務器出現(xiàn)了明顯錯誤，服務器就會發(fā)出請求鏡像服務的處理要求，即便是并未發(fā)現(xiàn)錯誤，但服務器故障對客戶端而言仍然處于透明狀態(tài)。此外，服務器還能夠結(jié)合客戶端的設定要求，將其切換到對應的故障模式。

4 結(jié)語

在化工加速智慧工廠建設期間，結(jié)合其特殊性與復雜性，本研究探索了RFID系統(tǒng)的具體設計方案，明確了RFID對化工智慧工廠特性的重要性，旨在幫助企業(yè)實現(xiàn)更為靈活、科學的工廠管控，帶動化工工廠實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，真正意義上以智慧的力量推動工廠生產(chǎn)效益的提升和管理成本的控制。