基于RFID的抽水蓄能电站检修工具智慧管理系统研究及开发

(1.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，安吉 313302； 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 引言

抽水蓄能电站在电网运行中承担调峰填谷、调频调相和事故备用等作用。由于其结构复杂，设备种类繁多，检修过程中通常需要大量的工具。目前，工具的管理系统仍以ERP为主，操作流程、操作方式较为繁琐，信息交换渠道不畅，无法满足基层工具管理人员的实际工作需要。工具借出、归还及使用情况仍采用人工登记方式，在工具借用量较大时，这种管理模式效率低下，经常出现工具遗漏、遗失、损坏等现象，风洞等工作重点区域一旦出现工具遗漏将造成重大安全隐患。因此，基于RFID技术，深入研究抽水蓄能电站的工具管理模式，开发智慧工具管理系统，对工具的借出、归还、使用、报废等进行高效化、智能化和全过程追踪管理。

2 RFID技术简介

RFID(Radio Frequency Identification)，即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术[1-5]，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程中无需人工干预，并且能同时识别多个标签。其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。由于其数据存储量大、无线无源、小巧轻便、使用寿命长、防水、防磁等特点，已广泛应用于身份识别、交通管理、军事与安全、资产管理、防盗与防伪、金融、物流、工业控制等领域。

2.1 RFID系统构成

完整的RFID系统包括硬件系统和软件系统[6]。

硬件包括读写器、电子标签和天线。读写器是RFID系统最重要的部分，它可以单独具有读写、显示、数据处理等功能，也可以与计算机或其他系统进行联合，完成对射频标签的操作。根据标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度也有显著差别。电子标签由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个电子标签内部存有唯一的电子编码。电子标签进入RFID读写器扫描场以后，通过天线接收到读写器发出的射频信号，利用感应电流获得的能量发送储存在芯片中的电子编码或一定频率的信号。天线主要用来在标签和读写器之间传递射频信号。

软件主要包括相应的数据管理系统和桌面端、手机端等信息管理系统，配合硬件使用。

2.2 RFID系统工作原理

RFID系统工作原理[7]如图1所示，阅读器将要发送的信号，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理； 若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。

图1 RFID系统工作原理

3 基于RFID技术的智慧工具管理系统研究

3.1 系统架构设计

智慧工具管理系统由云服务器、电脑桌面系统、手机APP、手持机和RFID标签组成。云服务器是智慧工具管理系统的数据中心，将桌面系统、手机APP、手持机和RFID关联起来，保存、接受、处理、分析工具管理过程中的各种静态及动态数据。桌面客户端，是智慧工具管理系统的核心，用于整个系统的统筹管理，通过简洁明了的人机交互界面，并配合桌面式读写器，实现工具借出、归还、维修等主要管理功能。手机APP，主要用于android终端或者ios终端，方便运维管理人员随时查看工具位置、作业指导文件及工具的生命周期信息。手持机，体积小、可移动、方便携带，主要用来采集信息并实时定位工具位置，采集到的工具信息可同步上传至云服务器。手持机主要用于工具盘点及检修场所的工具定位。RFID标签，主要用来记录工具的生命周期信息，粘贴于工具表面，通过桌面式读写器、手持机等终端的识别实现工具的借还管理、出入库管理和盘点管理等。

3.2 RFID电子标签选择

抽水蓄能电站的检修工具种类繁多，使用环境恶劣，工具表面易沾污、磨损； 工具盘点任务量大，对RFID识别距离、速度及群读识别有很高的要求。因此，电子标签需要根据工具的形状、大小、材质、使用方式和应用环境等进行设计和制造，包括天线设计、芯片绑定方式、标签封装及粘贴位置等等。对金属类工具，选用柔性基材的RFID抗金属标签，阅读距离控制在20cm内，保证工器具借还时不产生误读和干扰； 对于金属类易耗品，选用箱体式RFID标签进行集中管理； 对于非金属类工具，选用对称偶极子RFID标签，易于调节标签的阅读距离和信息采集灵敏度； 对远程工具房，选用带有高频RFID阅读器和高频RFID标签的锁止器，通过刷卡方式控制工具柜的开关，并在每一个远程工具房内布置一个中转站，将工具柜的开关信息和工具借还信息上传至云服务器中。

3.3 远程控制及管理方案

抽水蓄能电站的检修工具柜具有分散、数量多、信息量大、管理复杂、数据传输困难等特点，在综合分析的基础上，提出了RFID+WiFi+GPRS的数据传输模式，利用GPRS进行远距离通信，采用WiFi 进行近距离信息传递，通过无线射频(RFID)技术对工具及使用人的身份进行识别。系统整体采用“集中管理，独立控制”模式，通过GPRS 和WiFi无线网络技术实现信息的通信，通过嵌入式技术完成系统的控制。

远程控制及管理系统分为二层架构，包括中心系统和工具柜系统。工具柜系统与中心系统的连接采用广域网，默认采用无线通讯连接，使工具柜管理不受网络条件的限制； 工具柜管理采用以太网方式，扩容方便，维护简单。利用网络间的协议转换，实现工具柜的远程控制及管理。

图3 工具柜远程控制及管理方案

4 智慧工具管理系统的功能实现

智慧工具管理系统包括电脑终端、手机终端、手持机终端三部分。电脑终端的主要功能包括工具入库、工具借还、工具查询、工具转移、工具维护、预警提示、项目信息和远程仓库，手机终端的主要功能包括工具助手、工具查询、工具借还和我的工具，手持机终端主要包括工具盘点和风洞工具。

图4 智慧工具管理系统基本功能

4.1 电脑终端基本功能

(1)工具入库。工具入库主要是对新工具和已有工具进行入库管理。对于新工具，可通过系统生成相应的条码和EPC码，将其写入RFID标签，增加名称、规格等工具信息，完成入库操作； 对于已有RFID标签的工具，通过扫描标签读取相关信息，即可完成入库操作。

图5 电脑终端工具入库功能

(2)工具借还。工具借还主要包括工具使用前的预约管理、借出时的出库管理以及归还时的入库管理。预约管理包括预约时间、预约类型、工具规格及型号、使用时间等，运维人员可通过电脑端或者手机端进行工具预约申请，预约信息同步触发至工具管理人员，提醒工具管理人员处理工具预约申请； 工具预约成功后，相关信息会及时反馈给运维人员。工具的出库管理和入库管理是利用RFID桌面读写天线通过读取工具的RFID标签实现。

图6 电脑终端工具借还功能

(3)工具查询。工具查询包括工具状态查询和工具使用记录查询。工具查询时，可以对单个工具进行查询，也可对同类、同批工具进行查询。工具查询可通过入库时间、工具状态、借用时间、借用人、归还时间、归还人、工具编码、工具名称、项目等条件进行查询统计。

(4)工具转移。工具转移主要是对工具存放位置的管理。当工具需要移动存放仓库时，可通过扫描相应工具柜上的RFID码实现工具的转移管理。工具转移后，相关转移信息会及时上传至数据库，工具信息也会同步更新。

(5)工具维护。工具维护包括工具损坏管理和维修管理。工具损坏时，可对工具的损坏时间、相关责任人等进行管理，同时对工具进行自动标识，显示已损坏、无法借出等，此状态下该工具无法预约和借出。工具损坏后，可根据损坏原因自动匹配维修人员并对其派发工具维修单。工具维修完成后，其状态恢复至正常，可正常预约或借出。

图7 电脑终端工具查询功能

图8 电脑终端工具维护功能

(6)预警提示。预警提示包括预约到期提示、归还到期提示、维修提示、转移提示、年检提示、保养提示、报废提示等。根据提前设定好的事件或时间，系统可自动发送提示至相关维修管理人员。

(7)工程项目。工程项目功能主要用来对工程检修项目进行维护，工具借用时可通过选中工程或添加工程关联相应的工程项目； 工具管理人员也可根据工程项目统计工具的借用与低耗品的领用情况。

(8)远程仓库。远程仓库功能可实现仓库中工具借用、归还、维修等情况的远程管理。运维人员借用、归还、维修工具柜中的工具时，先通过刷卡打开相应的工具柜，验证通过后工具柜门打开，即可进行借用、归还及维修。在操作过程中，系统可自动记录相关信息并同步至数据库。

图9 电脑终端远程仓库管理功能

4.2 手机终端基本功能

(1)工具助手。工具助手主要用来管理工具的使用方法、操作说明和作业指导书。相关维护人员可通过手机APP上传、下载或在线浏览工具的相关技术文档，从而提高工作效率。

(2)工具查询。工具查询功能主要是对工具柜状态和工具状态进行查询。运维管理人员可通过编码、名称、时间等关键字段查询工具柜和工具状态，例如工具柜的开关状态、在库工具、借出工具、工具总数以及工具的属性信息等。

图10 手机终端功能实现

(3)工具借还。工具借还功能主要包括工具预约、工具借用和工具归还等。运维人员可通过手机APP输入相应和工具名称或工具编码等进行工具的预约、借出、归还操作，管理人员确认后即可完成相应的操作。

(4)我的工具。我的工具功能主要是对当前用户的相关操作信息进行查询。运维人员可通过手机APP进行工具预约信息、借还信息、报损信息及维修信息进行查询。

4.3 手持机终端基本功能

(1)工具盘点

工具盘点是指对在库工具进行数量清点的一项业务管理活动。工具管理人员通过RFID手持机对库存工具进行扫描并读取实物数量，相关盘点数据会同步上传输至智慧工具管理系统的盘点凭证中。盘点完成之后，系统自动获取当前台账信息，并与实际录入盘点计数进行对比。对比完成后系统自动生成工具盘点报告，盘点前后的差异情况会自动反馈至工具管理人员。

(2)风洞工具

风洞工具功能主要是对机电设备检修过程中进入风洞及尾水管等重要检修场地使用的工具进行实时定位管理，防止检修过程中工具遗漏在检修设备中，从而避免安全隐患的发生。

5 结语

智慧工具管理系统在天荒坪抽水蓄能电站应用以来，全面实现了工具预约、工具借还、工具查询、工具转移、工具维护、工具盘点等管理工作的移动化、自动化。通过工具使用过程的实时定位及追踪，工具柜的远程控制及管理，消除了以往工具使用过程中的遗失、遗漏及安全隐患等问题，极大减轻了工具管理人员的工作量，提高了工具管理的效率，提升了电站的运维管理水平。