基于RFID下的化工智慧工厂设计

2022-06-17路庆磊戴文东

新型工业化 2022年5期

路庆磊，戴文东

1.山东德信领锋自动化工程有限公司，山东淄博，255000；2.黑龙江龙维化学工程设计有限公司山东分公司，山东淄博，255000

0 引言

智慧工厂主要是指运用各种现代化的技术，实现工厂管理、办公以及生产自动化，以便更好地加强以及规范企业管理，最大程度上控制工作失误，堵塞各种漏洞、提升工作效率、增强运行安全性[1]。简单来说，就是通过计算机能力的赋权增强工厂本身对各个环节的监控管理能力，强化“思考”能力。在“科技创新2030”中，其明确指出将借助中国经济转型特殊时期，带动中国制造含金量得到明显提升，配合新一代信息技术、智能制造等各个不同领域实现一体化部署，推进颠覆性技术创新，帮助产业变革，增强在市场上的核心竞争力[2]。射频识别（RFID）技术是一种无源感知代表技术，其不再单纯是一种自动识别技术，更是一种无需传感器的通用感知技术，已经被广泛运用于智慧项目领域[3]。本研究将结合化工工厂特征以及RFID技术特点，打造全新的化工智慧工厂，旨在有效解决化工工厂生产过程中互操作能力欠缺、机械与车间底层之间双向连接等问题，并提升各环节信息通畅度，推动化工工厂德大更好的发展。

1 RFID技术介绍

RFID系统主要通过应答器、阅读器两个部分共同组合而成。RFID阅读器实际上主要是针对应答器来进行读写处理，通常情况下，其包括了一个控制单元、一个射频模块、一个与应答器耦合的元器件，当前市面上最常见的阅读器多配置了能够与网络实现通信的模块[4]。应答器常规情况下能够被固定在待标记产品的表面，主要是通过集成电路（IC）以及微芯片来组合而成[5]。本次化工工厂设计中主要采用的是RFID标签应答器。

2 化工智慧工厂特点

化工工厂在生产期间表现出较为独特的连续性特征，能量流、物料流以及信息流始终连续不断地穿过整个生产过程。能量流在进行生产期间，必然会表现出相互交错特征，物料流必须配合反复加工、循环等生产特点，促使生产装置之间表现出较为突出的耦合作用，生产期间也经常性因原料组分改变、供应量等因素而导致生产负荷发生改变，甚至必须配合对生产过程作出调整，导致生产经济效益受到影响，甚至还可能引发环保问题、安全问题以及个别单元装置停车等问题[6]。除此之外，化工生产过程中，设计物料具有一定污染性，人工长时间接触会引发职业疾病，同时这些物料还具有较高复杂性，要实现人工职业防护以及物料的精确机理建模，本身就是生产难点之一。加之，复杂庞大的信息处理方案，以及庞大的计算量、数据量等，很难在生产阶段的控制与决策问题通常会遭遇各种问题。但也正是因此，进行智慧工厂的构建成为了不少企业的必然选择。

3 基于RFID下的化工智慧工厂整体架构

3.1 智慧工厂整体架构

智慧工厂系统主要是通过数据采集网络与仓库管理系统两个部分来实现，仓库管理系统主要是通过室内定位系统以及库存管理系统来构成，订单系统则是基于数据采集系统基础上来构建而成，企业层则配合这些系统来实现对订单的调度、工艺流程的改进，具体的架构见图1。

3.2 智慧化工工厂系统基础组件

3.2.1 库存管理系统的研究与设计

基于供应链关系下，化工仓库始终是整个流程的中间节点，不仅是生产与采购之间的节点，同时也是精加工与预处理的节点。高效的库存管理能够有效实现对企业成本的控制，同时也能够更好地解决时间资源[7]。绝大部分化工工厂均必须配备准备的仓库，且对仓库的存放有着极高的标准。

本次所研究的化工企业，以往在仓库管理上，主要配合采用手持式扫描枪来进行产品以及物料的清点，随后再通过人工实现将相关产品信息录入到仓库管理系统。这种管理方式不仅会导致人员长时间暴露于高浓度化工原料的环境下，增加职业病发病风险，同时人工清点差错率非常高，并且从安全角度上来看，人工进入库房非常容易带来火源，引发爆炸。此外，这种管理模式需要大量的专职人员，增加了岗位和人员成本。结合RFID技术本次研究提出了有效的解决方案。

（1）标签类型选取。结合本次研究对象，大量的原料均为液体、粉尘灌装，很难采用有源标签。而存储仓库的面积大约为200平方米，无源标签的性能能够较好地帮助仓库管理系统得到切实有效的落实，为此，最终确定运用无源标签。

（2）通信接口选取。因RFID本身处于发展阶段，不少企业都参与到了RFID设备制造中，导致不同厂家的RFID设备很难有效兼容。用户若因不可抗力的因素必须对RFID设备作出更换处理，就必须重新进行应用层代码并进行测试，复杂且有着较大迁移工作量。现阶段，RFID设备主要以LLPP通信协议为主，该协议本身具有极高复杂性，开发人员必须充分了解标签与阅读器的底层构造原理，编写出更为可靠的应用层代码[8]。应用级事件（ALE）则对LLPP实施了相应的封装处理，故本研究最终确定ALE作为RFID阅读器的通信接口。

（3）库存管理系统感知层构建。RFID系统是构成产品信息感知层的关键，而该感知层主要分布于仓库的出口、入口位置，用于对仓库产品出入信息的读取。仓库的出口与入口分别配置了相应的RFID阅读器，两组阅读器均基于ALE协议下，设定为逻辑阅读器。ALE客户端首先被设定为LRSpec，在其中包含明确了逻辑阅读器、阅读器列表以及定义该逻辑阅读器是否属于复合阅读器的布尔值。ALE实现主要是基于LRSpec以及名称创设的逻辑阅读，在完成创设处理之后，ALE客户端定义主要配合阅读标签信息的ECSpec，其中包括读取标签信息以及列表时的条件等相关信息。最后再经由TCP完成物理与逻辑两类阅读器的连接，使得LRSpec以及ECSpec中所指定的参数经由不同的LLPP消息传输到物理阅读器内，形成全新的逻辑阅读器构建。

（4）库存管理系统传输层构建。出入口部位的每一组物理阅读器中同时设置了对应的中央阅读器，其能够经由仓库服务器经由远程过程调取启动。中央阅读器在成功开启之后，即可对本地所需要的网络接口信息进行快速获取，并经由Ping消息对各个设备18080端口做出检测。在成功接收到子网中各种存活设备IP之后，其能够与Web相互连接，并完成JSON格式确认文件，以便实现对正确阅读器的快速连接。

（5）库存管理系统应用层构建。针对该应用层，其主要是通过浏览器/服务器来实施构建，其最主要的功能为：能够实现对库存管理系统运行状态的控制；经由gRPC输出流即可获得逻辑阅读器的输出并实现有效解析，同时将数据存放到相应的仓库中；一旦有错误发生，就发出警报，方便管理人员及时查看。

3.2.2 基于RFID的室内定位系统

（1）RFID信号分析。因无源RFID标签共同组成了RFID系统，驱动标签工作的能量主要源自于阅读器所发射的电磁波。无源RFID标签运转所需要耗费的能量均来源于阅读器，在阅读器发出了对应的电磁波信号之后，若信号在达到了标签后，其所包含的能量能够实现对无源RFID标签电路的有效驱动，那么此标签就必然能够经由内置芯片来实现对相关信号的获取，并经由反向散射调制原理将标签中存储的内容反馈到阅读器中。就具体情况来看，调制主要是经由将标签天线的阻抗在共轭匹配阻抗以及短路阻抗两种不同的状态下实施快速切换处理。

（2）室内定位方案。RFID室内定位技术可以配合多方式来实现，针对定位非常精确并且要求相对较低的情况下，可以配合标签是否存在于阅读器范围内来实现有效定位。这种处理方式本身的分辨率相对较低，若需要提升其定位精度，则需要基于RHD信号来实现对更多信息的提取。在本次设计中，就采取了RSSI作为特征，标签选取UHF频段的无源RFID标签。

RSSI算法主要配合固定的RFID阅读器来实现，通过在阅读器中设定多个不同的参考标签，它们的具体型号以及附着于产品上的标签均是具有较高一致性，定位系统能够更好地掌握他们的位置情况。与此同时，在整个定位系统范围内，被定位的产品均需要在短时间内保持适中不动。通过增加参考标签的方式，不仅能够避免过度依赖RSSI测量结果，同时还有利于提升整体定位的精准程度。

3.2.3 OPC UA驱动的数据网络设计

本次设计对象表现出非常典型的企业层与生产层在内沟通交流不到位的情况。生产层很难及时将化工生产流程中存在的问题反馈到企业管理层，这就使得管理人员也无法结合真实可靠的信息来合理调整生产方案。除此之外，在进行生产的过程中，成品率等相应数据通常很难准确计算，管理人员也很难结合具体数据来实现对生产的优化处理，这就使得产品的成本无法得到较好的控制。例如：某台设备因故障受损时，使得整个生产线产量急剧下降，管理人员实际上无法及时掌握信息，仍然是以原本的生产效率来进行原料的采购，造成原材料持续堆积，资金周转受到影响，严重影响企业的运作效率。为此，在设计中，注重提出了基于RFID下的OPC UA数据采集网络设计方案。

数据采集系统整体架构：数据采集的整体架构见图2，它主要功能可概括为以下几点：

（1）在原料处理等设备上装设OPC DA服务器，促使设备与设备之间操作流程能够形成相互交错，更好地获取相应数据信息。在原料搅拌池内部配置PLC控制器来实施控制，而针对标签机以及传送带则主要以嵌入式设备来实现管控，这就能够经由OPC DA迅速收集所需要的数据信息。

（2）打造对应的OPC DA客户端，该客户端主要配合使用了OPC UA来实现对订阅机制，实时完成OPC DA服务器相关缓存数据获取。

（3）OPC UA服务器所创建设备对象能够实现对各个节点的快速访问，还能够对外公布相应地址。OPC UA服务器使用设备节点能够更好地获得OPC DA客户端所传送的相应设备数据，随后再将数据存储到对应的数据库内，最大程度上提升数据的持久化效果。

（4）针对完备故障处理机制做出科学设定，这就能够更好地提升系统的整体稳定性。

OPC UA故障处理：无论在何种系统内，故障处理至关重要。OPC UA在客户端和服务器都设定了非常完备的故障处理体系。服务器主要经由对另一个服务器镜像实施复制的方式，来达到对数据的备份处理。一旦客户端服务到达的服务器出现了明显错误，服务器就会发出请求镜像服务的处理要求，即便是并未发现错误，但服务器故障对客户端而言仍然处于透明状态。此外，服务器还能够结合客户端的设定要求，将其切换到对应的故障模式。