PCB集成化RFID在電能表智能制造中的研究應用

蔣天齊，洪 濤，余忠華，林篤盛

(1.中國計量大學 質(zhì)量與安全工程學院，杭州 310018；2.浙江大學 浙江省先進制造技術(shù)重點研究實驗室，杭州 310023；3.華立科技股份有限公司，杭州 310035)

PCB集成化RFID在電能表智能制造中的研究應用

蔣天齊1，洪 濤1，余忠華2，林篤盛3

(1.中國計量大學 質(zhì)量與安全工程學院，杭州 310018；2.浙江大學 浙江省先進制造技術(shù)重點研究實驗室，杭州 310023；3.華立科技股份有限公司，杭州 310035)

針對目前電能表制造企業(yè)在應用條形碼作為信息獲取方式在實際生產(chǎn)中帶來的問題，且現(xiàn)有RFID標簽無法滿足電能表制造實際應用需求，提出將PCB集成化RFID標簽引入到電能表的生產(chǎn)制造中;根據(jù)制造企業(yè)面臨的問題給出了制造系統(tǒng)的具體功能結(jié)構(gòu)，結(jié)合PCB集成化RFID闡述了智能化制造系統(tǒng)的應用流程，并對其中PCB集成化RFID標簽天線的設(shè)計給出了介紹；根據(jù)試點應用證明該系統(tǒng)能夠提高流水線信息獲取效率，減小出錯的概率，實現(xiàn)了電能表制造企業(yè)生產(chǎn)制造的透明化與后臺信息管理的透明化。

電能表；射頻識別；智能制造；天線設(shè)計

0 引言

隨著全球市場競爭的加劇和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息通信技術(shù)的高速發(fā)展，面對新一輪的技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命，傳統(tǒng)制造業(yè)亟需轉(zhuǎn)型。作為重要電能計量器具的智能電表，其涉及到能源的計量與結(jié)算，因此相比于其他典型的電子電器產(chǎn)品，對其智能化制造也提出了較高的要求。為實現(xiàn)電能表的智能制造，電能表從制造初始就該被賦予唯一的身份信息，以便對其進行制造環(huán)節(jié)以至全生命周期的信息管控。但目前由于缺少有效的信息獲取手段，造成制造車間的生產(chǎn)精細化與管理智能化難以實現(xiàn)[1]。特別目前針對企業(yè)進行的信息化建設(shè)，復雜的生產(chǎn)體系結(jié)構(gòu)都需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐[2]，因此原始制造數(shù)據(jù)的收集顯得尤為重要。針對上述因信息獲取技術(shù)導致制造過程效率降低的問題，RFID被越來越多的應用在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)。田世勇[3]在分析了混流制造系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，針對生產(chǎn)過程信息獲取問題，提出了基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)過程系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，為實際使用RFID進行制造過程數(shù)據(jù)獲取與集成提供了參考。饒逸云[4]針對目前服務器產(chǎn)品因傳統(tǒng)手工記錄方式落后造成的追溯信息難以得到有效采集等問題，提出利用RFID實現(xiàn)生產(chǎn)過程質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)采集，為后期質(zhì)量數(shù)據(jù)分析及追溯功能的實現(xiàn)提供了有效的信息獲取手段。張秋月[5]等人提出將RFID標簽嵌入到電能表中，進行電能計量數(shù)據(jù)的遠程采集。但總的來說，這些研究主要是針對RFID系統(tǒng)實施及中間件架構(gòu)等問題，但其涉及的RFID應用方式均采用將RFID標簽黏貼于被識別物體表面，而未對RFID標簽本身進行研究。本文結(jié)合目前電能表實際生產(chǎn)的情況，提出了集成于電能表PCB板的RFID智能制造應用方案，重點對采用的關(guān)鍵技術(shù)——PCB化集成天線的設(shè)計做了闡述，通過實施應用，達到了制造信息采集的實時性和有效性，實現(xiàn)了生產(chǎn)車間管理的透明化和精細化。

1 制造現(xiàn)狀及分析

目前，條形碼技術(shù)在電能表制造過程中應用得較為成熟，已經(jīng)覆蓋了模塊、整機、包裝、倉儲等廠內(nèi)流程，初始時由操作工人將條形碼黏貼于PCB板上，模塊通過每個工位，條形碼被掃描，將工序信息及檢測信息關(guān)聯(lián)條形碼并錄入后臺數(shù)據(jù)庫。模塊進入整表組裝后，還需在電能表外殼額外黏貼條形碼實現(xiàn)整表階段的信息記錄。整表完成進入包裝程序，外包裝箱也需黏貼條碼。至此，一個完整電能表的制造出廠往往需要貼裝不下3次條碼。同時，條形碼僅僅能提供一串編碼，所有的信息還需關(guān)聯(lián)后臺數(shù)據(jù)庫進行識別及修改，想進行信息的查詢還需后臺進行檢索，無疑降低了的信息獲取的時效性。通過對杭州華立科技股份有限公司的電能表制造車間調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在使用條形碼作為信息載體的過程中還存在以下問題：

1)流水線上單件電能表模塊或整表經(jīng)過條碼掃描器時，由于擺放位置的問題，會導致條形碼漏讀或識讀錯誤。

2)為使單件模塊或者整表被條碼掃描器識讀，操作工人需手工調(diào)整模塊及整表位置，以便其被識讀。

3)目前條形碼的黏貼需安排指定的工人完成。

4)目前模塊的檢測及維修采用的信息介質(zhì)為手寫的紙質(zhì)吊牌，影響維修工作效率。

5)由于整表裝箱人員每日大量的重復操作，時常會在整表最后包裝時，出現(xiàn)電能表錯裝及漏裝的情況。

2 PCB集成化RFID系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

將RFID電子標簽集成到電能表PCB上，就能使得電能表在其制造的起始階段便被賦予唯一的標識?；谶@種RFID集成化方式的智能制造系統(tǒng)的各系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。整個系統(tǒng)根據(jù)電能表制造的實際情況分為三部分。模塊車間管理包括標簽信息初始化、模塊制造階段的工位信息記錄、模塊的質(zhì)檢與維修以及模塊與其存放的周轉(zhuǎn)箱的信息關(guān)聯(lián)等。整表車間管理包括整表組裝階段工位信息的相關(guān)記錄，整表校表等測試環(huán)節(jié)工位信息記錄以及整表與紙箱的信息關(guān)聯(lián)。倉庫及包裝車間的管理包括包裝箱內(nèi)整表數(shù)量清點，模塊的出入庫管理以及包裝箱的出入庫管理。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

根據(jù)上述系統(tǒng)功能要求、電能表PCB模塊和整表的實際制造流程及企業(yè)的信息化現(xiàn)狀，集成化RFID的電能表智能制造系統(tǒng)框架如圖2所示。

RFID標簽芯片經(jīng)SMT貼片工序集成于PCB板上，在回流焊和自動光學檢測(AOI)之間經(jīng)過固定讀寫器，識讀并錄入標簽的TID碼，經(jīng)AOI檢測后，將檢驗狀態(tài)信息寫入標簽。PCB板經(jīng)過插件、補焊、FCT檢測等工序，于每道工序錄入操作時間、工序代號、操作人員代號及檢測狀態(tài)，模塊檢測不合格送維修處，在維修處通過RFID手持機讀取識別不合格的原因并進行對應的維修。光電門控制讀寫器的關(guān)斷與開啟，達到降低讀寫器產(chǎn)生的電磁輻射。電子看板實時顯示工位半成品及成品的狀態(tài)信息。

合格的電能表模塊放入帶有RFID標簽的周轉(zhuǎn)箱，并進行信息關(guān)聯(lián)，之后被轉(zhuǎn)運至倉庫，模塊倉庫門設(shè)置RFID讀寫器，對周轉(zhuǎn)箱及托盤實現(xiàn)出入庫實現(xiàn)信息記錄，與企業(yè)ERP軟件互聯(lián)實現(xiàn)出入庫管理。隨后進入整機組裝車間，經(jīng)底盤焊接，整表功能測試后進入包裝工序，包裝封條后利用RFID讀寫器實現(xiàn)數(shù)量清點，并與外包裝箱表面黏貼的RFID標簽實現(xiàn)關(guān)聯(lián)。

3 PCB集成化RFID標簽

3.1 RFID標簽現(xiàn)狀

RFID標簽主要由RFID芯片和RFID天線以及二者的載體標簽基板所構(gòu)成。最普遍的RFID標簽即為PET作為基板的Inlay以及各類抗金屬標簽模塊。RFID標簽基板為PET基的電子標簽，其天線普遍采用偶極子天線的形式，造成電子標簽表面面積大，無法集成于面積受限的電能表PCB板，且因為其制造的工藝復雜等因素導致單個標簽成本較高；基于陶瓷及復合材質(zhì)的抗金屬標簽，標簽天線類型常為微帶天線，此類標簽形式為小體積的標簽模塊，單塊標簽成本高，無法滿足單塊電能表集成RFID的成本要求。因此，與其他典型RFID應用項目不同，本系統(tǒng)所需電子標簽市面上無法直接購買到，所以需進行PCB集成化RFID標簽的設(shè)計。

3.2 PCB集成化RFID標簽設(shè)計思路

普通PCB板集成了RFID標簽的設(shè)計示意圖見圖3。圖3中左圖為電能表PCB原始布局，右圖為集成了標簽天線的PCB布局。焊接RFID芯片后，二者與底部PCB基板共同形成一個完整的PCB集成化RFID電子標簽，即將RFID電子標簽和原有電路全部集成在同一塊PCB板上。標簽設(shè)計在原電路布局空隙處，二者相互獨立，互不干擾。

圖3 PCB集成化RFID電子標簽示意圖

采用如圖3設(shè)計，可在電能表原型設(shè)計的同時完成RFID電子標簽天線的設(shè)計；在其SMT加工過程中也同時完成了產(chǎn)品電路與RFID電子標簽的制造。由于RFID電子標簽同產(chǎn)品本身的設(shè)計與制造是同步的，因此電子標簽的可靠性將得到有效保證；同時，電子標簽的天線及基材均借用產(chǎn)品PCB自身材料：標簽天線等同于板上走線的銅箔，基板為PCB基板，因此，電子標簽的主要成本僅取決于RFID芯片，其成本將得到極大的降低。

3.3 集成化RFID標簽

3.3.1 標簽設(shè)計因素分析

標簽設(shè)計主要考慮芯片的選型、頻段、天線設(shè)計等因素。對于芯片的選型，除去性能及價格等因素，還需根據(jù)實際的應用流程選取合適內(nèi)存的標簽芯片，考慮到電能表在制造流程中涉及的工位較多，讀寫器需多次對標簽芯片的用戶區(qū)內(nèi)存進行讀與寫操作。因此綜合上述因素針對此項目選取Impinj的monza4E標簽芯片。其次為RFID頻段的選擇，RFID的應用頻段主要覆蓋3個頻段[6]：低頻(125～134.2 kHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(433,860～960 MHz)。超高頻的讀寫距離最長，高頻次之，低頻適合近距離讀寫。而實際電能表制造車間情況復雜，遮擋物多，對讀寫距離的要求較高，因此超高頻段的RFID最適合電能表車間制造的實際情況。常規(guī)超高頻段偶極子RFID標簽天線尺寸一般為90 mm×30 mm，而一款單相表的尺寸基本等同于電子標簽的尺寸，導致該頻段的標簽天線無法直接集成于電能表的PCB板。因此，需選取其它形式標簽天線集成于電能表PCB板上。

3.3.2 標簽天線設(shè)計

標簽天線設(shè)計中，最重要的參數(shù)為標簽的工作距離，標簽的工作距離是決定著RFID標簽能否滿足系統(tǒng)要求的重要因素。標簽的工作距離Rtag[7]滿足下式：

(1)

式中,Pt為讀寫器天線的發(fā)射功率，Gt為讀寫器天線的增益，Gr為標簽接收天線的增益，Pth為標簽芯片的識讀靈敏度，Pth=Pr×τ，Pr為標簽最低開啟功率，τ為功率傳輸系數(shù)，表示為:[7]

(2)

其中:ZA=RA+jXA，ZL=RL+jXL，其中RA為設(shè)計的標簽天線電阻，XA為設(shè)計的標簽天線電抗，RL為選取標簽芯片的電阻，XL為選取標簽芯片的電抗，因此，0≤τ≤1，當τ=1時τ即在完全匹配的情況下，標簽可達到最大的識別距離。需使標簽天線與芯片達到完全阻抗匹配，匹配環(huán)的設(shè)計也需重點考慮，基于成本及尺寸的考慮，集成于PCB板的電子標簽不可能在其標簽天線系統(tǒng)中引入阻抗匹配的電路，因此必須且只能通過改變天線自身結(jié)構(gòu)參數(shù)已達到阻抗匹配目的。但是，由于天線結(jié)構(gòu)的改變，會對天線輻射效率降低[8]，間接導致讀寫距離下降，因此需針對不同的電能表PCB板布局，需選取不同的標簽天線類型及匹配結(jié)構(gòu)。在此，選取某款單相電能表作為集成對象，如圖4所示，(a)為電能表原始PCB板，(b)為集成了RFID標簽天線后的電能表PCB板，其中標簽天線為單極子天線，標簽天線阻抗匹配采用T型匹配環(huán)。標簽天線的仿真結(jié)果如圖5所示，在915MHz時，標簽天線阻抗為到12.7+j149.6，完全與選取的標簽芯片達到阻抗匹配，增益高達2.5 dB。

圖5 標簽天線仿真結(jié)果

圖4 電能表PCB板集成RFID標簽前后

3.3.3 標簽性能測試

集成有RFID的PCB板在電能表制造階段主要有三種存在形式，即拼板、整表和整箱。為了保證RFID在三種情況下均能正常工作，必要的讀寫距離是要保證的。為此，本文采用Impinj的R420讀寫器，輸出功率為30 dBm，連接增益為8 dBic的Laird 9028圓極化天線作為測試工具，在各工位點進行實際測試，測得的三種形式下的讀寫平均距離見表1。通過表1可知讀寫距離可控制在60 cm～95 cm，最低距離保證了識別

表1 識別對象的平均讀據(jù)與寫距

對象的群讀群寫功能，最大距離避免了識別對象之間的碰撞干擾，符合電能表流水線生產(chǎn)實際，保證了信息讀寫的穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)應用

基于上述智能制造系統(tǒng)的設(shè)計思路及RFID標簽的集成化設(shè)計，整個系統(tǒng)進行了試點，達到了如下效果：

1)完成制造車間流水線各工位生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)的動態(tài)數(shù)據(jù)采集與譯碼，實現(xiàn)了制造信息的自動化及可視化顯示，如圖6所示。

圖6 在制品工序界面

2)可進行流水線單件模塊、整表遠距離讀取以及箱內(nèi)整表數(shù)量清點，無需人為擺放及清點，自動識別及收集標簽信息，生產(chǎn)周期減少80秒。

3)可取代目前所采用紙質(zhì)條形碼，在成本相同的情況下，一條生產(chǎn)線將減少貼碼及印碼工人6人，減人增效效果明顯；

4)取消了原電能表模塊檢修的故障卡片，實現(xiàn)了檢測與維修處的無紙化操作；

5)RFID芯片包含著大量的生產(chǎn)動態(tài)信息，這些動態(tài)信息為制造過程提供了海量數(shù)據(jù)，為企業(yè)智能制造的大數(shù)據(jù)處理

提供了基礎(chǔ)。

5 總結(jié)

本文根據(jù)電能表制造車間實際需求提出了集成于PCB的RFID智能電表制造系統(tǒng)，重點介紹了PCB集成化RFID天線設(shè)計技術(shù)。試點結(jié)果顯示系統(tǒng)符合預期，在技術(shù)上具有可行性。隨著目前國家大力推行智能制造，作為物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點的RFID技術(shù)在制造行業(yè)獲得了廣泛的應用，同時由于電子產(chǎn)品制造行業(yè)具有高度的相似性，因此本系統(tǒng)可以推廣至其他電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造及智能管控。

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[3] 田世勇.基于RFID技術(shù)的生產(chǎn)過程跟蹤系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學,2009.

[4] 饒逸云.基于UHF RFID的服務器產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)的研究[D].上海：華東理工大學,2012.

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Application and Research of Energy Meter Intelligent Manufacture Based on PCB Integrated RFID

Jiang Tianqi1, Hong Tao1, Yu Zhonghua2,Lin Dusheng3

(1.College of Quality&Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology of Zhejiang Province, ZhejiangUniversity,Hangzhou 310023, China; 3.Holley Technology Group, Hangzhou 310023, China)

Due to the problems brought by the present energy meter manufacturing enterprises in the application of bar code as a way to obtain information in the process of production, and the fact that existing RFID tags cannot meet the demand of practical application of energy meter manufacturing, the PCB integrated RFID tags are introduced to the manufacture of energy meter. According to the obstacles faced by the manufacturing enterprises, the specific function structure will be specifically illustrated. Along with the integration of RFID, the application of the intelligent manufacturing system process, particularly the integration of RFID tag antenna and the PCB design, will be expounded. The pilot application shows that this system can improve the efficiency of assembly line to access to information, reduce the probability of error and realize the transparency of energy meter manufacturing enterprise manufacturing and the background information management.

energy meter;RFID;intelligent manufacture;antenna design

2016-04-07；

2016-06-21。

2015年國家智能制造專項，浙江省公益技術(shù)研究工業(yè)項目(2014C31083)。

蔣天齊(1991-),男，湖北漢川人，碩士研究生，主要從事RFID標簽天線設(shè)計及系統(tǒng)實施方向的研究。

洪 濤(1970-)，男，高級工程師，主要從事產(chǎn)品質(zhì)量控制及在線檢測技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0234-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.064

TM933

B

余忠華(1963-)，男，教授,博士生導師，主要從事先進制造技術(shù)及企業(yè)信息化等領(lǐng)域的教學和研究。