基于RFID的抽水蓄能電站檢修工具智慧管理系統(tǒng)研究及開(kāi)發(fā)

(1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，安吉 313302； 2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

1 引言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)運(yùn)行中承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和事故備用等作用。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，檢修過(guò)程中通常需要大量的工具。目前，工具的管理系統(tǒng)仍以ERP為主，操作流程、操作方式較為繁瑣，信息交換渠道不暢，無(wú)法滿足基層工具管理人員的實(shí)際工作需要。工具借出、歸還及使用情況仍采用人工登記方式，在工具借用量較大時(shí)，這種管理模式效率低下，經(jīng)常出現(xiàn)工具遺漏、遺失、損壞等現(xiàn)象，風(fēng)洞等工作重點(diǎn)區(qū)域一旦出現(xiàn)工具遺漏將造成重大安全隱患。因此，基于RFID技術(shù)，深入研究抽水蓄能電站的工具管理模式，開(kāi)發(fā)智慧工具管理系統(tǒng)，對(duì)工具的借出、歸還、使用、報(bào)廢等進(jìn)行高效化、智能化和全過(guò)程追蹤管理。

2 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID(Radio Frequency Identification)，即射頻識(shí)別，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1-5]，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過(guò)程中無(wú)需人工干預(yù)，并且能同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。由于其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、無(wú)線無(wú)源、小巧輕便、使用壽命長(zhǎng)、防水、防磁等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于身份識(shí)別、交通管理、軍事與安全、資產(chǎn)管理、防盜與防偽、金融、物流、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

2.1 RFID系統(tǒng)構(gòu)成

完整的RFID系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)[6]。

硬件包括讀寫器、電子標(biāo)簽和天線。讀寫器是RFID系統(tǒng)最重要的部分，它可以單獨(dú)具有讀寫、顯示、數(shù)據(jù)處理等功能，也可以與計(jì)算機(jī)或其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合，完成對(duì)射頻標(biāo)簽的操作。根據(jù)標(biāo)簽類型不同與完成的功能不同，閱讀器的復(fù)雜程度也有顯著差別。電子標(biāo)簽由耦合元件、芯片及微型天線組成，每個(gè)電子標(biāo)簽內(nèi)部存有唯一的電子編碼。電子標(biāo)簽進(jìn)入RFID讀寫器掃描場(chǎng)以后，通過(guò)天線接收到讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)，利用感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送儲(chǔ)存在芯片中的電子編碼或一定頻率的信號(hào)。天線主要用來(lái)在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號(hào)。

軟件主要包括相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和桌面端、手機(jī)端等信息管理系統(tǒng)，配合硬件使用。

2.2 RFID系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)工作原理[7]如圖1所示，閱讀器將要發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送，進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號(hào)，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過(guò)卡內(nèi)天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理； 若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫EEPROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫，若經(jīng)判斷其對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯(cuò)信息。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理

3 基于RFID技術(shù)的智慧工具管理系統(tǒng)研究

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧工具管理系統(tǒng)由云服務(wù)器、電腦桌面系統(tǒng)、手機(jī)APP、手持機(jī)和RFID標(biāo)簽組成。云服務(wù)器是智慧工具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，將桌面系統(tǒng)、手機(jī)APP、手持機(jī)和RFID關(guān)聯(lián)起來(lái)，保存、接受、處理、分析工具管理過(guò)程中的各種靜態(tài)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。桌面客戶端，是智慧工具管理系統(tǒng)的核心，用于整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理，通過(guò)簡(jiǎn)潔明了的人機(jī)交互界面，并配合桌面式讀寫器，實(shí)現(xiàn)工具借出、歸還、維修等主要管理功能。手機(jī)APP，主要用于android終端或者ios終端，方便運(yùn)維管理人員隨時(shí)查看工具位置、作業(yè)指導(dǎo)文件及工具的生命周期信息。手持機(jī)，體積小、可移動(dòng)、方便攜帶，主要用來(lái)采集信息并實(shí)時(shí)定位工具位置，采集到的工具信息可同步上傳至云服務(wù)器。手持機(jī)主要用于工具盤點(diǎn)及檢修場(chǎng)所的工具定位。RFID標(biāo)簽，主要用來(lái)記錄工具的生命周期信息，粘貼于工具表面，通過(guò)桌面式讀寫器、手持機(jī)等終端的識(shí)別實(shí)現(xiàn)工具的借還管理、出入庫(kù)管理和盤點(diǎn)管理等。

3.2 RFID電子標(biāo)簽選擇

抽水蓄能電站的檢修工具種類繁多，使用環(huán)境惡劣，工具表面易沾污、磨損； 工具盤點(diǎn)任務(wù)量大，對(duì)RFID識(shí)別距離、速度及群讀識(shí)別有很高的要求。因此，電子標(biāo)簽需要根據(jù)工具的形狀、大小、材質(zhì)、使用方式和應(yīng)用環(huán)境等進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，包括天線設(shè)計(jì)、芯片綁定方式、標(biāo)簽封裝及粘貼位置等等。對(duì)金屬類工具，選用柔性基材的RFID抗金屬標(biāo)簽，閱讀距離控制在20cm內(nèi)，保證工器具借還時(shí)不產(chǎn)生誤讀和干擾； 對(duì)于金屬類易耗品，選用箱體式RFID標(biāo)簽進(jìn)行集中管理； 對(duì)于非金屬類工具，選用對(duì)稱偶極子RFID標(biāo)簽，易于調(diào)節(jié)標(biāo)簽的閱讀距離和信息采集靈敏度； 對(duì)遠(yuǎn)程工具房，選用帶有高頻RFID閱讀器和高頻RFID標(biāo)簽的鎖止器，通過(guò)刷卡方式控制工具柜的開(kāi)關(guān)，并在每一個(gè)遠(yuǎn)程工具房?jī)?nèi)布置一個(gè)中轉(zhuǎn)站，將工具柜的開(kāi)關(guān)信息和工具借還信息上傳至云服務(wù)器中。

3.3 遠(yuǎn)程控制及管理方案

抽水蓄能電站的檢修工具柜具有分散、數(shù)量多、信息量大、管理復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸困難等特點(diǎn)，在綜合分析的基礎(chǔ)上，提出了RFID+WiFi+GPRS的數(shù)據(jù)傳輸模式，利用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，采用WiFi 進(jìn)行近距離信息傳遞，通過(guò)無(wú)線射頻(RFID)技術(shù)對(duì)工具及使用人的身份進(jìn)行識(shí)別。系統(tǒng)整體采用“集中管理，獨(dú)立控制”模式，通過(guò)GPRS 和WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的通信，通過(guò)嵌入式技術(shù)完成系統(tǒng)的控制。

遠(yuǎn)程控制及管理系統(tǒng)分為二層架構(gòu)，包括中心系統(tǒng)和工具柜系統(tǒng)。工具柜系統(tǒng)與中心系統(tǒng)的連接采用廣域網(wǎng)，默認(rèn)采用無(wú)線通訊連接，使工具柜管理不受網(wǎng)絡(luò)條件的限制； 工具柜管理采用以太網(wǎng)方式，擴(kuò)容方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。利用網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工具柜的遠(yuǎn)程控制及管理。

圖3 工具柜遠(yuǎn)程控制及管理方案

4 智慧工具管理系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

智慧工具管理系統(tǒng)包括電腦終端、手機(jī)終端、手持機(jī)終端三部分。電腦終端的主要功能包括工具入庫(kù)、工具借還、工具查詢、工具轉(zhuǎn)移、工具維護(hù)、預(yù)警提示、項(xiàng)目信息和遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)，手機(jī)終端的主要功能包括工具助手、工具查詢、工具借還和我的工具，手持機(jī)終端主要包括工具盤點(diǎn)和風(fēng)洞工具。

圖4 智慧工具管理系統(tǒng)基本功能

4.1 電腦終端基本功能

(1)工具入庫(kù)。工具入庫(kù)主要是對(duì)新工具和已有工具進(jìn)行入庫(kù)管理。對(duì)于新工具，可通過(guò)系統(tǒng)生成相應(yīng)的條碼和EPC碼，將其寫入RFID標(biāo)簽，增加名稱、規(guī)格等工具信息，完成入庫(kù)操作； 對(duì)于已有RFID標(biāo)簽的工具，通過(guò)掃描標(biāo)簽讀取相關(guān)信息，即可完成入庫(kù)操作。

圖5 電腦終端工具入庫(kù)功能

(2)工具借還。工具借還主要包括工具使用前的預(yù)約管理、借出時(shí)的出庫(kù)管理以及歸還時(shí)的入庫(kù)管理。預(yù)約管理包括預(yù)約時(shí)間、預(yù)約類型、工具規(guī)格及型號(hào)、使用時(shí)間等，運(yùn)維人員可通過(guò)電腦端或者手機(jī)端進(jìn)行工具預(yù)約申請(qǐng)，預(yù)約信息同步觸發(fā)至工具管理人員，提醒工具管理人員處理工具預(yù)約申請(qǐng)； 工具預(yù)約成功后，相關(guān)信息會(huì)及時(shí)反饋給運(yùn)維人員。工具的出庫(kù)管理和入庫(kù)管理是利用RFID桌面讀寫天線通過(guò)讀取工具的RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)。

圖6 電腦終端工具借還功能

(3)工具查詢。工具查詢包括工具狀態(tài)查詢和工具使用記錄查詢。工具查詢時(shí)，可以對(duì)單個(gè)工具進(jìn)行查詢，也可對(duì)同類、同批工具進(jìn)行查詢。工具查詢可通過(guò)入庫(kù)時(shí)間、工具狀態(tài)、借用時(shí)間、借用人、歸還時(shí)間、歸還人、工具編碼、工具名稱、項(xiàng)目等條件進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。

(4)工具轉(zhuǎn)移。工具轉(zhuǎn)移主要是對(duì)工具存放位置的管理。當(dāng)工具需要移動(dòng)存放倉(cāng)庫(kù)時(shí)，可通過(guò)掃描相應(yīng)工具柜上的RFID碼實(shí)現(xiàn)工具的轉(zhuǎn)移管理。工具轉(zhuǎn)移后，相關(guān)轉(zhuǎn)移信息會(huì)及時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，工具信息也會(huì)同步更新。

(5)工具維護(hù)。工具維護(hù)包括工具損壞管理和維修管理。工具損壞時(shí)，可對(duì)工具的損壞時(shí)間、相關(guān)責(zé)任人等進(jìn)行管理，同時(shí)對(duì)工具進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)識(shí)，顯示已損壞、無(wú)法借出等，此狀態(tài)下該工具無(wú)法預(yù)約和借出。工具損壞后，可根據(jù)損壞原因自動(dòng)匹配維修人員并對(duì)其派發(fā)工具維修單。工具維修完成后，其狀態(tài)恢復(fù)至正常，可正常預(yù)約或借出。

圖7 電腦終端工具查詢功能

圖8 電腦終端工具維護(hù)功能

(6)預(yù)警提示。預(yù)警提示包括預(yù)約到期提示、歸還到期提示、維修提示、轉(zhuǎn)移提示、年檢提示、保養(yǎng)提示、報(bào)廢提示等。根據(jù)提前設(shè)定好的事件或時(shí)間，系統(tǒng)可自動(dòng)發(fā)送提示至相關(guān)維修管理人員。

(7)工程項(xiàng)目。工程項(xiàng)目功能主要用來(lái)對(duì)工程檢修項(xiàng)目進(jìn)行維護(hù)，工具借用時(shí)可通過(guò)選中工程或添加工程關(guān)聯(lián)相應(yīng)的工程項(xiàng)目； 工具管理人員也可根據(jù)工程項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)工具的借用與低耗品的領(lǐng)用情況。

(8)遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)。遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)功能可實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)中工具借用、歸還、維修等情況的遠(yuǎn)程管理。運(yùn)維人員借用、歸還、維修工具柜中的工具時(shí)，先通過(guò)刷卡打開(kāi)相應(yīng)的工具柜，驗(yàn)證通過(guò)后工具柜門打開(kāi)，即可進(jìn)行借用、歸還及維修。在操作過(guò)程中，系統(tǒng)可自動(dòng)記錄相關(guān)信息并同步至數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖9 電腦終端遠(yuǎn)程倉(cāng)庫(kù)管理功能

4.2 手機(jī)終端基本功能

(1)工具助手。工具助手主要用來(lái)管理工具的使用方法、操作說(shuō)明和作業(yè)指導(dǎo)書。相關(guān)維護(hù)人員可通過(guò)手機(jī)APP上傳、下載或在線瀏覽工具的相關(guān)技術(shù)文檔，從而提高工作效率。

(2)工具查詢。工具查詢功能主要是對(duì)工具柜狀態(tài)和工具狀態(tài)進(jìn)行查詢。運(yùn)維管理人員可通過(guò)編碼、名稱、時(shí)間等關(guān)鍵字段查詢工具柜和工具狀態(tài)，例如工具柜的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、在庫(kù)工具、借出工具、工具總數(shù)以及工具的屬性信息等。

圖10 手機(jī)終端功能實(shí)現(xiàn)

(3)工具借還。工具借還功能主要包括工具預(yù)約、工具借用和工具歸還等。運(yùn)維人員可通過(guò)手機(jī)APP輸入相應(yīng)和工具名稱或工具編碼等進(jìn)行工具的預(yù)約、借出、歸還操作，管理人員確認(rèn)后即可完成相應(yīng)的操作。

(4)我的工具。我的工具功能主要是對(duì)當(dāng)前用戶的相關(guān)操作信息進(jìn)行查詢。運(yùn)維人員可通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行工具預(yù)約信息、借還信息、報(bào)損信息及維修信息進(jìn)行查詢。

4.3 手持機(jī)終端基本功能

(1)工具盤點(diǎn)

工具盤點(diǎn)是指對(duì)在庫(kù)工具進(jìn)行數(shù)量清點(diǎn)的一項(xiàng)業(yè)務(wù)管理活動(dòng)。工具管理人員通過(guò)RFID手持機(jī)對(duì)庫(kù)存工具進(jìn)行掃描并讀取實(shí)物數(shù)量，相關(guān)盤點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)同步上傳輸至智慧工具管理系統(tǒng)的盤點(diǎn)憑證中。盤點(diǎn)完成之后，系統(tǒng)自動(dòng)獲取當(dāng)前臺(tái)賬信息，并與實(shí)際錄入盤點(diǎn)計(jì)數(shù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比完成后系統(tǒng)自動(dòng)生成工具盤點(diǎn)報(bào)告，盤點(diǎn)前后的差異情況會(huì)自動(dòng)反饋至工具管理人員。

(2)風(fēng)洞工具

風(fēng)洞工具功能主要是對(duì)機(jī)電設(shè)備檢修過(guò)程中進(jìn)入風(fēng)洞及尾水管等重要檢修場(chǎng)地使用的工具進(jìn)行實(shí)時(shí)定位管理，防止檢修過(guò)程中工具遺漏在檢修設(shè)備中，從而避免安全隱患的發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧工具管理系統(tǒng)在天荒坪抽水蓄能電站應(yīng)用以來(lái)，全面實(shí)現(xiàn)了工具預(yù)約、工具借還、工具查詢、工具轉(zhuǎn)移、工具維護(hù)、工具盤點(diǎn)等管理工作的移動(dòng)化、自動(dòng)化。通過(guò)工具使用過(guò)程的實(shí)時(shí)定位及追蹤，工具柜的遠(yuǎn)程控制及管理，消除了以往工具使用過(guò)程中的遺失、遺漏及安全隱患等問(wèn)題，極大減輕了工具管理人員的工作量，提高了工具管理的效率，提升了電站的運(yùn)維管理水平。