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代化的技術，實現工廠管理、辦公以及生產自動化，以便更好地加強以及規范企業管理，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增強工廠本身對各個環節的監控管理能力，強化“思考”能力。在“科技創新2030”中，其明確指出將借助中國經濟轉型特殊時期，帶動中國制造含金量得到明顯提升，配合新一代信息技術、智能制造等各個不同領域實現一體化部署，推進顛覆性技術創新，幫助產業變革，增強在市場上的核心競爭力[2]。射頻識別（RFID）技術是一種無源感知代表技術，其不再單純是一種自動識別技術，更是一種無需傳感器的通用感知技術，已經被廣泛運用于智慧項目領域[3]。本研究將結合化工工廠特征以及RFID技術特點，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，并提升各環節信息通暢度，推動化工工廠德大更好的發展。

1 RFID技術介紹

RFID系統主要通過應答器、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絡實現通信的模塊[4]。應答器常規情況下能夠被固定在待標記產品的表面，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

化工工廠在生產期間表現出較為獨特的連續性特征，能量流、物料流以及信息流始終連續不斷地穿過整個生產過程。能量流在進行生產期間，必然會表現出相互交錯特征，物料流必須配合反復加工、循環等生產特點，促使生產裝置之間表現出較為突出的耦合作用，生產期間也經常性因原料組分改變、供應量等因素而導致生產負荷發生改變，甚至必須配合對生產過程作出調整，導致生產經濟效益受到影響，甚至還可能引發環保問題、安全問題以及個別單元裝置停車等問題[6]。除此之外，化工生產過程中，設計物料具有一定污染性，人工長時間接觸會引發職業疾病，同時這些物料還具有較高復雜性，要實現人工職業防護以及物料的精確機理建模，本身就是生產難點之一。加之，復雜龐大的信息處理方案，以及龐大的計算量、數據量等，很難在生產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，進行智慧工廠的構建成為了不少企業的必然選擇。

3 基于RFID下的化工智慧工廠整體架構

3.1 智慧工廠整體架構

智慧工廠系統主要是通過數據采集網絡與倉庫管理系統兩個部分來實現，倉庫管理系統主要是通過室內定位系統以及庫存管理系統來構成，訂單系統則是基于數據采集系統基礎上來構建而成，企業層則配合這些系統來實現對訂單的調度、工藝流程的改進，具體的架構見圖1。

3.2 智慧化工工廠系統基礎組件

3.2.1 庫存管理系統的研究與設計

基于供應鏈關系下，化工倉庫始終是整個流程的中間節點，不僅是生產與采購之間的節點，同時也是精加工與預處理的節點。高效的庫存管理能夠有效實現對企業成本的控制，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，以往在倉庫管理上，主要配合采用手持式掃描槍來進行產品以及物料的清點，隨后再通過人工實現將相關產品信息錄入到倉庫管理系統。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境下，增加職業病發病風險，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。結合RFID技術本次研究提出了有效的解決方案。

（1）標簽類型選取。結合本次研究對象，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本身處于發展階段，不少企業都參與到了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。現階段，RFID設備主要以LLPP通信協議為主，該協議本身具有極高復雜性，開發人員必須充分了解標簽與閱讀器的底層構造原理，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）庫存管理系統感知層構建。RFID系統是構成產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實現主要是基于LRSpec以及名稱創設的邏輯閱讀，在完成創設處理之后，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中所指定的參數經由不同的LLPP消息傳輸到物理閱讀器內，形成全新的邏輯閱讀器構建。

（4）庫存管理系統傳輸層構建。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，其能夠經由倉庫服務器經由遠程過程調取啟動。中央閱讀器在成功開啟之后，即可對本地所需要的網絡接口信息進行快速獲取，并經由Ping消息對各個設備18080端口做出檢測。在成功接收到子網中各種存活設備IP之后，其能夠與Web相互連接，并完成JSON格式確認文件，以便實現對正確閱讀器的快速連接。

（5）庫存管理系統應用層構建。針對該應用層，其主要是通過瀏覽器/服務器來實施構建，其最主要的功能為：能夠實現對庫存管理系統運行狀態的控制；經由gRPC輸出流即可獲得邏輯閱讀器的輸出并實現有效解析，同時將數據存放到相應的倉庫中；一旦有錯誤發生，就發出警報，方便管理人員及時查看。

3.2.2 基于RFID的室內定位系統

（1）RFID信號分析。因無源RFID標簽共同組成了RFID系統，驅動標簽工作的能量主要源自于閱讀器所發射的電磁波。無源RFID標簽運轉所需要耗費的能量均來源于閱讀器，在閱讀器發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實現對無源RFID標簽電路的有效驅動，那么此標簽就必然能夠經由內置芯片來實現對相關信號的獲取，并經由反向散射調制原理將標簽中存儲的內容反饋到閱讀器中。就具體情況來看，調制主要是經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下實施快速切換處理。

（2）室內定位方案。RFID室內定位技術可以配合多方式來實現，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來實現有效定位。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，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品上的標簽均是具有較高一致性，定位系統能夠更好地掌握他們的位置情況。與此同時，在整個定位系統范圍內，被定位的產品均需要在短時間內保持適中不動。通過增加參考標簽的方式，不僅能夠避免過度依賴RSSI測量結果，同時還有利于提升整體定位的精準程度。

3.2.3 OPC UA驅動的數據網絡設計

本次設計對象表現出非常典型的企業層與生產層在內溝通交流不到位的情況。生產層很難及時將化工生產流程中存在的問題反饋到企業管理層，這就使得管理人員也無法結合真實可靠的信息來合理調整生產方案。除此之外，在進行生產的過程中，成品率等相應數據通常很難準確計算，管理人員也很難結合具體數據來實現對生產的優化處理，這就使得產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，使得整個生產線產量急劇下降，管理人員實際上無法及時掌握信息，仍然是以原本的生產效率來進行原料的采購，造成原材料持續堆積，資金周轉受到影響，嚴重影響企業的運作效率。為此，在設計中，注重提出了基于RFID下的OPC UA數據采集網絡設計方案。

數據采集系統整體架構：數據采集的整體架構見圖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，更好地獲取相應數據信息。在原料攪拌池內部配置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管控，這就能夠經由OPC DA迅速收集所需要的數據信息。

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

（3）OPC UA服務器所創建設備對象能夠實現對各個節點的快速訪問，還能夠對外公布相應地址。OPC UA服務器使用設備節點能夠更好地獲得OPC DA客戶端所傳送的相應設備數據，隨后再將數據存儲到對應的數據庫內，最大程度上提升數據的持久化效果。

（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的整體穩定性。

OPC UA故障處理：無論在何種系統內，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。服務器主要經由對另一個服務器鏡像實施復制的方式，來達到對數據的備份處理。一旦客戶端服務到達的服務器出現了明顯錯誤，服務器就會發出請求鏡像服務的處理要求，即便是并未發現錯誤，但服務器故障對客戶端而言仍然處于透明狀態。此外，服務器還能夠結合客戶端的設定要求，將其切換到對應的故障模式。

4 結語

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