RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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8.6智慧工業(yè)管理

超高頻RFID在智慧工業(yè)中有多種應(yīng)用，包括生產(chǎn)自動化管理、產(chǎn)線工人管理、生產(chǎn)工具管理、生產(chǎn)設(shè)備管理、自動化傳感等。雖然超高頻RFID芯片在智慧工業(yè)領(lǐng)域出貨量的占比不高，但單個標(biāo)簽芯片產(chǎn)生的經(jīng)濟價值是所有應(yīng)用中最高的。本節(jié)主要針對在智慧工業(yè)管理中價值鏈最高的超應(yīng)用項目，自動化生產(chǎn)管理應(yīng)用和無源無線電力測溫應(yīng)用。

8.6.1 自動化生產(chǎn)管理

01、項目背景

在傳統(tǒng)的制造企業(yè)中，日常管理更多的是集中在產(chǎn)品管理、質(zhì)量管理、倉庫管理、移動資產(chǎn)管理、現(xiàn)場人員管理、車隊管理等等。而生產(chǎn)線信息的采集通常是采用人工采集、手工輸入的方式。這種人工采集、手工輸入的方式準(zhǔn)確性遠遠不足，存在較大的錯誤率。且手工輸入只能定時進行，導(dǎo)致生產(chǎn)計劃只能按周計劃、月計劃提交，不能精確到日。系統(tǒng)中生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法實時更新，滯后情況嚴(yán)重，不利于生產(chǎn)流程的順利進行，制約了產(chǎn)能的進一步提高。同時制造企業(yè)大部分職能部門大多使用紙和筆的初級記錄方式，這使得制造企業(yè)的大部分職能部門面對著大量的數(shù)據(jù)錯誤，降低了企業(yè)整體的生產(chǎn)力。

制造企業(yè)已意識到這些問題的存在，并嘗試使用新興技術(shù)去解決這些問題。目前，部分生產(chǎn)型企業(yè)采用條碼識別的方式來提高數(shù)據(jù)錄入的準(zhǔn)確性，但條碼識別還是存在技術(shù)上的瓶頸：

工人的效率不同，容易引起小組的分工不均勻；

生產(chǎn)異常、生產(chǎn)線瓶頸問題無法實時發(fā)現(xiàn)；

勞動效率低下，實際工作時間利用率不高；

條碼標(biāo)簽一旦印刷不清晰、有折疊的痕跡等問題時，條碼槍便很難識別；

無法實時追蹤，管理層難以根據(jù)工作狀態(tài)進行工作安排，如果工作過程中某個工序出現(xiàn)問題，要排除問題也必須等到下一天；

條碼數(shù)據(jù)采集需要專門安排人員隊伍進行操作，勞動成本開銷大。

因此，以條碼識別為代表的生產(chǎn)線管理系統(tǒng)已經(jīng)越來越不能滿足企業(yè)對高效、精益化生產(chǎn)管理的要求，企業(yè)在深化現(xiàn)代管理理念的同時，構(gòu)建更先進技術(shù)的生產(chǎn)線管理系統(tǒng)具有重要的意義。

02、解決方案

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能化制造業(yè)生產(chǎn)結(jié)合了超高頻RFID技術(shù)和現(xiàn)有的IT系統(tǒng)，建立智能化、數(shù)字化生產(chǎn)線的實時管理體制，讓生產(chǎn)更優(yōu)化、更合理地利用資源，從而提高生產(chǎn)產(chǎn)能、資產(chǎn)利用率以及高質(zhì)量控制，讓生產(chǎn)創(chuàng)造更大的效益。超高頻RFID技術(shù)打造一體化智能產(chǎn)線管理。

超高頻RFID正在進入制造過程的核心階段。通過在車間層逐步采用超高頻RFID技術(shù)，制造商可以直接且不間斷地獲取信息并鏈接到現(xiàn)有的、已驗證和工業(yè)加強的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與配置超高頻RFID功能的供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)，不需要更新已有的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和制造信息系統(tǒng)（MIS），就可以發(fā)送準(zhǔn)確、可靠的實時信息流，從而創(chuàng)造附加值，提高生產(chǎn)率和大幅度地節(jié)省投資。

超高頻RFID技術(shù)生產(chǎn)線管理是在生產(chǎn)線、產(chǎn)品轉(zhuǎn)存區(qū)和暫存?zhèn)}庫應(yīng)用先進的超高頻RFID自動識別技術(shù)，使用可重復(fù)讀寫的電子標(biāo)簽（每個電子標(biāo)簽都有唯一ID號，以及可讀寫數(shù)據(jù)區(qū)，將產(chǎn)品信息寫入電子標(biāo)簽中），在生產(chǎn)線下線工位及倉庫出入口安裝閱讀器，通過讀寫標(biāo)簽信息自動寫入和采集各位置產(chǎn)品信息，并與其它的MES系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)信息，信息同時顯示在顯示屏上，生產(chǎn)線操作員可根據(jù)相應(yīng)提示對需要加工的產(chǎn)品從下線到倉庫轉(zhuǎn)存、暫存、再上線生產(chǎn)進行全流程跟蹤管理。如圖8-31所示為超高頻RFID技術(shù)生產(chǎn)線示意圖。這樣可以保證生產(chǎn)線之間貨物批次箱號的對應(yīng)，各條生產(chǎn)線能毫不出錯地完成生產(chǎn)任務(wù)，且記錄下生產(chǎn)過程中的重要信息，可為將來的質(zhì)量信息追溯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

工位管理，一般用于計件生產(chǎn)場合，員工用身份卡刷卡開始工作，讀取產(chǎn)品上的電子標(biāo)簽記錄加工產(chǎn)品的信息，主要作用有記錄員工出勤、工作數(shù)量信息；記錄產(chǎn)品信息，提供動態(tài)進度信息，并可通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線產(chǎn)能瓶頸，提供生產(chǎn)依據(jù)。

自動化產(chǎn)線管理，在自動化產(chǎn)線應(yīng)用中，在產(chǎn)品上或載具上安裝電子標(biāo)簽，利用產(chǎn)線的閱讀器讀取產(chǎn)品信息，以便為自動化加工提供加工屬性依據(jù)。

產(chǎn)線軌道超市管理，產(chǎn)線上料區(qū)安裝閱讀器，讀取料箱或工件信息，為快速補料提供依據(jù)，提高生產(chǎn)效率。

流利架超高頻RFID管理，在每個流利架安裝電子標(biāo)簽閱讀器以及小型顯示屏，自動記錄上料批次以及數(shù)量，并及時提供上料預(yù)報信息，上料時可燈光提示上料口以及顯示批次物料名稱等信息。

圖8-31超高頻RFID技術(shù)生產(chǎn)線示意圖

超高頻RFID對工序管理解決了工序管理對人工的依賴，整個生產(chǎn)制造過程的工序更加精確便捷，對于在制品的工序可以實現(xiàn)跟蹤、追溯。一旦有任何制品出現(xiàn)問題，都可以迅速找到問題源頭，立刻解決。相較于人工，大大提升效率。

超高頻RFID技術(shù)自動采集生產(chǎn)中各個專業(yè)環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)，形成信息實時采集與傳輸，讓系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)方便、及時、準(zhǔn)確。提高了生產(chǎn)流程的工作效率，打造成本控制管理可視化、產(chǎn)品物流運態(tài)監(jiān)控管理。

03、系統(tǒng)收益

基于RFID技術(shù)生產(chǎn)線管理系統(tǒng)的建成，可為企業(yè)帶來如下收益：

（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、實時的采集

生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時反饋是保證生產(chǎn)運營暢通的基礎(chǔ)。系統(tǒng)在生產(chǎn)車間采集實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)是閱讀器設(shè)備實時自動采集，閱讀器通過讀出貨物電子標(biāo)簽中的特定信息實時的反饋到系統(tǒng)中，服務(wù)器每5秒鐘（更新頻率可以根據(jù)需求而定）更新一次數(shù)據(jù)。通過這種操作方式系統(tǒng)能夠提供實時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集和數(shù)據(jù)分析。

（2）生產(chǎn)力在原有的基礎(chǔ)上實現(xiàn)提升

生產(chǎn)力是生產(chǎn)管理的關(guān)注熱點同時也是管理難點，如果提升了生產(chǎn)力就意味著企業(yè)的產(chǎn)量提高、利潤可以增加。生產(chǎn)車間實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)反饋到系統(tǒng)，通過系統(tǒng)監(jiān)控可以實時的發(fā)現(xiàn)阻礙生產(chǎn)流水線暢通的原因，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸所在。系統(tǒng)是通過實時數(shù)據(jù)歸集對每個車間、每個組、每個工位的生產(chǎn)情況進行實時的監(jiān)控，從而可以發(fā)現(xiàn)任何生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的非正常狀態(tài)，并及時解決阻礙生產(chǎn)流水的瓶頸。從整體上保障了流水線的暢通，提高了生產(chǎn)力。

（3）訂單進度實時跟蹤，保障及時交貨

訂單如果不能及時交貨意味著公司不但不能盈利反而導(dǎo)致虧損，同時也影響公司的信譽度，使公司將來的發(fā)展受到很大的影響和阻礙。特別是出口企業(yè)對于訂單的及時交付顯得更為重要。系統(tǒng)根據(jù)客戶訂單，實時跟蹤生產(chǎn)產(chǎn)品從開始生產(chǎn)到結(jié)束生產(chǎn)整個生產(chǎn)流程，從而精確的掌握每個訂單的生產(chǎn)進度，保證按時交貨。

8.6.2 無源無線電力測溫

01、項目背景

電力設(shè)備安全可靠性是超大規(guī)模輸配電和電網(wǎng)安全保障的重要環(huán)節(jié)，尤其我國正處于經(jīng)濟快速增長時期，國家電網(wǎng)的電力供電負荷日益增加，在持續(xù)擴大供電的同時，也給電網(wǎng)電器設(shè)備帶來一系列的安全問題。為盡可能的避免各類電力事故，電力設(shè)備安全運行實時監(jiān)控的任務(wù)迫在眉睫。

電網(wǎng)設(shè)備中的觸頭和接頭是電網(wǎng)安全的一個重要隱患。現(xiàn)有統(tǒng)計結(jié)果表明，故障主要發(fā)生在如下位置：

開關(guān)柜中動、靜觸頭故障。開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，是輸配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備，承擔(dān)著開斷和關(guān)合電力線路、線路故障保護、監(jiān)測運行電量數(shù)據(jù)的重要作用。開關(guān)設(shè)備因高壓斷路器動、靜觸頭接觸不良，加上長期的大電流、觸頭老化等因素易致其接觸電阻增大，從而導(dǎo)致長時間發(fā)熱、觸頭溫升過高甚至最終發(fā)生高壓柜燒毀事故。

電纜接頭故障。隨著運行時間的延長、壓接頭的松動、絕緣老化、以及局部放電、高壓泄漏等，將引起發(fā)熱和溫度的升高，這將使運行狀況進一步惡化，促使溫度進一步提升，這一惡性循環(huán)的結(jié)果就引發(fā)短路放炮，甚至火災(zāi)。

傳統(tǒng)的溫度測量方式周期長、施工復(fù)雜，效率低，不便于管理，發(fā)生故障時要耗費大量的人力物理排查和重新鋪設(shè)線纜。而在特定場合下監(jiān)測點分散、環(huán)境封閉或有高電壓，很多測溫方式無法實現(xiàn)測量工作。再加上高溫對電池影響非常大，正常電池?zé)o法長時間工作，且電力設(shè)備中更換電池非常麻煩，因此無源無線測溫系統(tǒng)應(yīng)運而生。

02、技術(shù)對比

現(xiàn)有的無源無線電力測溫技術(shù)共有三種，分別是超高頻RFID溫度傳感技術(shù)、聲表面波（SAW）技術(shù)和感應(yīng)取電（CT）技術(shù)。如表8-1所示，為無源無線電力測溫的技術(shù)對比表。其實這三種技術(shù)的實現(xiàn)方式在本書中都有介紹，超高頻RFID溫度傳感技術(shù)在4.6節(jié)無源傳感標(biāo)簽技術(shù)中有詳細介紹；聲表面波技術(shù)在4.3.7節(jié)無芯超高頻RFID技術(shù)中有介紹。溫度變化會改變聲表面波的諧振頻率，可以通過頻率的變化反算出當(dāng)前溫度；感應(yīng)取電其實就是使用電感線圈耦合電力線上的50Hz交流電流轉(zhuǎn)化為直流電，再給無線射頻芯片和傳感器供電，其取電模型為1.3.2節(jié)中介紹電感耦合取電方式。

表8-1無源無線電力測溫的技術(shù)對比

這三類技術(shù)方案的成本相差不多，但技術(shù)特點差異較大：

感應(yīng)取電方式，由于可以使用通用無線芯片通信，具有最遠的傳輸距離。其缺點為必須套在線纜上才能取電，若需求測溫點尺寸很小，則無法使用；且感應(yīng)取電設(shè)備本身體積較大，使用多有不便。由于是通過電感耦合取電，若取電點的電流過大或過小都無法取電，電流太大會損壞電路，電流太小無法提供足夠的感應(yīng)電流。還有一個缺點為無法現(xiàn)場調(diào)試，為了保證人員安全，在安裝測溫設(shè)備時必須設(shè)備斷電，而線纜上沒有電流就無法取電，測溫系統(tǒng)無法測試。

聲表面波作為無芯射頻識別標(biāo)簽時就暴露出了諸多問題，如無法支持多個標(biāo)簽同時識別，模型信號數(shù)據(jù)識別率低，一致性差等問題，作為測溫使用時其測溫精度較差。還存在長時間高溫使用時其特性會發(fā)生變化，引發(fā)系統(tǒng)維護成本高。

綜合分析，采用超高頻RFID溫度傳感的方案最具競爭力。

03、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖8-32所示為超高頻RFID無線溫度傳感的系統(tǒng)方案。首先將不同形態(tài)的溫度傳感標(biāo)簽固定在測溫點上，并記錄EPC號與測溫點的位置關(guān)系。閱讀器通過天線采集每個測溫點上的電子標(biāo)簽溫度數(shù)據(jù)，并通過ModBus或485總線將數(shù)據(jù)傳出來，最終的數(shù)據(jù)可以通過DTU達到云端，也可以在遠程監(jiān)控終端上顯示。

圖8-32 無源無線測溫系統(tǒng)方案

此處使用的超高頻RFID無線溫度傳感的系統(tǒng)工作協(xié)議為EPC C1 Gen2；工作頻率為920MHz~925MHz；讀取距離為1.2~8米；系統(tǒng)要求的工作溫度范圍為-40℃到150℃；系統(tǒng)要求的環(huán)境耐溫范圍為-40℃到225℃；溫度誤差為±1℃；標(biāo)簽均為抗金屬標(biāo)簽；安裝方式為螺絲、不干膠、卡扣、綁扎等；防護等級為IP53~IP65。

04、解決方案

本節(jié)針對三種常見電力測溫場景的解決方案進行詳解。

（1）低壓柜接插件測溫方案

低壓配電柜的進出線接插件部位由于頻繁的插拔，是產(chǎn)生故障溫度異常的主要部位。且待測點眾多（每個抽屜需6個點）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳統(tǒng)方式無法完成監(jiān)測需求，悅和科技利用小體積、高靈敏度的TSC250905溫感標(biāo)簽直接與接插件粘合，放于插塊內(nèi)，通過安裝在電纜室的天線與進線柜二次儀表室的閱讀器獲取所有待測點的實時溫度，方便安全、靈敏可靠。如圖8-33所示，為低壓柜測溫方案結(jié)構(gòu)，圖中展示了閱讀器天線的裝置位置和標(biāo)簽的安裝方法。

圖8-33低壓柜測溫方案結(jié)構(gòu)圖

圖8-34為TSC250905-3溫感標(biāo)簽裝配圖，TSC250905-3溫感標(biāo)簽專為環(huán)網(wǎng)柜出線頭測溫設(shè)計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標(biāo)準(zhǔn)閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達3米；標(biāo)簽完全內(nèi)嵌在標(biāo)準(zhǔn)堵頭內(nèi)部，不改變現(xiàn)有堵頭的外觀結(jié)構(gòu)和安裝要求，整體簡潔可靠；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內(nèi)頻偏＜2MHz。

圖8-34 TSC250905-3溫感標(biāo)簽裝配圖

（2）環(huán)網(wǎng)柜堵頭測溫方案

環(huán)網(wǎng)柜套管及堵頭處是溫度異常故障頻發(fā)的高危區(qū)域，由于高壓器件的安全要求較高，結(jié)構(gòu)緊湊，且真實發(fā)熱點在內(nèi)部允許安裝傳感器的區(qū)間較小，傳統(tǒng)方式無法完成監(jiān)測需求。悅和科技特殊設(shè)計了圓環(huán)標(biāo)簽TSP453401-3與TSC130905-3，直接套在金屬嵌件處或者與金屬嵌件粘合并鑄造在堵頭環(huán)氧層內(nèi)，通過安裝在電纜室頂部的天線與配自動化柜內(nèi)的閱讀器，實時監(jiān)控3相堵頭處的溫度數(shù)據(jù)。如圖8-35所示，為環(huán)網(wǎng)柜堵頭測溫方案結(jié)構(gòu)，圖中展示了閱讀器天線的裝置位置和標(biāo)簽的安裝方法。

圖8-35環(huán)網(wǎng)柜堵頭測溫方案結(jié)構(gòu)圖

圖8-36所示為SP453401-3系列圓環(huán)測溫標(biāo)簽裝配圖，TSP453401-3系列圓環(huán)測溫標(biāo)簽專為環(huán)網(wǎng)柜出線頭測溫設(shè)計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標(biāo)準(zhǔn)閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達2米；標(biāo)簽夾在標(biāo)準(zhǔn)堵頭中間，不改變現(xiàn)有堵頭的外觀結(jié)構(gòu)和安裝要求，整體簡潔可靠；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內(nèi)頻偏＜2MHz。

圖8-36TSP453401-3系列圓環(huán)測溫標(biāo)簽裝配圖

圖8-37為TSC1309-3系列陶瓷測溫標(biāo)簽裝配圖，TSC1309-3系列陶瓷測溫標(biāo)簽專為環(huán)網(wǎng)柜出線頭測溫設(shè)計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標(biāo)準(zhǔn)閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達2米；標(biāo)簽完全內(nèi)嵌在標(biāo)準(zhǔn)堵頭內(nèi)部，不改變現(xiàn)有堵頭的外觀結(jié)構(gòu)和安裝要求，整體簡潔可靠；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內(nèi)頻偏＜2MHz。

圖8-37TSC1309-3系列陶瓷測溫標(biāo)簽裝配圖

（3）中置柜動觸頭與母排測溫方案

中置柜中，動觸頭與母排結(jié)合部是溫度異常事故的主要部位，悅和科技特殊設(shè)計了卡扣型測溫標(biāo)簽TSC250905-K3與音叉型測溫標(biāo)簽TSC303005-C3，可直接安全緊固的連接在動觸頭與母排螺栓處，通過放置在母線室的天線與儀表室的閱讀器，實時監(jiān)控待測點的溫度數(shù)據(jù)。如圖8-38所示，為中置柜動觸頭與母排測溫構(gòu)，圖中展示了閱讀器天線的裝置位置和標(biāo)簽的安裝方法。

圖8-38中置柜動觸頭與母排測溫方案結(jié)構(gòu)圖

圖8-39為TSC303005-C3系列音叉標(biāo)簽裝配圖，TSC303005-C3型音叉標(biāo)簽專為開關(guān)柜內(nèi)母排，出線等連接點測溫設(shè)計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標(biāo)準(zhǔn)閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達10米；音叉型結(jié)構(gòu)件設(shè)計可直接通過母排搭接螺絲固定；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內(nèi)頻偏＜2MHz。

圖8-39TSC303005-C3系列音叉標(biāo)簽裝配圖

圖8-40為TSC250905-K3系列卡扣式標(biāo)簽裝配圖，TSC250905-K3型卡扣標(biāo)簽專為開關(guān)柜內(nèi)動觸頭測溫設(shè)計，測溫范圍-40至150度，誤差小于1度，配合標(biāo)準(zhǔn)閱讀器及5.3dBi天線，通信距離可達3米；卡扣型結(jié)構(gòu)件設(shè)計可直接卡入動觸頭任一觸指、安裝簡單牢靠，不改變動觸頭自身的伸縮特性；整體阻燃等級≥UL94-V0；溫度量程內(nèi)頻偏＜2MHz。

圖8-40TSC250905-K3系列卡扣式標(biāo)簽裝配圖