射頻識(shí)別技術(shù)在鋼管制造中的應(yīng)用

馬朝輝，王旭鵬，徐海東，高 鵬，王冬虎，王恒陽(yáng)

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

鋼管生產(chǎn)制造車間過(guò)去一直采用傳統(tǒng)的人工手寫(xiě)紙質(zhì)記錄來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼管數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這種記錄方式造成數(shù)據(jù)信息滯后，錯(cuò)誤率也很高。通過(guò)信息化改造，全面應(yīng)用MES（制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理，取消了紙張記錄，統(tǒng)一采用手工輸入計(jì)算機(jī)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)整理［1-5］。但是人力資源浪費(fèi)還是存在，大量數(shù)據(jù)需通過(guò)人工輸入MES，而且由于人為因素，數(shù)據(jù)錄入不及時(shí)、準(zhǔn)確率低。隨著企業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展，生產(chǎn)數(shù)據(jù)量不斷增加，數(shù)據(jù)的管理十分復(fù)雜和多樣化，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式難以滿足生產(chǎn)管理快速、準(zhǔn)確的要求，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)運(yùn)行工作效率?；诖?，提出了采用RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）自動(dòng)讀取采集數(shù)據(jù)方式來(lái)解決問(wèn)題。RFID 設(shè)備具有遠(yuǎn)距離快速識(shí)別標(biāo)簽的特點(diǎn)，應(yīng)用在鋼管生產(chǎn)環(huán)節(jié)中可以最大限度地提高生產(chǎn)效率和識(shí)別準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)鋼管制造企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中存在鋼管信息滯后的短板，提高企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)管理水平。鋼管制造中有些崗位工作人員需要頻繁對(duì)鋼管進(jìn)行清掃等，而采用手持機(jī)來(lái)讀取數(shù)據(jù)，工作人員操作起來(lái)比較方便。但對(duì)于固定崗位（如水壓崗位），采用固定式讀寫(xiě)器和天線來(lái)讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣只要鋼管經(jīng)過(guò)生產(chǎn)崗位，就可以自動(dòng)地將這根鋼管的信息導(dǎo)入到MES 系統(tǒng)中［6-15］。

1 鋼管管號(hào)識(shí)別幾種方式

1.1 人工手寫(xiě)管號(hào)識(shí)別

在鋼管外表面人工寫(xiě)管號(hào)，這種方式在鋼管生產(chǎn)線后續(xù)加工、檢驗(yàn)等過(guò)程中通過(guò)崗位操作人員目視進(jìn)行識(shí)別，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離輥道傳輸后人工手寫(xiě)管號(hào)容易被磨擦蹭掉，導(dǎo)致后續(xù)崗位無(wú)法清楚識(shí)別，同時(shí)崗位操作人員靠近鋼管查看管號(hào)具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且影響識(shí)別準(zhǔn)確性和工作效率。

1.2 排序識(shí)別

對(duì)生產(chǎn)線上的鋼管編號(hào)采用自動(dòng)排序方式。因?yàn)樯a(chǎn)線無(wú)法保證鋼管按照編號(hào)傳輸，所以這種方式不具有識(shí)別的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也不利于生產(chǎn)檢驗(yàn)記錄的編寫(xiě)，可操作性較差。

1.3 條形碼或二維碼識(shí)別

通過(guò)條形碼或二維碼識(shí)別等技術(shù)進(jìn)行識(shí)別。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于鋼管在輥道上傳輸及在旋轉(zhuǎn)輥上轉(zhuǎn)動(dòng)，條形碼被磨損掉的情況較為普遍，使得正常流程無(wú)法順利進(jìn)行。如果將條碼或二維碼粘貼在鋼管內(nèi)壁，鋼管內(nèi)焊渣粉塵較多，嚴(yán)重影響粘貼的牢靠度，條碼或二維碼在運(yùn)行中途丟失情況較為普遍，并且當(dāng)鋼管運(yùn)行經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)工序后，條碼或二維碼幾乎都被高壓水沖刷掉或者被水浸濕撕爛，造成后續(xù)崗位無(wú)法讀取數(shù)據(jù)。此外，讀取條形碼或二維碼數(shù)據(jù)時(shí)，需要將掃描器貼近掃描，工作人員需手持掃描器靠近鋼管掃碼，人員安全性難以控制。基于以上方法試驗(yàn)驗(yàn)證，條形碼或二維碼在鋼管制造流程中信息讀取無(wú)法順利完成。二維碼識(shí)別如圖1 所示。

圖1 二維碼識(shí)別

1.4 RFID 數(shù)據(jù)識(shí)別

在整個(gè)鋼管制造流程中，螺旋縫埋弧焊管機(jī)組飛剪崗位產(chǎn)生鋼管管號(hào)，崗位工作人員通過(guò)發(fā)卡器將管號(hào)寫(xiě)入RFID 標(biāo)簽，同時(shí)相應(yīng)的管號(hào)信息由RFID 中央信息系統(tǒng)遵循分廠MES 的OPC 協(xié)議上傳至MES 服務(wù)器中，MES 服務(wù)器系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)后將鋼管管號(hào)傳送至飛剪崗位云終端客戶機(jī)，崗位人員在該鋼管管號(hào)下輸入鋼管其他工藝參數(shù)信息。當(dāng)鋼管順流程至后續(xù)崗位，RFID 標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，固定式RFID 識(shí)別設(shè)備或手持式RFID 標(biāo)簽接收器發(fā)出的射頻信號(hào)，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的鋼管編號(hào)，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的鋼管編號(hào)（采用的為無(wú)源RFID 標(biāo)簽），接收器讀取到信息并解碼后，發(fā)送至RFID 中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后。繼續(xù)遵循分廠MES 的OPC 協(xié)議上傳至MES 的OPC 服務(wù)器中，后續(xù)崗位的MES 云終端界面自動(dòng)顯示掃描到的鋼管管號(hào)，而且該鋼管的所有信息對(duì)應(yīng)顯示出來(lái)。至此一根鋼管在每一個(gè)崗位的數(shù)據(jù)信息采集工作完成。

以上四種識(shí)別方式中，前三種都無(wú)法滿足現(xiàn)階段鋼管生產(chǎn)、防腐、倉(cāng)儲(chǔ)、物流的耐高溫、耐靜態(tài)高水壓、防水、自動(dòng)識(shí)別管理等方面發(fā)展要求，同時(shí)隨著公司MES 在制管、防腐生產(chǎn)線上的全面應(yīng)用，MES 系統(tǒng)迫切需要一種能自動(dòng)、實(shí)時(shí)識(shí)別方式對(duì)鋼管管號(hào)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制。因此，寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱寶雞鋼管公司）提出使用RFID 電子標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、及時(shí)、準(zhǔn)確和全自動(dòng)方式對(duì)鋼管進(jìn)行識(shí)別跟蹤和智能管理。

2 RFID 在鋼管制造流程中的應(yīng)用

2.1 RFID

RFID 是一種無(wú)線通信技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。無(wú)線電的信號(hào)是通過(guò)調(diào)成無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽上傳送出去，以自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品。某些標(biāo)簽在識(shí)別時(shí)從識(shí)別器發(fā)出的電磁場(chǎng)中就可以得到能量，并不需要電池；也有標(biāo)簽本身?yè)碛须娫?，并可以主?dòng)發(fā)出無(wú)線電波（調(diào)成無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)）。標(biāo)簽包含了電子存儲(chǔ)的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識(shí)別。與條形碼或二維碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。

2.2 終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備

（1） RFID 抗金屬電子標(biāo)簽。

選用RFID 抗金屬電子標(biāo)簽。RFID 抗金屬電子標(biāo)簽使用無(wú)源技術(shù)，在整個(gè)生命周期期間免維護(hù)，在標(biāo)簽封裝外安裝磁鐵，使標(biāo)簽緊貼在鋼管內(nèi)壁。RFID 標(biāo)簽記錄了鋼管的管號(hào)信息，管號(hào)信息應(yīng)用到MES 數(shù)據(jù)庫(kù)中就可以比對(duì)出鋼管的工藝參數(shù)。也就是說(shuō)，鋼管在經(jīng)過(guò)某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)時(shí)，RFID讀寫(xiě)器或手持機(jī)只要能準(zhǔn)確地讀到標(biāo)簽就能將該鋼管的生產(chǎn)工藝流程信息準(zhǔn)確無(wú)誤地上報(bào)給MES。

RFID 抗金屬電子標(biāo)簽線路板使用PCB 材料，具有耐高溫（工作溫度230 ℃，工作時(shí)間10 min）、抗靜態(tài)高水壓（工作水壓20 MPa，工作時(shí)間20 s）特點(diǎn)?？梢詫?shí)現(xiàn)多角度、遠(yuǎn)距離進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，完全滿足鋼管生產(chǎn)線多鐵粉、高溫度、高濕度等復(fù)雜環(huán)境。

（2） 固定式RFID 識(shí)別設(shè)備。

固定式RFID 識(shí)別設(shè)備安裝在相對(duì)固定的崗位上（如水壓試驗(yàn)崗位），當(dāng)鋼管經(jīng)過(guò)該設(shè)備的讀寫(xiě)區(qū)域，就能自動(dòng)識(shí)別到該鋼管內(nèi)的RFID 標(biāo)簽，固定式RFID 識(shí)別設(shè)備由固定式RFID 讀寫(xiě)器和5 DBI天線組成。固定式讀寫(xiě)器及天線如圖2 所示。

圖2 固定式讀寫(xiě)器及天線

（3） 手持式RFID 標(biāo)簽接收器。

手持式RFID 標(biāo)簽接收器作為鋼管生產(chǎn)流程中移動(dòng)采集設(shè)備的形式出現(xiàn)。該手持機(jī)可讀取鋼管上的RFID 標(biāo)簽，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與中心數(shù)據(jù)庫(kù)通信將管號(hào)上傳至服務(wù)器。手持式標(biāo)簽接收器如圖3 所示。

2.3 通信系統(tǒng)

RFID 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用RS485 通信及WI-FI方式實(shí)現(xiàn)通信，并遵循分廠MES 的OPC 協(xié)議與MES 連接，實(shí)現(xiàn)崗位鋼管工藝數(shù)據(jù)上傳及處理。RFID 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 手持式標(biāo)簽接收器

圖4 RFID 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 存在的問(wèn)題及改進(jìn)處理

3.1 RFID 標(biāo)簽改進(jìn)

經(jīng)過(guò)近幾年的使用，寶雞鋼管公司對(duì)RFID 標(biāo)簽進(jìn)行了改進(jìn)。原來(lái)使用的標(biāo)簽線路板通過(guò)非磁性螺絲將兩塊強(qiáng)力磁鐵固定在一起，兩塊磁鐵外漏，在運(yùn)行過(guò)程中鐵屑黏在磁鐵上，很難清理掉。標(biāo)簽外觀形狀復(fù)雜，固定磁鐵的螺絲松動(dòng)，造成標(biāo)簽丟失，在水壓試驗(yàn)中也經(jīng)常會(huì)被高壓水沖出管外丟失?；谝陨蠁?wèn)題，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行了改造，將兩塊磁鐵封閉在標(biāo)簽里，標(biāo)簽上黏的鐵屑很容易清理，并且將標(biāo)簽外觀設(shè)計(jì)為流線型，很好地避免了水壓試驗(yàn)高壓水沖刷。確保每個(gè)鋼管經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)工位后標(biāo)簽的存在。

3.2 重復(fù)發(fā)卡問(wèn)題處理

在原有的RFID 標(biāo)簽發(fā)卡系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)重復(fù)發(fā)卡現(xiàn)象，當(dāng)待寫(xiě)號(hào)標(biāo)簽離發(fā)卡器較近，會(huì)誤將正在寫(xiě)的號(hào)碼寫(xiě)入周圍多個(gè)標(biāo)簽里，造成多個(gè)標(biāo)簽同號(hào)現(xiàn)象發(fā)生。在改進(jìn)系統(tǒng)中將發(fā)卡器功率進(jìn)行多次驗(yàn)證試驗(yàn)，確保只能給發(fā)卡器上放置的標(biāo)簽寫(xiě)入管號(hào)，同時(shí)做好其他待用標(biāo)簽的屏蔽措施。

3.3 各崗位標(biāo)簽數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤處理

在鋼管制造流程中，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)崗位鋼管數(shù)量較多現(xiàn)象，在原有系統(tǒng)中出現(xiàn)了同時(shí)讀取到多個(gè)標(biāo)簽信息的現(xiàn)象發(fā)生，造成崗位人員無(wú)法識(shí)別正確管號(hào)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，以識(shí)別到固定位鋼管內(nèi)標(biāo)簽為基準(zhǔn)，同時(shí)在每一個(gè)崗位加裝LED 顯示屏，方便崗位人員及時(shí)查看。調(diào)整標(biāo)簽識(shí)別設(shè)備天線功率，同時(shí)調(diào)整天線角度和位置，修改系統(tǒng)程序?yàn)樽R(shí)別到一個(gè)標(biāo)簽一定時(shí)間后才能識(shí)別下一根鋼管標(biāo)簽。具體時(shí)間長(zhǎng)度根據(jù)本崗位流程時(shí)間而定。

3.4 標(biāo)簽管理問(wèn)題處理

在原有系統(tǒng)中，標(biāo)簽管理混亂，無(wú)法統(tǒng)計(jì)標(biāo)簽使用數(shù)量，對(duì)丟失標(biāo)簽及損壞標(biāo)簽的無(wú)法管理，導(dǎo)致標(biāo)簽數(shù)量越來(lái)越少，增加了鋼管生產(chǎn)成本。對(duì)此問(wèn)題，通過(guò)制作標(biāo)簽管理軟件，對(duì)標(biāo)簽的使用數(shù)量、庫(kù)存數(shù)量、報(bào)廢數(shù)量進(jìn)行監(jiān)控?？梢詫?shí)時(shí)查詢每一個(gè)標(biāo)簽的狀態(tài)以及丟失標(biāo)簽位置。使標(biāo)簽管理水平大幅提升，同時(shí)減少標(biāo)簽丟失，降低成本。RFID 標(biāo)簽管理系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 RFID 標(biāo)簽管理系統(tǒng)

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著鋼管制造行業(yè)自動(dòng)化及信息化水平大幅度提升，工藝流程中各崗位工作人員繼續(xù)使用記號(hào)筆在鋼管表面書(shū)寫(xiě)管號(hào)及通過(guò)肉眼觀察管號(hào)后手動(dòng)輸入至MES 系統(tǒng)等阻礙信息化發(fā)展的工作方式將會(huì)被淘汰，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并準(zhǔn)確定位解決方式。目前，RFID 技術(shù)已在寶雞鋼管公司鋼管制造中使用了近5 年，應(yīng)用于20 多種規(guī)格鋼管的生產(chǎn)中，已累計(jì)服務(wù)鋼管生產(chǎn)50 多萬(wàn)t。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用證明，RFID為鋼管制造信息化提升起到了很強(qiáng)的推動(dòng)作用。將為鋼管制造業(yè)帶來(lái)以下效益：節(jié)省人工采集數(shù)據(jù)成本；采用自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集管理作業(yè)，提高工作效率；減少管理成本和人為錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；進(jìn)行更精確的進(jìn)，銷、存控制；降低了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、增強(qiáng)了安全性；快速響應(yīng)顧客需求，做到及時(shí)分析數(shù)據(jù)。