RFID技術(shù)在機車電機檢修中的應(yīng)用

呂崇偉 劉康寧 胡婉瑩 崔洪濤

（1.國能鐵路裝備有限責任公司滄州機車車輛維修分公司，滄州 061113；2.北京心華石科技有限公司，北京 102488）

每臺SS4B型直流機車由8臺ZD114A型電機構(gòu)成。機車入廠大修時，8臺電機也要同時進行大修。每臺ZD114A型電機主要由定子、電樞、機座、刷架、前端蓋和后端蓋組成。在電機檢修過程中，要先對電機進行解體、清洗或煮洗，然后將各部件分別送入各自的檢修作業(yè)流程，完成電機的總裝和試驗后等待上車位匹配確定。在以往電機檢修過程中，部件識別主要通過在部件上刻打鋼印或粉筆標記的方式實現(xiàn)。對于檢修要求苛刻、無法如此標記的部件，只能屢次查看出廠鋼印號。這種部件識別方式落后，且經(jīng)常發(fā)生看不清標記或人為疏忽而記錯的情況，從而造成檢修記錄的填寫質(zhì)量層次不齊，歸檔階段需要花費大量人力去核對的問題，而且不能保證信息的完全準確。采用這種識別方式主要存在部件標記識別困難、檢修記錄填寫方式落后、數(shù)據(jù)質(zhì)量層次不齊以及過程質(zhì)量管控難度大等問題。近年來，射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術(shù)以其采集數(shù)據(jù)快速、實時、準確的優(yōu)勢迅速成為了自動識別的主流技術(shù)[1]。結(jié)合射頻識別技術(shù)的這種優(yōu)勢，提出了一種新的技術(shù)解決方案，改善和提供了電機檢修過程中的數(shù)據(jù)協(xié)同和質(zhì)量把控的檢修模式，實現(xiàn)了實物流和數(shù)據(jù)流的一致，對于提升電機檢修效率和質(zhì)量具有重要意義。

1 問題分析及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 部件標記識別困難

電機的各組成部件主要都是金屬結(jié)構(gòu)。受限于檢修工藝，如煮洗、烘干、浸漆等，其表面不便附著其他載體，如粘貼、掛吊牌和磁吸的形式會污染部件表面且易脫落。因此，如何實現(xiàn)電機部件的自動識別成為了解決問題的關(guān)鍵。

經(jīng)過多次與工藝人員的現(xiàn)場分析研究，最終發(fā)現(xiàn)這些部件均存在螺栓孔，因此定制螺栓形狀的RFID標簽成為可能的解決方案。在電機解體后，將螺栓型電子標簽固定到各個部件。對于初次在該車間檢修的電機只需登記一次部件編號，并實現(xiàn)與電子標簽的綁定，后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)就能通過智能終端自動識別部件，基本解決了部件標記識別困難的問題。

1.2 檢修記錄填寫方式落后、數(shù)據(jù)質(zhì)量層次不齊

原有的電機檢修記錄填寫方式為紙質(zhì)填寫，由于紙質(zhì)記錄易丟失損壞，手寫體不規(guī)范，且數(shù)據(jù)歸檔整理工作量大，會使數(shù)據(jù)后期查找使用困難。另外，受人為因素影響，檢修記錄的填寫還會存在質(zhì)量層次不齊、不清、不全甚至不對的情況。這些問題一直困擾著生產(chǎn)管理人員。

結(jié)合電機檢修作業(yè)特點，利用移動計算技術(shù)和RFID技術(shù)，設(shè)計生產(chǎn)使用的移動應(yīng)用來實現(xiàn)部件自動識別和檢修記錄的電子化填報，能夠?qū)崿F(xiàn)無紙化檢修記錄填寫，并且提升工作效率和檢修記錄填寫質(zhì)量。

1.3 過程質(zhì)量管控難度大

電機檢修工藝對部件的各項技術(shù)指標都有明確的技術(shù)要求，若部件超出使用限度要求則不允許使用，甚至有些部件組裝環(huán)節(jié)還需要合適的匹配范圍。以往紙質(zhì)記錄填報方式中，記錄檢驗環(huán)節(jié)滯后，無法及時發(fā)現(xiàn)和控制質(zhì)量隱患，有時還而會帶來返工的情況。這不僅會造成很大的浪費，而且過程質(zhì)量卡控難度較大。通過實現(xiàn)檢修記錄的電子化填報，可以將工藝參數(shù)要求內(nèi)置于系統(tǒng)，以各個智能終端來保證檢修過程質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患，避免因疏忽或其他因素而造成的質(zhì)量不合格品繼續(xù)流轉(zhuǎn)的問題，實現(xiàn)檢修過程質(zhì)量卡控。結(jié)合以上分析，基本確定了問題解決方案，最終系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計主要包括技術(shù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)和功能構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 電機檢修系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 標簽選型

2.1 標簽制式選擇

RFID技術(shù)是一種自20世紀60年代開始商用并在80年代逐漸走向成熟的非接觸式自動識別技術(shù)，能夠通過射頻信號、空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性來達到自動識別的目的[2]。該技術(shù)的主要組成有標簽、讀寫器、天線等，能夠通過軟硬件配合達到使用目標。按照應(yīng)用頻率，它可分為低頻（135 kHz以下）、高頻（13.56 MHz）、超高頻（860～960 MHz）、微波（2.4 GHz、5.8 GHz）。針對電機檢修應(yīng)用場景分析，13.56 MHz制式比較適合，其讀寫距離在0～20 cm，能夠滿足使用需求，且不會誤讀周圍標簽。

2.2 標簽樣式及型號選擇

電機檢修過程中，主極、換向極外包絕緣需要全部更新，匝間絕緣只需更新不良者。此外，需要進行補償繞組更新，且主極、換向極繞組需真空壓力浸漆。電樞經(jīng)清洗烘干后，需進行直流泄漏電流試驗，通過后再進行交流介電強度試驗，合格后需進行真空壓力浸漆處理[3-5]。依據(jù)電機大修規(guī)程及檢修工藝，電機檢修過程中，多個工序均存在高溫環(huán)境。標簽?zāi)芊裢ㄟ^考驗，成為方案可行性的關(guān)鍵。電機檢修特殊工序如表1所示。

表1 電機檢修特殊工序

最初選擇了金屬材質(zhì)電子芯片載體，并用樹脂材料封固電子標簽。經(jīng)過試驗，電子標簽經(jīng)過高溫后，芯片已損壞。60%以上無法識別，而且通過觀察也可以發(fā)現(xiàn)，封固芯片區(qū)域有鼓包現(xiàn)象。金屬載體電子標簽試驗前后對比如圖2所示。

圖2 金屬載體電子標簽試驗對比

經(jīng)過分析研究，更換了電子標簽載體材料，采用耐高溫的鐵氟龍材質(zhì)進行試制，如圖3（a）所示。再次試驗時，用2臺份電子標簽進行多輪次試驗，其安裝位置如圖3（b）所示。試驗后，電子標簽外觀無明顯變化，且芯片可讀。該型號電子標簽通過了所有試驗，達到了使用要求。

圖3 鐵氟龍材質(zhì)電子標簽應(yīng)用

根據(jù)電機各個部件上的螺栓孔型號及部件數(shù)量確定了每臺電機的電子標簽需求量，具體如表2所示。

表2 每臺ZD114A型電機所需標簽型號及數(shù)量

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

在電機檢修的各個信息采集點通過無線射頻技術(shù)識別部件，并在檢修數(shù)據(jù)填寫的環(huán)節(jié)通過移動端App工序閾值設(shè)定實時把控工序作業(yè)質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)由“人控”到“機控”的轉(zhuǎn)變。依據(jù)電機檢修工藝流程，充分發(fā)揮新技術(shù)在電機檢修過程中的智能識別和質(zhì)量卡控方面的作用，能夠更好地實現(xiàn)電機檢修的信息化水平。電機檢修的流程圖如圖4所示。系統(tǒng)功能包括工藝管理、電機解體、標簽綁定、定子檢修、電樞檢修、機座檢修、刷架檢修、前端蓋檢修、后端蓋檢修、零部件探傷、電機總裝以及解綁標簽等。

圖4 電機檢修流程圖

3.1 工藝管理

電機檢修涉及多個工藝文件，每個工藝文件對應(yīng)不同的部件檢修要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，工藝也會不斷進步，從而帶來檢修過程質(zhì)量記錄的變化。系統(tǒng)設(shè)計階段除了要滿足當前的工藝需求，也要充分考慮將來的業(yè)務(wù)變化趨勢，確保軟件在設(shè)計上更加靈活，通過用戶自主配置即可滿足將來質(zhì)量記錄的升級改進。同時，系統(tǒng)還需要支持工序質(zhì)量閾值設(shè)定、工序檢查環(huán)節(jié)設(shè)置、工序卡控設(shè)置、工藝記錄文件版本標注和控制等，從而在實現(xiàn)電機檢修記錄信息化的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)電機檢修工藝記錄模板的數(shù)字化管理。

3.2 電機解體及標簽綁定

電機檢修時需要先將電機進行解體，并記錄主要部件構(gòu)成信息及絕緣指標信息，作為對電機運行狀況進行初步判定的依據(jù)。以往由質(zhì)檢員在紙張表格上人工記錄數(shù)據(jù)，后續(xù)再摘抄到Excel中保存的方式，存在大量重復(fù)工作，檢修工作事倍功半，并且容易出錯。根據(jù)該工位作業(yè)特定，設(shè)計研發(fā)了移動App功能。在電機解體后，質(zhì)檢員只需通過手持機記錄部件編號，同時對該部件進行電子標簽綁定，就能完成部件信息記錄和標記，并為后續(xù)工序識別部件奠定基礎(chǔ)。這種識別模式通過一次摘抄部件編號能夠全程使用，既方便了檢修，又提高了數(shù)據(jù)準確性。

3.3 定子檢修

目前，定子檢修共18道查驗工序，每道工序都會產(chǎn)生檢修、檢查或檢測的數(shù)據(jù)。這些指標數(shù)據(jù)共同反映了該定子的性能狀態(tài)，是后續(xù)應(yīng)用的主要參考指標，直接關(guān)系到電機的質(zhì)量和性能。以往檢修人員通過紙質(zhì)表格填寫，數(shù)據(jù)填寫質(zhì)量層次不齊，質(zhì)量隱患不能及時暴露，對電機檢修工作產(chǎn)生了較大的影響。

根據(jù)該工位作業(yè)特點和習慣，設(shè)計了相應(yīng)App功能。檢修人員通過該功能可以直接看到在修的定子列表，并可以選擇其中的某一個進行工序數(shù)據(jù)填報，而且工序中列出了檢修要求及查驗流程。工作人員可以直接查看各個環(huán)節(jié)的作業(yè)人員及查驗時間，滿足了“三檢一驗”記名檢修的要求。另外，還可以對每道工序進行質(zhì)量閾值設(shè)置，對于不在閾值范圍內(nèi)的定子，及時通知相關(guān)工藝人員進行鑒定，系統(tǒng)輔助把好每道質(zhì)量關(guān)。

3.4 電樞檢修

目前，電樞檢修共26道查驗工序。同定子檢修一樣，每道工序均要通過預(yù)設(shè)質(zhì)量閾值來實時監(jiān)控工序質(zhì)量。

3.5 機座檢修

目前，機座檢修共14道查驗工序，同定子檢修一樣，每道工序均要通過預(yù)設(shè)質(zhì)量閾值來實時監(jiān)控工序質(zhì)量。

3.6 刷架檢修

目前，刷架檢修共11道查驗工序。同定子檢修一樣，每道工序均要通過預(yù)設(shè)質(zhì)量閾值來實時監(jiān)控工序質(zhì)量。

3.7 前端蓋檢修

目前，前端蓋檢修共7道查驗工序。同定子檢修一樣，每道工序均要通過預(yù)設(shè)質(zhì)量閾值來實時監(jiān)控工序質(zhì)量。

3.8 后端蓋檢修

目前，后端蓋檢修共7道查驗工序。同定子檢修一樣，每道工序均要通過預(yù)設(shè)質(zhì)量閾值來實時監(jiān)控工序質(zhì)量。

3.9 零部件探傷

電機檢修過程需要對電樞和定子進行磁粉探傷，以查驗是否有部件缺陷。對于缺陷部件要根據(jù)質(zhì)量管理要求進行報廢或其他處理，這直接關(guān)系到了電機質(zhì)量和運行安全。在這一工序中，以往均是由探傷員人工填寫紙質(zhì)表格登記探傷報告，工作效率較為低下。目前，探傷報告共計11個信息項，通過設(shè)計相關(guān)功能探傷后，探傷員只需通過App掃描識別部件，系統(tǒng)就能自動打開對應(yīng)記錄。這不僅方便了探傷員登記探傷數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)能夠自動生成電子探傷報告。另外，對于探傷存在問題的部件，系統(tǒng)還可以及時通知工藝部門來共同判斷部件的質(zhì)量。這一功能在工作記錄填報和組織專家研判上起到了積極作用。

3.10 電機總裝

目前，電機總裝過程共22道查驗工序。電機組裝過程中，通過移動App來識別和確認組裝部件，并登記組裝過程數(shù)據(jù)，同時通過質(zhì)量閾值預(yù)設(shè)來控制電機組裝質(zhì)量，最終電機完成組裝。它能夠?qū)㈦姍C檢修的全部質(zhì)量記錄生成一套完整資料并歸檔，極大地方便了質(zhì)量記錄單的收集和整理。

3.11 解綁標簽

電機組裝后，各部件的標記識別標簽已完成了其使命，此時可通過自動或手動的方式解綁標簽信息，即可將螺栓式電子標簽轉(zhuǎn)運到電機解體工位進行再次利用。

4 對比與分析

通過數(shù)據(jù)收集整理，對比了RFID技術(shù)和移動計算技術(shù)引入電機檢修前后的工作效率和質(zhì)量，以驗證此次技術(shù)革新是否對電機檢修工作起到了積極作用，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 RFID技術(shù)和移動計算技術(shù)應(yīng)用前后電機檢修指標分析

通過對以上電機檢修的7個關(guān)鍵指標進行對比分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用新的檢修技術(shù)后各檢修指標項的耗時均已大幅減少，而且杜絕了部件識別錯誤的問題，對于后續(xù)數(shù)據(jù)使用具有絕對優(yōu)勢。然而，在實踐中，限于當時條件，仍有一些未能很好解決的問題，需要將來優(yōu)化提升。一方面，由于手持機屏幕大小限制，部件檢修記錄不能像紙質(zhì)記錄一樣顯示完整的工序數(shù)據(jù)，還需要通過翻閱各個工序來查看，若想查看整個記錄還需要到電腦上查看記錄報表。另一方面，電機組裝完成后，需要交付到輪驅(qū)組裝工位。車間之間的信息傳遞目前沒有實現(xiàn)，而且此時電機的螺栓孔都已經(jīng)安裝好，原有的標記部門方式不再可用。因此，將來需要新的電子標簽樣式來承載電機信息，才能夠?qū)崿F(xiàn)車間之間的信息傳遞，從而在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字化和信息化。

5 結(jié)語

本課題通過將RFID技術(shù)和移動計算技術(shù)應(yīng)用于機車電機檢修過程，提高了部件識別效率和準確性，規(guī)范并方便了電機檢修記錄填寫，創(chuàng)新地解決了電機檢修過程中存在的部件標記識別困難和檢修記錄收集整理歸檔煩瑣的問題，提高了車間生產(chǎn)和工藝質(zhì)量管理的互動效率，整體提升了車間協(xié)作效率和質(zhì)量卡控，實現(xiàn)了電機檢修的無紙化和信息化管理，為將來大數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。