0 引言

    RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)不可缺少的重要組成部分，其定義為一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過電磁場進行無線通信，自動識別對象并獲取信息，具有可讀寫、存儲容量大、可靠性高等優(yōu)勢^[1]?！吨袊鳵FID技術(shù)政策白皮書》及《浙江省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確指出，RFID標簽為重要研究對象。將RFID技術(shù)應用于制造業(yè)，可以極大地促進信息技術(shù)、自動化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合^[2]。

    針對電能計量器具，國家電網(wǎng)公司全面推進“三集五大”體系改革，而大需求量的電壓互感器，基于其產(chǎn)品零件多、生產(chǎn)管理復雜的特點^[3]，對其進行可視性、協(xié)作化、可優(yōu)化的智慧管理迫在眉睫。安佰江等人介紹了互感器資產(chǎn)管理的流程模式，分析了RFID技術(shù)在互感器資產(chǎn)管理和自動化檢定中的應用背景^[3]。談慧針對制造業(yè)的生產(chǎn)特點，闡述了RFID技術(shù)應用于制造業(yè)提高生產(chǎn)效率的工作原理^[4]。王聰?shù)热嗽谒芰系纳a(chǎn)車間中應用RFID技術(shù)，形成了面向塑料制造業(yè)的智慧裝配車間^[5]。

    上述文獻研究了制造業(yè)和針對互感器自動化檢定應用RFID系統(tǒng)的理論可行性，并且在塑料制造企業(yè)已經(jīng)成功應用了RFID系統(tǒng)。但是針對電壓互感器的智能制造，其生產(chǎn)車間環(huán)節(jié)無疑是重點，而相對于應用環(huán)境較好的塑料制造業(yè)，設(shè)計出可以應用于電壓互感器的抗金屬標簽顯得更為重要。本文總結(jié)了浙江華采科技股份有限公司（以下簡稱“華采科技”）電壓互感器制造與管理環(huán)節(jié)的缺陷，分析了其應用RFID系統(tǒng)的需求及其優(yōu)勢，提出了一套針對電壓互感器的制造溯源系統(tǒng)，其中重點闡述了PCB RFID抗金屬標的設(shè)計，通過實施應用，達到了智能制造、優(yōu)化管理和信息溯源的期望目標。

1 產(chǎn)品制造需求分析

    對于電壓互感器的生產(chǎn)和管理，華采科技還沒有一套成形的信息化系統(tǒng)方案，目前僅是將重要的信息，利用記號筆寫在一塊PCB板上，該PCB板夾在“工”形鐵架與鐵座之中，以便進行生產(chǎn)車間前期的暫時記錄。在后續(xù)的制造過程中，產(chǎn)品被全密封澆注成型，從而前期所記錄的信息將無法查看。電壓互感器在生產(chǎn)分配、產(chǎn)品制造、成品檢測和包裝倉儲等環(huán)節(jié)存在缺陷，主要問題如下：

    (1)無法對全部所需信息進行記錄，而且不能進行實時的信息采集；

    (2)無法在產(chǎn)品的制造、檢測、運輸和銷售的整個生命周期進行信息追溯；

    (3)無法明確分配生產(chǎn)任務，生產(chǎn)計劃執(zhí)行力差；

    (4)制造信息無法與各主要工序監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)，不能進行生產(chǎn)責任的追究；

    (5)制造信息無法與現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

    將RFID系統(tǒng)應用于電壓互感器的制造中，可以解決上述問題，實現(xiàn)智能制造和智慧管理。本系統(tǒng)的關(guān)鍵是，基于企業(yè)所用的PCB板設(shè)計出能夠應用于電壓互感器制造環(huán)境的RFID電子標簽。

2 RFID系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能模塊

    系統(tǒng)需要實現(xiàn)從線圈繞制、貼心裝配、壓制、噴塑、出廠測試、包裝等制造全過程的信息追溯功能。根據(jù)此要求，系統(tǒng)功能模塊包括辦公室模塊、繞線車間模塊、包扎車間模塊、壓注成型模塊和測試包裝等模塊。系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示。其中，分配辦公室模塊包括標簽信息初始化和計劃生產(chǎn)的產(chǎn)品編碼；繞線車間模塊記錄繞線工人代碼；包扎車間模塊寫入包扎工人代碼和鐵芯的型號；壓注成型模塊記錄壓注工人和噴漆工人的代碼；測試包裝模塊包括裝機工人代碼、測試工人代碼、包裝工人代碼以及測試報告編碼和局放值。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

    通過分析電壓互感器的實際生產(chǎn)線，并結(jié)合上述系統(tǒng)功能要求，基于PCB RFID抗金屬標簽的電壓互感器制造溯源系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)架如圖2所示。

    在電壓互感器制造流程的最初始環(huán)節(jié)加入RFID標簽，以便記錄其整個制造過程的信息。在辦公室模塊，操作人員將標簽進行初始化，并把生產(chǎn)計劃的產(chǎn)品編碼寫入標簽之中，由此分配給繞線工人；在繞線車間模塊，操作人員通過手持讀寫器，依次讀取繞線工人的標簽，檢查其操作的產(chǎn)品型號是否與標簽對應的型號一致，若其中出現(xiàn)問題，則立刻停止更換產(chǎn)品，若正常，則將繞線工人代碼寫入標簽；在包扎車間模塊和壓注成型模塊，以同樣的方式進行操作，分別寫入相應的信息；在測試包裝模塊，操作人員先讀取標簽進行信息確認，再寫入相關(guān)信息，若測試過程中出現(xiàn)次品，則不需要拆機，通過讀取內(nèi)部的電子標簽即可找到責任人和出錯環(huán)節(jié)；若測試結(jié)果正常，則順利完成了電壓互感器的制造。通過上述步驟，在每個重要工位上都進行了產(chǎn)品型號的確認，避免了物料配置出錯，并且寫入了相關(guān)信息，實現(xiàn)了信息實時性、透明化，實現(xiàn)了制造過程的可追溯。

    在制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行RFID的讀寫操作，通過讀寫器獲得制造信息，并與通過上位機得到的監(jiān)控信息相關(guān)聯(lián)，在數(shù)據(jù)處理后傳送到客戶端。該系統(tǒng)在RFID信息采集的基礎(chǔ)上，與企業(yè)現(xiàn)有的ERP系統(tǒng)進行整合，可以實現(xiàn)多種功能，包括整個制造環(huán)節(jié)的信息追溯、生產(chǎn)計劃的執(zhí)行評價、管理監(jiān)控、責任追查、作業(yè)調(diào)度和制造信息實時上傳共享等，從而為實現(xiàn)智能制造與智慧管理奠定基礎(chǔ)。

3 RFID抗金屬標簽

3.1 RFID標簽設(shè)計理論

    在整個系統(tǒng)實現(xiàn)中，為了滿足應用的實際情況和系統(tǒng)的要求，需要針對電壓互感器設(shè)計UHF超高頻電子標簽。設(shè)計后標簽性能是否滿足要求可以通過仿真及仿真后得到的各項性能參數(shù)來判斷。方向性能和工作距離是RFID最重要的兩個性能參數(shù)，這兩個性能參數(shù)可以通過仿真觀察標簽的阻抗匹配程度、回波損耗和增益來進行驗證。

    RFID電子標簽的工作距離為：

式中，Z_A=R_A+jX_A為天線的復阻抗，R_A為天線復阻抗的實部，X_A為天線復阻抗的虛部；Z_L=R_L+jX_L為芯片的復阻抗，R_L為芯片復阻抗的實部，X_L為芯片復阻抗的虛部。通過微波通信原理可知，當信號源的阻抗與負載阻抗兩者處于共軛匹配狀態(tài)時，系統(tǒng)可以達到最大傳輸功率。

    回波損耗s定義為入射功率與反射功率之比，是表示入射功率的一部分被反射回信號源的性能參數(shù)，所以回波損耗值越小，表示標簽的性能就越好?；夭〒p耗同樣與阻抗匹配程度有關(guān)，一般要求其小于-20 dB。

    由上述可得，若要實現(xiàn)RFID電子標簽有較遠工作距離，則需要較好的阻抗匹配程度、較低的回波損耗和較高的增益。

    此外，考慮到制造過程讀寫的方便性，標簽的方向性也是一個非常重要的設(shè)計因素?？紤]到金屬的影響，要求RFID電子標簽具有較好的半球全向性^[6]。對于方向性，可以通過仿真得到其輻射方向圖來判斷，利用輻射增益最好的方向做標簽的讀寫操作。

3.2 RFID抗金屬標簽設(shè)計與仿真

3.2.1 標簽設(shè)計分析

    金屬不僅會反射電磁波從而影響標簽性能，而且還會直接干擾標簽的自身特性，因此在金屬環(huán)境下，RFID電子標簽的性能會嚴重下降，甚至無法工作^[7]。對于抗金屬標簽，最常用的方法是用塑料泡沫墊高標簽，但是電壓互感器制造的高溫壓注環(huán)節(jié)不允許有泡沫材料。此外引入AMC人工磁導體和電磁帶隙結(jié)構(gòu)，或是多種基于陶瓷或復合材質(zhì)的微帶天線利用金屬做為其接地板，達到抗金屬目的^[8-9]，但是標簽的成本太高，無法適用。

    結(jié)合金屬材料反射干擾電磁波的理論，提出基于此環(huán)境的RFID電子標簽設(shè)計方案。在設(shè)計時充分利用現(xiàn)有空間和周圍的金屬，在一定范圍內(nèi)調(diào)整與金屬的距離，使金屬反射回的電磁波加強天線讀取方向上的增益。

    對于RFID芯片，綜合芯片價格和性能，選擇Impinj的monza4E標簽芯片。芯片復阻抗的實部為11 Ω，虛部為143 Ω，該類型芯片的User內(nèi)存和EPC內(nèi)存分別為128 kB和496 kB，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

    根據(jù)上述設(shè)計，利用T型匹配來達到RFID天線和芯片的阻抗匹配，同時改變天線覆銅面積來達到中心頻率降低損耗，通過優(yōu)化標簽與金屬的距離來增強其增益，可確定RFID標簽的大致外形及尺寸，如圖3所示。

3.2.2 標簽性能仿真驗證

    將天線用螺絲固定在“工”形鐵架的中心，“工”形鐵架兩邊的上方均有鐵架，利用HFSS軟件仿真優(yōu)化其性能，其仿真圖如圖4所示。

    通過HFSS軟件優(yōu)化的RFID標簽放置在鐵具前后，最終得到天線在空氣中和鐵具中間的最優(yōu)性能。該天線加金屬前后的性能對比如圖5所示。

    通過圖5（a）可知，由于金屬的影響，在金屬中的回波損耗高于在真空中的，為-30 dB以下；由圖5（b）可知，金屬的影響使天線的實部降低虛部增大，基本可以達到共軛匹配；圖5（c）說明了利用三面金屬，天線的方向性更明確，增益得到提高。綜上，放置于三面均為鐵金屬的環(huán)境下，在中心頻率922.5 MHz時，標簽天線的回波損耗為-35 dB，阻抗為6.4+144j，基本達到了阻抗共軛匹配，增益為3.9 dB。此設(shè)計方案得到的RFID抗金屬標簽性能較好，能滿足系統(tǒng)的要求。

4 系統(tǒng)應用

    應用上述設(shè)計的PCB RFID抗金屬標簽，實現(xiàn)了華采科技電壓互感器制造溯源系統(tǒng)的開發(fā)應用。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下功能：

    （1）對全部所需信息的實時采集記錄，實現(xiàn)了信息實時共享反饋，信息實時性、透明化；

    （2）可以在產(chǎn)品的制造、檢測、運輸和銷售等整個生命周期進行信息追溯；

    （3）提高了生產(chǎn)計劃的執(zhí)行力，明確生產(chǎn)任務分配，及時掌握生產(chǎn)進度，提高了生產(chǎn)效率；

    （4）制造信息與各主要工序監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)，做到出現(xiàn)問題可以及時叫停改正，實時調(diào)整，并追究到責任人或生產(chǎn)錯誤環(huán)節(jié)。

    （5）制造信息與企業(yè)的信息管理系統(tǒng)和后臺數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合制造業(yè)，方便進行大數(shù)據(jù)分析，增強了企業(yè)的綜合競爭力。

5 結(jié)束語

    本文結(jié)合企業(yè)具體項目的實際環(huán)境條件和要求，設(shè)計了一套基于PCB RFID抗金屬標簽的電壓互感器制造溯源系統(tǒng)，這類RFID系統(tǒng)可以推廣至其他離散型制造業(yè)的生產(chǎn)中，同樣可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，增強綜合競爭力。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”上升為國家戰(zhàn)略，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會被引入到現(xiàn)代制造業(yè)的各個領(lǐng)域。RFID技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，將會得到更加廣泛的研究和應用。

參考文獻

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作者信息:

張  松1，洪  濤1，盛泉根2

(1.中國計量大學 質(zhì)量與安全工程學院，浙江 杭州310018；2.浙江華采科技有限公司，浙江 杭州310023)