路慶磊，戴文東

1.山東德信領(lǐng)鋒自動(dòng)化工程有限公司，山東淄博，255000；2.黑龍江龍維化學(xué)工程設(shè)計(jì)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(yùn)用各種現(xiàn)代化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工廠管理、辦公以及生產(chǎn)自動(dòng)化，以便更好地加強(qiáng)以及規(guī)范企業(yè)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(qiáng)運(yùn)行安全性[1]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)計(jì)算機(jī)能力的賦權(quán)增強(qiáng)工廠本身對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控管理能力，強(qiáng)化“思考”能力。在“科技創(chuàng)新2030”中，其明確指出將借助中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型特殊時(shí)期，帶動(dòng)中國(guó)制造含金量得到明顯提升，配合新一代信息技術(shù)、智能制造等各個(gè)不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)一體化部署，推進(jìn)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，幫助產(chǎn)業(yè)變革，增強(qiáng)在市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力[2]。射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是一種無(wú)源感知代表技術(shù)，其不再單純是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，更是一種無(wú)需傳感器的通用感知技術(shù)，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于智慧項(xiàng)目領(lǐng)域[3]。本研究將結(jié)合化工工廠特征以及RFID技術(shù)特點(diǎn)，打造全新的化工智慧工廠，旨在有效解決化工工廠生產(chǎn)過(guò)程中互操作能力欠缺、機(jī)械與車間底層之間雙向連接等問(wèn)題，并提升各環(huán)節(jié)信息通暢度，推動(dòng)化工工廠德大更好的發(fā)展。

1 RFID技術(shù)介紹

RFID系統(tǒng)主要通過(guò)應(yīng)答器、閱讀器兩個(gè)部分共同組合而成。RFID閱讀器實(shí)際上主要是針對(duì)應(yīng)答器來(lái)進(jìn)行讀寫處理，通常情況下，其包括了一個(gè)控制單元、一個(gè)射頻模塊、一個(gè)與應(yīng)答器耦合的元器件，當(dāng)前市面上最常見(jiàn)的閱讀器多配置了能夠與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信的模塊[4]。應(yīng)答器常規(guī)情況下能夠被固定在待標(biāo)記產(chǎn)品的表面，主要是通過(guò)集成電路（IC）以及微芯片來(lái)組合而成[5]。本次化工工廠設(shè)計(jì)中主要采用的是RFID標(biāo)簽應(yīng)答器。

2 化工智慧工廠特點(diǎn)

化工工廠在生產(chǎn)期間表現(xiàn)出較為獨(dú)特的連續(xù)性特征，能量流、物料流以及信息流始終連續(xù)不斷地穿過(guò)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。能量流在進(jìn)行生產(chǎn)期間，必然會(huì)表現(xiàn)出相互交錯(cuò)特征，物料流必須配合反復(fù)加工、循環(huán)等生產(chǎn)特點(diǎn)，促使生產(chǎn)裝置之間表現(xiàn)出較為突出的耦合作用，生產(chǎn)期間也經(jīng)常性因原料組分改變、供應(yīng)量等因素而導(dǎo)致生產(chǎn)負(fù)荷發(fā)生改變，甚至必須配合對(duì)生產(chǎn)過(guò)程作出調(diào)整，導(dǎo)致生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益受到影響，甚至還可能引發(fā)環(huán)保問(wèn)題、安全問(wèn)題以及個(gè)別單元裝置停車等問(wèn)題[6]。除此之外，化工生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)計(jì)物料具有一定污染性，人工長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)引發(fā)職業(yè)疾病，同時(shí)這些物料還具有較高復(fù)雜性，要實(shí)現(xiàn)人工職業(yè)防護(hù)以及物料的精確機(jī)理建模，本身就是生產(chǎn)難點(diǎn)之一。加之，復(fù)雜龐大的信息處理方案，以及龐大的計(jì)算量、數(shù)據(jù)量等，很難在生產(chǎn)階段的控制與決策問(wèn)題通常會(huì)遭遇各種問(wèn)題。但也正是因此，進(jìn)行智慧工廠的構(gòu)建成為了不少企業(yè)的必然選擇。

3 基于RFID下的化工智慧工廠整體架構(gòu)

3.1 智慧工廠整體架構(gòu)

智慧工廠系統(tǒng)主要是通過(guò)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)與倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)兩個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)主要是通過(guò)室內(nèi)定位系統(tǒng)以及庫(kù)存管理系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成，訂單系統(tǒng)則是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上來(lái)構(gòu)建而成，企業(yè)層則配合這些系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)訂單的調(diào)度、工藝流程的改進(jìn)，具體的架構(gòu)見(jiàn)圖1。

3.2 智慧化工工廠系統(tǒng)基礎(chǔ)組件

3.2.1 庫(kù)存管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

基于供應(yīng)鏈關(guān)系下，化工倉(cāng)庫(kù)始終是整個(gè)流程的中間節(jié)點(diǎn)，不僅是生產(chǎn)與采購(gòu)之間的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是精加工與預(yù)處理的節(jié)點(diǎn)。高效的庫(kù)存管理能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)成本的控制，同時(shí)也能夠更好地解決時(shí)間資源[7]。絕大部分化工工廠均必須配備準(zhǔn)備的倉(cāng)庫(kù)，且對(duì)倉(cāng)庫(kù)的存放有著極高的標(biāo)準(zhǔn)。

本次所研究的化工企業(yè)，以往在倉(cāng)庫(kù)管理上，主要配合采用手持式掃描槍來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品以及物料的清點(diǎn)，隨后再通過(guò)人工實(shí)現(xiàn)將相關(guān)產(chǎn)品信息錄入到倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)。這種管理方式不僅會(huì)導(dǎo)致人員長(zhǎng)時(shí)間暴露于高濃度化工原料的環(huán)境下，增加職業(yè)病發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)人工清點(diǎn)差錯(cuò)率非常高，并且從安全角度上來(lái)看，人工進(jìn)入庫(kù)房非常容易帶來(lái)火源，引發(fā)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(jié)合RFID技術(shù)本次研究提出了有效的解決方案。

（1）標(biāo)簽類型選取。結(jié)合本次研究對(duì)象，大量的原料均為液體、粉塵灌裝，很難采用有源標(biāo)簽。而存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)的面積大約為200平方米，無(wú)源標(biāo)簽的性能能夠較好地幫助倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)得到切實(shí)有效的落實(shí)，為此，最終確定運(yùn)用無(wú)源標(biāo)簽。

（2）通信接口選取。因RFID本身處于發(fā)展階段，不少企業(yè)都參與到了RFID設(shè)備制造中，導(dǎo)致不同廠家的RFID設(shè)備很難有效兼容。用戶若因不可抗力的因素必須對(duì)RFID設(shè)備作出更換處理，就必須重新進(jìn)行應(yīng)用層代碼并進(jìn)行測(cè)試，復(fù)雜且有著較大遷移工作量?，F(xiàn)階段，RFID設(shè)備主要以LLPP通信協(xié)議為主，該協(xié)議本身具有極高復(fù)雜性，開(kāi)發(fā)人員必須充分了解標(biāo)簽與閱讀器的底層構(gòu)造原理，編寫出更為可靠的應(yīng)用層代碼[8]。應(yīng)用級(jí)事件（ALE）則對(duì)LLPP實(shí)施了相應(yīng)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(kù)存管理系統(tǒng)感知層構(gòu)建。RFID系統(tǒng)是構(gòu)成產(chǎn)品信息感知層的關(guān)鍵，而該感知層主要分布于倉(cāng)庫(kù)的出口、入口位置，用于對(duì)倉(cāng)庫(kù)產(chǎn)品出入信息的讀取。倉(cāng)庫(kù)的出口與入口分別配置了相應(yīng)的RFID閱讀器，兩組閱讀器均基于ALE協(xié)議下，設(shè)定為邏輯閱讀器。ALE客戶端首先被設(shè)定為L(zhǎng)RSpec，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(fù)合閱讀器的布爾值。ALE實(shí)現(xiàn)主要是基于LRSpec以及名稱創(chuàng)設(shè)的邏輯閱讀，在完成創(chuàng)設(shè)處理之后，ALE客戶端定義主要配合閱讀標(biāo)簽信息的ECSpec，其中包括讀取標(biāo)簽信息以及列表時(shí)的條件等相關(guān)信息。最后再經(jīng)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(shù)經(jīng)由不同的LLPP消息傳輸?shù)轿锢黹喿x器內(nèi)，形成全新的邏輯閱讀器構(gòu)建。

（4）庫(kù)存管理系統(tǒng)傳輸層構(gòu)建。出入口部位的每一組物理閱讀器中同時(shí)設(shè)置了對(duì)應(yīng)的中央閱讀器，其能夠經(jīng)由倉(cāng)庫(kù)服務(wù)器經(jīng)由遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)取啟動(dòng)。中央閱讀器在成功開(kāi)啟之后，即可對(duì)本地所需要的網(wǎng)絡(luò)接口信息進(jìn)行快速獲取，并經(jīng)由Ping消息對(duì)各個(gè)設(shè)備18080端口做出檢測(cè)。在成功接收到子網(wǎng)中各種存活設(shè)備IP之后，其能夠與Web相互連接，并完成JSON格式確認(rèn)文件，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)正確閱讀器的快速連接。

（5）庫(kù)存管理系統(tǒng)應(yīng)用層構(gòu)建。針對(duì)該應(yīng)用層，其主要是通過(guò)瀏覽器/服務(wù)器來(lái)實(shí)施構(gòu)建，其最主要的功能為：能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)庫(kù)存管理系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制；經(jīng)由gRPC輸出流即可獲得邏輯閱讀器的輸出并實(shí)現(xiàn)有效解析，同時(shí)將數(shù)據(jù)存放到相應(yīng)的倉(cāng)庫(kù)中；一旦有錯(cuò)誤發(fā)生，就發(fā)出警報(bào)，方便管理人員及時(shí)查看。

3.2.2 基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)

（1）RFID信號(hào)分析。因無(wú)源RFID標(biāo)簽共同組成了RFID系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽工作的能量主要源自于閱讀器所發(fā)射的電磁波。無(wú)源RFID標(biāo)簽運(yùn)轉(zhuǎn)所需要耗費(fèi)的能量均來(lái)源于閱讀器，在閱讀器發(fā)出了對(duì)應(yīng)的電磁波信號(hào)之后，若信號(hào)在達(dá)到了標(biāo)簽后，其所包含的能量能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)源RFID標(biāo)簽電路的有效驅(qū)動(dòng)，那么此標(biāo)簽就必然能夠經(jīng)由內(nèi)置芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信號(hào)的獲取，并經(jīng)由反向散射調(diào)制原理將標(biāo)簽中存儲(chǔ)的內(nèi)容反饋到閱讀器中。就具體情況來(lái)看，調(diào)制主要是經(jīng)由將標(biāo)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(tài)下實(shí)施快速切換處理。

（2）室內(nèi)定位方案。RFID室內(nèi)定位技術(shù)可以配合多方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)定位非常精確并且要求相對(duì)較低的情況下，可以配合標(biāo)簽是否存在于閱讀器范圍內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)有效定位。這種處理方式本身的分辨率相對(duì)較低，若需要提升其定位精度，則需要基于RHD信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)更多信息的提取。在本次設(shè)計(jì)中，就采取了RSSI作為特征，標(biāo)簽選取UHF頻段的無(wú)源RFID標(biāo)簽。

RSSI算法主要配合固定的RFID閱讀器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在閱讀器中設(shè)定多個(gè)不同的參考標(biāo)簽，它們的具體型號(hào)以及附著于產(chǎn)品上的標(biāo)簽均是具有較高一致性，定位系統(tǒng)能夠更好地掌握他們的位置情況。與此同時(shí)，在整個(gè)定位系統(tǒng)范圍內(nèi)，被定位的產(chǎn)品均需要在短時(shí)間內(nèi)保持適中不動(dòng)。通過(guò)增加參考標(biāo)簽的方式，不僅能夠避免過(guò)度依賴RSSI測(cè)量結(jié)果，同時(shí)還有利于提升整體定位的精準(zhǔn)程度。

3.2.3 OPC UA驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)對(duì)象表現(xiàn)出非常典型的企業(yè)層與生產(chǎn)層在內(nèi)溝通交流不到位的情況。生產(chǎn)層很難及時(shí)將化工生產(chǎn)流程中存在的問(wèn)題反饋到企業(yè)管理層，這就使得管理人員也無(wú)法結(jié)合真實(shí)可靠的信息來(lái)合理調(diào)整生產(chǎn)方案。除此之外，在進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中，成品率等相應(yīng)數(shù)據(jù)通常很難準(zhǔn)確計(jì)算，管理人員也很難結(jié)合具體數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的優(yōu)化處理，這就使得產(chǎn)品的成本無(wú)法得到較好的控制。例如：某臺(tái)設(shè)備因故障受損時(shí)，使得整個(gè)生產(chǎn)線產(chǎn)量急劇下降，管理人員實(shí)際上無(wú)法及時(shí)掌握信息，仍然是以原本的生產(chǎn)效率來(lái)進(jìn)行原料的采購(gòu)，造成原材料持續(xù)堆積，資金周轉(zhuǎn)受到影響，嚴(yán)重影響企業(yè)的運(yùn)作效率。為此，在設(shè)計(jì)中，注重提出了基于RFID下的OPC UA數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)：數(shù)據(jù)采集的整體架構(gòu)見(jiàn)圖2，它主要功能可概括為以下幾點(diǎn)：

（1）在原料處理等設(shè)備上裝設(shè)OPC DA服務(wù)器，促使設(shè)備與設(shè)備之間操作流程能夠形成相互交錯(cuò)，更好地獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。在原料攪拌池內(nèi)部配置PLC控制器來(lái)實(shí)施控制，而針對(duì)標(biāo)簽機(jī)以及傳送帶則主要以嵌入式設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)管控，這就能夠經(jīng)由OPC DA迅速收集所需要的數(shù)據(jù)信息。

（2）打造對(duì)應(yīng)的OPC DA客戶端，該客戶端主要配合使用了OPC UA來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)訂閱機(jī)制，實(shí)時(shí)完成OPC DA服務(wù)器相關(guān)緩存數(shù)據(jù)獲取。

（3）OPC UA服務(wù)器所創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的快速訪問(wèn)，還能夠?qū)ν夤枷鄳?yīng)地址。OPC UA服務(wù)器使用設(shè)備節(jié)點(diǎn)能夠更好地獲得OPC DA客戶端所傳送的相應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)，隨后再將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，最大程度上提升數(shù)據(jù)的持久化效果。

（4）針對(duì)完備故障處理機(jī)制做出科學(xué)設(shè)定，這就能夠更好地提升系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

OPC UA故障處理：無(wú)論在何種系統(tǒng)內(nèi)，故障處理至關(guān)重要。OPC UA在客戶端和服務(wù)器都設(shè)定了非常完備的故障處理體系。服務(wù)器主要經(jīng)由對(duì)另一個(gè)服務(wù)器鏡像實(shí)施復(fù)制的方式，來(lái)達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)的備份處理。一旦客戶端服務(wù)到達(dá)的服務(wù)器出現(xiàn)了明顯錯(cuò)誤，服務(wù)器就會(huì)發(fā)出請(qǐng)求鏡像服務(wù)的處理要求，即便是并未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，但服務(wù)器故障對(duì)客戶端而言仍然處于透明狀態(tài)。此外，服務(wù)器還能夠結(jié)合客戶端的設(shè)定要求，將其切換到對(duì)應(yīng)的故障模式。

4 結(jié)語(yǔ)

在化工加速智慧工廠建設(shè)期間，結(jié)合其特殊性與復(fù)雜性，本研究探索了RFID系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案，明確了RFID對(duì)化工智慧工廠特性的重要性，旨在幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)更為靈活、科學(xué)的工廠管控，帶動(dòng)化工工廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，真正意義上以智慧的力量推動(dòng)工廠生產(chǎn)效益的提升和管理成本的控制。