射頻識別技術在鋼管制造中的應用

馬朝輝，王旭鵬，徐海東，高 鵬，王冬虎，王恒陽

（寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

鋼管生產制造車間過去一直采用傳統的人工手寫紙質記錄來實現鋼管數據統計，這種記錄方式造成數據信息滯后，錯誤率也很高。通過信息化改造，全面應用MES（制造企業生產過程執行系統）實現數據系統管理，取消了紙張記錄，統一采用手工輸入計算機的方式進行數據采集和統計整理［1-5］。但是人力資源浪費還是存在，大量數據需通過人工輸入MES，而且由于人為因素，數據錄入不及時、準確率低。隨著企業規模的不斷發展，生產數據量不斷增加，數據的管理十分復雜和多樣化，傳統的數據采集方式難以滿足生產管理快速、準確的要求，嚴重影響了生產運行工作效率?；诖?，提出了采用RFID（射頻識別技術）自動讀取采集數據方式來解決問題。RFID 設備具有遠距離快速識別標簽的特點，應用在鋼管生產環節中可以最大限度地提高生產效率和識別準確性，彌補鋼管制造企業在生產環節中存在鋼管信息滯后的短板，提高企業自動化生產管理水平。鋼管制造中有些崗位工作人員需要頻繁對鋼管進行清掃等，而采用手持機來讀取數據，工作人員操作起來比較方便。但對于固定崗位（如水壓崗位），采用固定式讀寫器和天線來讀取相關數據，這樣只要鋼管經過生產崗位，就可以自動地將這根鋼管的信息導入到MES 系統中［6-15］。

1 鋼管管號識別幾種方式

1.1 人工手寫管號識別

在鋼管外表面人工寫管號，這種方式在鋼管生產線后續加工、檢驗等過程中通過崗位操作人員目視進行識別，經過長距離輥道傳輸后人工手寫管號容易被磨擦蹭掉，導致后續崗位無法清楚識別，同時崗位操作人員靠近鋼管查看管號具有一定的安全風險，而且影響識別準確性和工作效率。

1.2 排序識別

對生產線上的鋼管編號采用自動排序方式。因為生產線無法保證鋼管按照編號傳輸，所以這種方式不具有識別的實時性，同時也不利于生產檢驗記錄的編寫，可操作性較差。

1.3 條形碼或二維碼識別

通過條形碼或二維碼識別等技術進行識別。但是，在實際生產過程中，由于鋼管在輥道上傳輸及在旋轉輥上轉動，條形碼被磨損掉的情況較為普遍，使得正常流程無法順利進行。如果將條碼或二維碼粘貼在鋼管內壁，鋼管內焊渣粉塵較多，嚴重影響粘貼的牢靠度，條碼或二維碼在運行中途丟失情況較為普遍，并且當鋼管運行經過水壓試驗工序后，條碼或二維碼幾乎都被高壓水沖刷掉或者被水浸濕撕爛，造成后續崗位無法讀取數據。此外，讀取條形碼或二維碼數據時，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?；谝陨戏椒ㄔ囼烌炞C，條形碼或二維碼在鋼管制造流程中信息讀取無法順利完成。二維碼識別如圖1 所示。

圖1 二維碼識別

1.4 RFID 數據識別

在整個鋼管制造流程中，螺旋縫埋弧焊管機組飛剪崗位產生鋼管管號，崗位工作人員通過發卡器將管號寫入RFID 標簽，同時相應的管號信息由RFID 中央信息系統遵循分廠MES 的OPC 協議上傳至MES 服務器中，MES 服務器系統處理數據后將鋼管管號傳送至飛剪崗位云終端客戶機，崗位人員在該鋼管管號下輸入鋼管其他工藝參數信息。當鋼管順流程至后續崗位，RFID 標簽進入磁場后，固定式RFID 識別設備或手持式RFID 標簽接收器發出的射頻信號，無源標簽或被動標簽憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的鋼管編號，有源標簽或主動標簽主動發送存儲在芯片中的鋼管編號（采用的為無源RFID 標簽），接收器讀取到信息并解碼后，發送至RFID 中央信息系統進行數據處理后。繼續遵循分廠MES 的OPC 協議上傳至MES 的OPC 服務器中，后續崗位的MES 云終端界面自動顯示掃描到的鋼管管號，而且該鋼管的所有信息對應顯示出來。至此一根鋼管在每一個崗位的數據信息采集工作完成。

以上四種識別方式中，前三種都無法滿足現階段鋼管生產、防腐、倉儲、物流的耐高溫、耐靜態高水壓、防水、自動識別管理等方面發展要求，同時隨著公司MES 在制管、防腐生產線上的全面應用，MES 系統迫切需要一種能自動、實時識別方式對鋼管管號進行識別，實現生產過程控制。因此，寶雞石油鋼管有限責任公司（簡稱寶雞鋼管公司）提出使用RFID 電子標簽識別技術實現遠距離、及時、準確和全自動方式對鋼管進行識別跟蹤和智能管理。

2 RFID 在鋼管制造流程中的應用

2.1 RFID

RFID 是一種無線通信技術，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸。無線電的信號是通過調成無線電頻率的電磁場，把數據從附著在物品上的標簽上傳送出去，以自動辨識與追蹤該物品。某些標簽在識別時從識別器發出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池；也有標簽本身擁有電源，并可以主動發出無線電波（調成無線電頻率的電磁場）。標簽包含了電子存儲的信息，數米之內都可以識別。與條形碼或二維碼不同的是，射頻標簽不需要處在識別器視線之內，也可以嵌入被追蹤物體之內。

2.2 終端數據采集設備

（1） RFID 抗金屬電子標簽。

選用RFID 抗金屬電子標簽。RFID 抗金屬電子標簽使用無源技術，在整個生命周期期間免維護，在標簽封裝外安裝磁鐵，使標簽緊貼在鋼管內壁。RFID 標簽記錄了鋼管的管號信息，管號信息應用到MES 數據庫中就可以比對出鋼管的工藝參數。也就是說，鋼管在經過某個生產環節時，RFID讀寫器或手持機只要能準確地讀到標簽就能將該鋼管的生產工藝流程信息準確無誤地上報給MES。

RFID 抗金屬電子標簽線路板使用PCB 材料，具有耐高溫（工作溫度230 ℃，工作時間10 min）、抗靜態高水壓（工作水壓20 MPa，工作時間20 s）特點?？梢詫崿F多角度、遠距離進行自動識別，完全滿足鋼管生產線多鐵粉、高溫度、高濕度等復雜環境。

（2） 固定式RFID 識別設備。

固定式RFID 識別設備安裝在相對固定的崗位上（如水壓試驗崗位），當鋼管經過該設備的讀寫區域，就能自動識別到該鋼管內的RFID 標簽，固定式RFID 識別設備由固定式RFID 讀寫器和5 DBI天線組成。固定式讀寫器及天線如圖2 所示。

圖2 固定式讀寫器及天線

（3） 手持式RFID 標簽接收器。

手持式RFID 標簽接收器作為鋼管生產流程中移動采集設備的形式出現。該手持機可讀取鋼管上的RFID 標簽，并通過無線網絡與中心數據庫通信將管號上傳至服務器。手持式標簽接收器如圖3 所示。

2.3 通信系統

RFID 數據采集系統采用RS485 通信及WI-FI方式實現通信，并遵循分廠MES 的OPC 協議與MES 連接，實現崗位鋼管工藝數據上傳及處理。RFID 數據采集系統結構如圖4 所示。

圖3 手持式標簽接收器

圖4 RFID 數據采集系統結構

3 存在的問題及改進處理

3.1 RFID 標簽改進

經過近幾年的使用，寶雞鋼管公司對RFID 標簽進行了改進。原來使用的標簽線路板通過非磁性螺絲將兩塊強力磁鐵固定在一起，兩塊磁鐵外漏，在運行過程中鐵屑黏在磁鐵上，很難清理掉。標簽外觀形狀復雜，固定磁鐵的螺絲松動，造成標簽丟失，在水壓試驗中也經常會被高壓水沖出管外丟失?；谝陨蠁栴}，對標簽進行了改造，將兩塊磁鐵封閉在標簽里，標簽上黏的鐵屑很容易清理，并且將標簽外觀設計為流線型，很好地避免了水壓試驗高壓水沖刷。確保每個鋼管經過水壓試驗工位后標簽的存在。

3.2 重復發卡問題處理

在原有的RFID 標簽發卡系統中，經常會出現重復發卡現象，當待寫號標簽離發卡器較近，會誤將正在寫的號碼寫入周圍多個標簽里，造成多個標簽同號現象發生。在改進系統中將發卡器功率進行多次驗證試驗，確保只能給發卡器上放置的標簽寫入管號，同時做好其他待用標簽的屏蔽措施。

3.3 各崗位標簽數據讀取錯誤處理

在鋼管制造流程中，會出現一個崗位鋼管數量較多現象，在原有系統中出現了同時讀取到多個標簽信息的現象發生，造成崗位人員無法識別正確管號。經過多次試驗驗證，以識別到固定位鋼管內標簽為基準，同時在每一個崗位加裝LED 顯示屏，方便崗位人員及時查看。調整標簽識別設備天線功率，同時調整天線角度和位置，修改系統程序為識別到一個標簽一定時間后才能識別下一根鋼管標簽。具體時間長度根據本崗位流程時間而定。

3.4 標簽管理問題處理

在原有系統中，標簽管理混亂，無法統計標簽使用數量，對丟失標簽及損壞標簽的無法管理，導致標簽數量越來越少，增加了鋼管生產成本。對此問題，通過制作標簽管理軟件，對標簽的使用數量、庫存數量、報廢數量進行監控?？梢詫崟r查詢每一個標簽的狀態以及丟失標簽位置。使標簽管理水平大幅提升，同時減少標簽丟失，降低成本。RFID 標簽管理系統如圖5 所示。

圖5 RFID 標簽管理系統

4 結 語

隨著鋼管制造行業自動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使用記號筆在鋼管表面書寫管號及通過肉眼觀察管號后手動輸入至MES 系統等阻礙信息化發展的工作方式將會被淘汰，及時發現并準確定位解決方式。目前，RFID 技術已在寶雞鋼管公司鋼管制造中使用了近5 年，應用于20 多種規格鋼管的生產中，已累計服務鋼管生產50 多萬t。通過長時間使用證明，RFID為鋼管制造信息化提升起到了很強的推動作用。將為鋼管制造業帶來以下效益：節省人工采集數據成本；采用自動化的數據采集管理作業，提高工作效率；減少管理成本和人為錯誤，提高數據準確性；進行更精確的進，銷、存控制；降低了工作人員勞動強度、增強了安全性；快速響應顧客需求，做到及時分析數據。