基于PCB RFID抗金属标签的互感器制造追溯系统

引言

    RFID技术是物联网不可缺少的重要组成部分，其定义为一种非接触式的自动识别技术，通过电磁场进行无线通信，自动识别对象并获取信息，具有可读写、存储容量大、可靠性高等优势[1]。《中国RFID技术政策白皮书》及《浙江省物联网产业“十三五”发展规划》明确指出，RFID标签为重要研究对象。将RFID技术应用于制造业，可以极大地促进信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术的结合[2]。

    针对电能计量器具，国家电网公司全面推进“三集五大”体系改革，而大需求量的电压互感器，基于其产品零件多、生产管理复杂的特点[3]，对其进行可视性、协作化、可优化的智慧管理迫在眉睫。安佰江等人介绍了互感器资产管理的流程模式，分析了RFID技术在互感器资产管理和自动化检定中的应用背景[3]。谈慧针对制造业的生产特点，阐述了RFID技术应用于制造业提高生产效率的工作原理[4]。王聪等人在塑料的生产车间中应用RFID技术，形成了面向塑料制造业的智慧装配车间[5]。

    上述文献研究了制造业和针对互感器自动化检定应用RFID系统的理论可行性，并且在塑料制造企业已经成功应用了RFID系统。但是针对电压互感器的智能制造，其生产车间环节无疑是重点，而相对于应用环境较好的塑料制造业，设计出可以应用于电压互感器的抗金属标签显得更为重要。本文总结了浙江华采科技股份有限公司（以下简称“华采科技”）电压互感器制造与管理环节的缺陷，分析了其应用RFID系统的需求及其优势，提出了一套针对电压互感器的制造溯源系统，其中重点阐述了PCB RFID抗金属标的设计，通过实施应用，达到了智能制造、优化管理和信息溯源的期望目标。

1 产品制造需求分析

    对于电压互感器的生产和管理，华采科技还没有一套成形的信息化系统方案，目前仅是将重要的信息，利用记号笔写在一块PCB板上，该PCB板夹在“工”形铁架与铁座之中，以便进行生产车间前期的暂时记录。在后续的制造过程中，产品被全密封浇注成型，从而前期所记录的信息将无法查看。电压互感器在生产分配、产品制造、成品检测和包装仓储等环节存在缺陷，主要问题如下：

    (1)无法对全部所需信息进行记录，而且不能进行实时的信息采集；

    (2)无法在产品的制造、检测、运输和销售的整个生命周期进行信息追溯；

    (3)无法明确分配生产任务，生产计划执行力差；

    (4)制造信息无法与各主要工序监控信息关联，不能进行生产责任的追究；

    (5)制造信息无法与现有的信息管理系统和后台数据关联。

    将RFID系统应用于电压互感器的制造中，可以解决上述问题，实现智能制造和智慧管理。本系统的关键是，基于企业所用的PCB板设计出能够应用于电压互感器制造环境的RFID电子标签。

2 RFID系统设计

2.1 系统功能模块

    系统需要实现从线圈绕制、贴心装配、压制、喷塑、出厂测试、包装等制造全过程的信息追溯功能。根据此要求，系统功能模块包括办公室模块、绕线车间模块、包扎车间模块、压注成型模块和测试包装等模块。系统功能模块图如图1所示。其中，分配办公室模块包括标签信息初始化和计划生产的产品编码；绕线车间模块记录绕线工人代码；包扎车间模块写入包扎工人代码和铁芯的型号；压注成型模块记录压注工人和喷漆工人的代码；测试包装模块包括装机工人代码、测试工人代码、包装工人代码以及测试报告编码和局放值。

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2.2 系统构架设计

    通过分析电压互感器的实际生产线，并结合上述系统功能要求，基于PCB RFID抗金属标签的电压互感器制造溯源系统的设计构架如图2所示。

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    在电压互感器制造流程的最初始环节加入RFID标签，以便记录其整个制造过程的信息。在办公室模块，操作人员将标签进行初始化，并把生产计划的产品编码写入标签之中，由此分配给绕线工人；在绕线车间模块，操作人员通过手持读写器，依次读取绕线工人的标签，检查其操作的产品型号是否与标签对应的型号一致，若其中出现问题，则立刻停止更换产品，若正常，则将绕线工人代码写入标签；在包扎车间模块和压注成型模块，以同样的方式进行操作，分别写入相应的信息；在测试包装模块，操作人员先读取标签进行信息确认，再写入相关信息，若测试过程中出现次品，则不需要拆机，通过读取内部的电子标签即可找到责任人和出错环节；若测试结果正常，则顺利完成了电压互感器的制造。通过上述步骤，在每个重要工位上都进行了产品型号的确认，避免了物料配置出错，并且写入了相关信息，实现了信息实时性、透明化，实现了制造过程的可追溯。

    在制造过程中的关键环节进行RFID的读写操作，通过读写器获得制造信息，并与通过上位机得到的监控信息相关联，在数据处理后传送到客户端。该系统在RFID信息采集的基础上，与企业现有的ERP系统进行整合，可以实现多种功能，包括整个制造环节的信息追溯、生产计划的执行评价、管理监控、责任追查、作业调度和制造信息实时上传共享等，从而为实现智能制造与智慧管理奠定基础。

3 RFID抗金属标签

3.1 RFID标签设计理论

    在整个系统实现中，为了满足应用的实际情况和系统的要求，需要针对电压互感器设计UHF超高频电子标签。设计后标签性能是否满足要求可以通过仿真及仿真后得到的各项性能参数来判断。方向性能和工作距离是RFID最重要的两个性能参数，这两个性能参数可以通过仿真观察标签的阻抗匹配程度、回波损耗和增益来进行验证。

    RFID电子标签的工作距离为：

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式中，ZA=RA+jXA为天线的复阻抗，RA为天线复阻抗的实部，XA为天线复阻抗的虚部；ZL=RL+jXL为芯片的复阻抗，RL为芯片复阻抗的实部，XL为芯片复阻抗的虚部。通过微波通信原理可知，当信号源的阻抗与负载阻抗两者处于共轭匹配状态时，系统可以达到最大传输功率。

    回波损耗s定义为入射功率与反射功率之比，是表示入射功率的一部分被反射回信号源的性能参数，所以回波损耗值越小，表示标签的性能就越好。回波损耗同样与阻抗匹配程度有关，一般要求其小于-20 dB。

    由上述可得，若要实现RFID电子标签有较远工作距离，则需要较好的阻抗匹配程度、较低的回波损耗和较高的增益。

    此外，考虑到制造过程读写的方便性，标签的方向性也是一个非常重要的设计因素。考虑到金属的影响，要求RFID电子标签具有较好的半球全向性[6]。对于方向性，可以通过仿真得到其辐射方向图来判断，利用辐射增益最好的方向做标签的读写操作。

3.2 RFID抗金属标签设计与仿真

3.2.1 标签设计分析

    金属不仅会反射电磁波从而影响标签性能，而且还会直接干扰标签的自身特性，因此在金属环境下，RFID电子标签的性能会严重下降，甚至无法工作[7]。对于抗金属标签，最常用的方法是用塑料泡沫垫高标签，但是电压互感器制造的高温压注环节不允许有泡沫材料。此外引入AMC人工磁导体和电磁带隙结构，或是多种基于陶瓷或复合材质的微带天线利用金属做为其接地板，达到抗金属目的[8-9]，但是标签的成本太高，无法适用。

    结合金属材料反射干扰电磁波的理论，提出基于此环境的RFID电子标签设计方案。在设计时充分利用现有空间和周围的金属，在一定范围内调整与金属的距离，使金属反射回的电磁波加强天线读取方向上的增益。

    对于RFID芯片，综合芯片价格和性能，选择Impinj的monza4E标签芯片。芯片复阻抗的实部为11 Ω，虚部为143 Ω，该类型芯片的User内存和EPC内存分别为128 kB和496 kB，满足系统设计要求。

    根据上述设计，利用T型匹配来达到RFID天线和芯片的阻抗匹配，同时改变天线覆铜面积来达到中心频率降低损耗，通过优化标签与金属的距离来增强其增益，可确定RFID标签的大致外形及尺寸，如图3所示。

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3.2.2 标签性能仿真验证

    将天线用螺丝固定在“工”形铁架的中心，“工”形铁架两边的上方均有铁架，利用HFSS软件仿真优化其性能，其仿真图如图4所示。

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    通过HFSS软件优化的RFID标签放置在铁具前后，最终得到天线在空气中和铁具中间的最优性能。该天线加金属前后的性能对比如图5所示。

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    通过图5（a）可知，由于金属的影响，在金属中的回波损耗高于在真空中的，为-30 dB以下；由图5（b）可知，金属的影响使天线的实部降低虚部增大，基本可以达到共轭匹配；图5（c）说明了利用三面金属，天线的方向性更明确，增益得到提高。综上，放置于三面均为铁金属的环境下，在中心频率922.5 MHz时，标签天线的回波损耗为-35 dB，阻抗为6.4+144j，基本达到了阻抗共轭匹配，增益为3.9 dB。此设计方案得到的RFID抗金属标签性能较好，能满足系统的要求。

4 系统应用

    应用上述设计的PCB RFID抗金属标签，实现了华采科技电压互感器制造溯源系统的开发应用。该系统可以实现如下功能：

    （1）对全部所需信息的实时采集记录，实现了信息实时共享反馈，信息实时性、透明化；

    （2）可以在产品的制造、检测、运输和销售等整个生命周期进行信息追溯；

    （3）提高了生产计划的执行力，明确生产任务分配，及时掌握生产进度，提高了生产效率；

    （4）制造信息与各主要工序监控信息关联，做到出现问题可以及时叫停改正，实时调整，并追究到责任人或生产错误环节。

    （5）制造信息与企业的信息管理系统和后台数据关联，物联网结合制造业，方便进行大数据分析，增强了企业的综合竞争力。

5 结束语

    本文结合企业具体项目的实际环境条件和要求，设计了一套基于PCB RFID抗金属标签的电压互感器制造溯源系统，这类RFID系统可以推广至其他离散型制造业的生产中，同样可以提高企业的经济效益，增强综合竞争力。随着“互联网+”上升为国家战略，越来越多的物联网技术将会被引入到现代制造业的各个领域。RFID技术以其独特的优势，将会得到更加广泛的研究和应用。