RFID技術(shù)在礦用電纜信息管理中的應用

RFID技術(shù)在礦用電纜信息管理中的應用

董文斌，張建宇，徐楚雯（1.國家能源集團準格爾能源有限責任公司哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯010300；2.遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島125105）長期以來，煤礦對電纜以及設備管理具有對工作人員的依賴度過高、效率低下等缺點。電纜信息的管理不當會給企業(yè)帶來不可估量的損失。傳統(tǒng)的電纜信息管理模式又稱3步走模式：①工作人員將電纜信息手動記錄；②施工前按照所記錄的信息指定電纜變更計劃；③將變更的信息再次記錄作為下一次施工的依據(jù)?？梢钥闯?，其可靠性低、有效性低的特點已經(jīng)不能滿足實際要求了。所以將RFID技術(shù)應用于基于物聯(lián)網(wǎng)的礦用電纜管理系統(tǒng)，能夠更加智能化地管理電纜信息。1RFID技術(shù)及特點射頻識別（RFID）原理為閱讀器與標簽之間進行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，達到識別目標的目的[1]。RFID的應用非常廣泛，2010年國外學者KimHyungDo等人將RFID技術(shù)應用在配送物流中，為物流公司提供了高效的物流管理[2]；2015年何健、郝學韜等人為了解決紅酒儲運過程中溫度、濕度的實時監(jiān)測問題，利用RFID無線傳感技術(shù)自動采集酒品溫濕度數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對被測酒品的溫濕度監(jiān)控和追溯[3]；2017年高文娟、陳曄等人響應國家政府的號召，將自己的科研目光置于“智慧社區(qū)系統(tǒng)”上，建立了基于RFID的三維GIS智慧小區(qū)應用平臺，使該系統(tǒng)本存在的限制都得到了解決[4]；2020年JianfengShen利用RFID自身的特點提高了圖書館采編工作的工作效率和服務質(zhì)量[5]；2021年RanjanaP、VarshaS與EliyasSherin將RFID技術(shù)運用于環(huán)境保護上，成功地避免公眾把垃圾扔在街道上[6]。1.1RFID的構(gòu)成及工作原理無線射頻識別技術(shù)是運用無線電波不接觸地快速進行信息交換和存儲的原理，通過無線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)從而實現(xiàn)非接觸式的雙向通信，以達到識別的目的，用于數(shù)據(jù)交換，串聯(lián)起1個極其復雜的系統(tǒng)[7]。1套完整的RFID系統(tǒng)是由3部分組成的，分別是應答器、讀寫器以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。電子標簽是應答器的一種表現(xiàn)形式，由芯片、耦合器、天線組合而成。其中芯片的作用是保存數(shù)據(jù)；耦合器的作用是實現(xiàn)射頻信號的空間耦合，它的存在使得讀寫器與標簽之間可以實現(xiàn)無接觸雙向通信；天線是一種轉(zhuǎn)能器，在發(fā)射信號時它會將高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波，而在接收時它會將電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流送到接收機當中。RFID技術(shù)基本工作原理有2種方式：①方式1:閱讀器向電子標簽發(fā)送射頻信號，電子標簽會憑借感應電流所獲得的能量向閱讀器發(fā)送存儲在芯片當中的信息；②方式2:電子標簽主動地向閱讀器發(fā)送信號，閱讀器獲取后經(jīng)過解碼會將其送至信息系統(tǒng)進行信息處理。有源RFID的工作原理為方式2，無源RFID為方式1。1.2RFID技術(shù)的特點RFID技術(shù)的特點為：①穩(wěn)定性方面:RFID具有防水、防磁、耐高溫等特點，保證了RFID在煤礦上時仍然可以正常工作；②效率方面:實現(xiàn)了多個目標同時被識別，而且存儲信息量大，能夠保證工作不中斷；③從經(jīng)濟性方面:它是可擦寫標簽，能夠更加便捷地更新標簽，可以做到同一標簽多次使用；④安全性方面:可以通過設置密碼以防止被偽造，所以安全性較高。RFID技術(shù)的應用提高了識別過程中的信號正確性以及數(shù)據(jù)的存儲能力[8]。2RFID技術(shù)在礦用電纜信息管理中的應用煤礦環(huán)境較為惡劣，傳統(tǒng)的標簽往往會因為覆有污垢、標簽損壞以及不夠智能化等問題而影響工作人員讀取標簽的效率。RFID技術(shù)采用非接觸式的數(shù)據(jù)通信形式，利用RFID射頻識別模塊在1m內(nèi)都能獲取到標簽中的信息即使在標簽覆有泥垢的情況下。電子標簽通過固定裝置固定，1根電纜對應2根標簽，1頭1尾分布，便于現(xiàn)場工作人員獲取電纜信息。標簽所在位置如圖1。圖1標簽所在位置電子標簽不僅將RFID技術(shù)運用在電纜的信息管理中，而且對于電纜的來方向（配電柜、分線箱）、去方向（工具）等設備均采用電子標簽作為它們的代號，在建立連接信息時便無需通過手動選擇配電柜、設備等信息來建立連接，只需打開安裝在手持機上APP開啟掃一掃功能，便可輕松建立連接信息。2.1電纜信息和配電柜等設備信息的錄入首先由信息管理者利用RFID讀寫器向RFID標簽中寫入電纜基本信息（標簽序列號、電纜型號、耐壓等級、橫截面積、電纜長度以及生產(chǎn)廠商）、運維信息（所連配電柜名稱、所在線路名稱、所連接的設備名稱以及通電情況）、配電柜等設備的基礎信息，并將這些信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，在錄入好電纜信息之后，利用樹脂澆灌技術(shù)將標簽封裝進標簽固定裝置當中。利用RFID技術(shù)將電纜等信息錄入電子標簽中同傳統(tǒng)方式相比工作效率得到了極大的提升。2.2礦用電纜信息的變更在施工過程中，根據(jù)施工前制定好的技術(shù)方案對現(xiàn)場進行施工并對電纜、設備進行變更，在變更的同時工作者利用讀寫器通過掃描RFID碼對數(shù)據(jù)庫中電纜信息以及運維信息進行增刪改查。1）情況1：對某一線路上的配電柜或所連接的設備進行修改。1條線路上可能會連接有幾百根電纜，但是對于該系統(tǒng)而言只要工作人員利用讀寫器對其中1根電纜的標簽進行掃描并修改其配電柜或設備，那么整條線路上的電纜都會跟著變更。與傳統(tǒng)的管理方式相比不僅僅提高了效率，更節(jié)省了人力資源。其中配電柜與設備可以同時變更也可以僅變更其中一個，情況1如圖2。圖2情況12）情況2：減少某一線路上的電纜根數(shù)。此時僅僅需要工作者掃描想要撤走的電纜，對其信息進行刪除或者變更便可實現(xiàn)線路電纜根數(shù)的變更。同時工作者可以從讀寫器中獲得變更后的電纜根數(shù)。與傳統(tǒng)的管理方式相比能夠使管理者更加及時地獲取電纜的狀態(tài)信息。情況2如圖3。圖3情況23）情況3：某線路中的某1段電纜已壞，將用另1根電纜替換它。對于傳統(tǒng)的電纜信息管理模式而言，需要通知維修部將已損壞的電纜帶回維修部，并用1根正常工作的電纜替換它，再手動記錄新的電纜信息。然而對于該系統(tǒng)而言，只需使用讀寫器將已損壞的電纜進行標記添加至已損壞電纜行列，并更改替換的電纜的信息即可。與傳統(tǒng)的管理方式相比，該系統(tǒng)使得各個部門的工作更加明了，合作更加緊密，能夠使工作完成得更加高效，情況3如圖4。圖4情況34）情況4：某線路的某根電纜損壞，切斷其損壞部分，保存未損壞部分，再增加2個標簽的方式，相當于增加了1根電纜?；谠撓到y(tǒng)，用讀寫器重新寫入2個標簽，分別置于斷開部分的耦合器左右兩端并改變原電纜的信息。與傳統(tǒng)的電纜管理方式相比，該系統(tǒng)在操作上智能化程度更高，情況4如圖5。圖5情況42.3電纜連接示意圖的生成與打印功能可以利用讀寫器對電纜的通斷電情況進行記錄并上傳至數(shù)據(jù)庫，不僅可以通過臺賬管理平臺查看今日電纜運維狀態(tài)與通斷電情況并打印。而且在臺賬管理平臺中還有1個查看并打印連接示意圖的功能，根據(jù)該圖能夠簡潔明了地獲取礦用電纜的連接情況、通斷電等信息。與傳統(tǒng)的管理模式相比，該系統(tǒng)的用戶體驗感更佳、智能化程度更高，很大程度解放了勞動力。電纜部分連接示意圖如圖6。圖6電纜部分連接示意圖3電子標簽固定裝置與手持機3.1電子標簽固定裝置想要將電子標簽固定在電纜上必須得依靠特定的裝置，同時該裝置必須具有耐磨性、抗摔性、抗寒性、質(zhì)地輕巧等特性以適應煤礦惡劣的自然環(huán)境與工作環(huán)境。研究了若干材料，比如不銹鋼、尼龍、聚酰胺、聚乙烯、尼龍pa66等，經(jīng)過試驗決定采用聚酰胺作為該放置裝置的材料。電子標簽固定裝置模型圖如圖7，它是由聚氨酯制成的圓環(huán)柱，該圓環(huán)柱是半開合的，可以依靠螺絲將其固定在電纜上，其內(nèi)圓半徑即電纜的半徑。螺絲是內(nèi)陷設計，防止螺絲被砸斷而降低該模型的使用壽命。同時，小圓片即電子標簽，采用樹脂封裝的方式將電子標簽固定在聚氨酯的內(nèi)部，保證了標簽固定的牢固性。圖7電子標簽固定裝置模型圖3.2手持機為了增加系統(tǒng)的安全性，選擇礦上內(nèi)網(wǎng)作為信息傳輸?shù)耐ǖ?，但是礦上的內(nèi)部網(wǎng)絡的頻段具有獨特性，僅有華為的少數(shù)設備可以直接接入煤礦的內(nèi)網(wǎng)，于是選用華為設備（具有定位功能）作為該系統(tǒng)的PDA。手持機由3部分組成：適合煤礦網(wǎng)絡頻段的華為手機（PDA）、背夾以及RFID射頻模塊。其中華為手機與射頻模塊之間通過藍牙連接，以實現(xiàn)利用手機控制RFID射頻模塊。RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8.圖8RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4結(jié)語為了解決傳統(tǒng)電纜信息管理模式低效率、低智能化的問題，將RFID技術(shù)引用至礦用電纜信息的管理上。①對RFID技術(shù)的基本知識、特點等進行了概述；②對RFI