西门子超高频RFID在宝钢湛江钢铁铁水跟踪系统中的应用

1 RFID简介

RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别技术，是一种基于通信技术。RFID技术可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。一套完整的RFID系统，主要由RFID阅读器与电子标签也称作应答器及应用软件系统三个部份所组成。

按照工作频率的区别可将RFID划分如下：

1.1 RFID的工作原理

电子标签进入磁场后，接受阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送存储在标签芯片中的数据信息，或者主动发送某一频率的信号，阅读器读取信息并解码后再送至中央系统进行相关数据处理。

目前，应用最多的RFID频率为高频和超高频这两个频段，其中高频RFID通过电感耦合的方式进行供电和数据传递，通常感应距离以cm为单位，超高频RFID通过电磁耦合的方式进行功率传递和数据传递,通常感应距离以m为单位。

图1    高频RFID工作原理图

图2    超高频RFID工作原理图

1.2 RFID的技术优势

1） 无需视觉接触，基于电磁耦合的感应原理使得数据传递更加快捷可靠；

2） 读写器和电子标签等设备具有高等级的工业封装，抵抗脏污和破坏性的恶劣环境；

3） 标签可读可写，可重复使用，从而降低成本；

4） 可批量读取标签，提高工作效率。

2 宝钢湛江钢铁物流数传监控平台整体系统介绍

大型钢铁行业最大的特点之一就是物资的流动量非常大，从采购环节的铁矿石、焦炭、废钢，生产环节的烧结矿、生铁、钢坯，到销售环节的钢材以及废弃物的处理，这么庞大而复杂的物流过程使钢铁企业不得不拿出相当一部分人力物力来处理这些事务。企业的采购、生产、销售各个环节都有独立的物流部门，而这些职能性质相近的物流部门又由于不同环节之间的相对独立而隔离开来，从而造成企业内部物流的不顺畅和效率低下。在企业内部物流不便于外包的前提下，大型钢铁企业内部物流实行专业化管理在钢铁行业将会发生更大的作用，钢铁行业需要专业化的物流。

2.1 目标及定位

宝钢湛江物流数传监控平台整体解决方案运用在线管理及信息技术，实现大型钢铁企业产成品、在制品、原辅料等环节的仓储堆放管理以及后续展开水运、铁路运输、汽车运输等形态的运输过程管理。系统以承运需求为导向，贴近钢铁生产工艺，实现对生产物流和销售物流的管理和支撑。

2.2 系统概述

铁水运输是衔接钢铁厂生产的关键环节，它由机车司机接受调度员的调度指令，将高炉里受铁完毕的混铁车按时准确地送到炼钢厂的指定工位点倒出铁水，并将空混铁车经过倒渣清理罐口后拉回高炉，完成一次铁水的运输过程。

铁水运输物流复杂，需要铁水运输调度能够及时响应生产运行的瞬息变化，本方案采用RFID技术，在对各机车和混铁车的位置进行跟踪、对车号进行识别的基础上进行机车与混铁车的调度，保证管理部门及时、准确掌控机车和混铁车的位置信息，保证了铁水调度的合理性和正确性。

2.3 系统方案

本系统采用铁路机车车辆车号射频自动识别技术，借助RFID技术采集到的物流设备信息（即RFID标签的EPC-ID）计算机车和混铁车的实时位置，并显示在铁水调度控制室的工艺铁路电子地图上。铁水调度员及其它相关用户可以通过此画面查看到机车和混铁车最新的布局，为车辆调度提供基础信息。同时采集生产过程中的相应信息，进行实时显示，帮助调度人员更好地进行时间的掌控。EPC-ID是电子标签产品的唯一标识符，长度通常64bits或96bits,可以通过RFID阅读器进行读取和修改。

2.4 系统组成

2.4.1 车载单元

8台机车上各安装1台RFID阅读器，RFID的读取天线分别安装在机车的前后和机车底部，通过读取铁路上铺设的RFID标签的EPC-ID信息来确定机车所处的位置，以及所携带的第一台鱼雷罐车的信息。同时每台机车配置1台机车车载终端，用于铁水调度指令的显示、执行确认等用途，并且通过通讯接口接收RFID Reader的数据以及机车控制系统采集到的机车速度、状态等信息，发送给地面服务器。

此外，车载终端通过对机车运行速度、状态数据的采集监控，结合路段信息，可实现对车速进行监控与预警，提高调度作业的安全性；同时对RFID Reader、RFID TAG等设备的状态进行监控，实现对设备的状态管理。 在车载终端接收到新的作业指令时，将利用声光报警提示机车司机开始作业。

由于混铁车温度外围0.5米，可达到180℃，外围1米的地方可达到100℃，以及混铁车上不具备供电电源，因此混铁车上不安装RFID Reader。

2.4.2 地面单元

每台机车和混铁车底部均需安装有一块RFID TAG，保存机车和混铁车的相关信息。为了提高混铁车定位的准确性与可靠性，在工艺铁路的检修区和倒灌站位置的轨道下方安装地面RFID Reader，在混铁车经过时，读取混铁车底部的RFID TAG信息，判断混铁车的位置，与系统中采用虚拟推算方式得出的混铁车位置进行比较校对，修正混铁车的位置信息。

3 西门子RFID识别系统

西门子公司作为RFID技术的先驱，自1983年首次推出其 Moby M系列以来，其射频识别产品拥有先进成熟的技术和广泛的应用。目前拥有高频和超高频两大系列产品。其中高频系列为RF200和RF30，超高频为RF600。

3.1本项目RFID系统的构成及应用开发

一套完整的西门子RFID系统主要分为以下四个部分：

1）通讯模块（可选，集成至IT系统时不需要）

2）读写器

3）天线（可选，部分读写器带有集成天线）

4）电子标签

RFID设备选型的主要参考点：

1）读写距离

2）安装方式（金属环境或非金属环境）

3）电子标签的容量

4）系统集成的方式（PLC或IT）

本项目RFID标签的读写距离在100cm左右，需要将RFID设备集成至基于PC的IT系统，因此采用的RFID型号为：

1）超高频RF670R

2）RF640A圆极化天线

3）第三方电子标签

RF670R阅读器和RF640A天线具有紧凑的外形和高达IP65的封装等级，工作范围为-25 ℃到+55 ℃。其坚固的封装和宽温范围能够保证其在恶劣的户外环境下直接使用，非常适合在生产物流和配送领域应用。集成的数据处理能力使其能够在复杂环境中更容易使用，阅读器最多可连接4个外部天线RF640A，阅读器与标签之间的数据传递通过外部天线实现。

3.2 软件配置及组态

1）使用西门子提供的PST 4.2软件对RF670R分配IP地址及Device Name；

2）使用西门子RF-MANAGER Basic V3软件进行读写器的参数组态，需要设置的常用参数为：连接的外部天线的型号，端口发射功率和天线增益以及天线馈线损耗等；

3）通过西门子提供的XML标记语言API接口，方便快速地将RF670R读写器集成到基于C# 高级语言开发的IT应用系统之中。

4 总结语

西门子以型号为RF670R为典型代表的超高频RFID阅读器，克服了在不同环境下工作的特点，特别是安装于室外的天线，2015年在湛江钢铁现场经受了难得一遇的强台风考验，性能始终保持稳定。RFID阅读器的工作模式可以采用被动触发和主动读取两种形式，很好地满足了上位机应用系统对于数据采集的要求，对于整个工艺铁路上机车和鱼雷罐车的准确跟踪，打下了坚固的基础。

近年来出现的“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。

可以说，基于识别技术的物联网对于整个工业4.0的发展来说，起到了举足轻重的地位。“工业4.0” 出自德国，并已上升为国家级战略，作为全球工业制造的领头者，西门子公司已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统之中。宝信软件对于工业4.0也有着深刻体会，作为在装备制造行业和冶金行业，在国内有着领导力量的宝信软件，自然需要和西门子这样有着工业4.0先进思想和理念的公司进行合作，推动制造业和冶金行业向新一代发展。