基于物联网技术的电力标准化作业管理平台的设计与应用

王 静，董 苏，王先传，王中心

（1.阜阳师范学院 计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236037；2.国网阜阳供电公司 运维检修部，安徽 阜阳 236041）

目前，随着国网公司新一轮农网改造升级工程的全面铺开，电力行业正在推进10 kV一体化变压器台的建设工作，但是一方面传统的安装辅材需施工人员在杆塔上现场加工，耗时长，危险性高，导致停电时间长，影响终端用户的供电可靠性；另一方面受限于高空杆塔上的作业环境，现场辅材加工手段粗糙，制作成型的成品工艺较差，不仅造成原材料的严重浪费，而且施工质量难以做到和标准工艺“一模一样”，导致新建设备“带病”运行。在管理上由于安装辅材种类多、数量大，仓储管理信息化水平低，采用纸质记录统计的信息易丢失且无法贯穿设备资产全寿命周期管理[1-2]。可见，传统的仓储管理模式及台区非标准化作业手段已不能适应标准化作业及信息化管理的要求，为解决上述问题，本文设计了一种智能化的配电台区标准化预制管理平台，将现场复杂的台架工艺和设备基础施工化整为零，分解为若干模块，预先在车间内完成装配、制作，设备特征信息随制作流程固化，仓储和配送采用智能化管控，将零散式施工转变为装配化施工，将设备信息融入到全寿命周期管理。

1 台区标准化预制平台的设计

台区标准化预制平台用于将配电变压器台新建施工过程中所需的高低压引接线、接地扁铁、杆塔拉线以及绝缘子、避雷器、接地环等组件按照国网典型设计方案和标准施工工艺，提前预制和组装。根据装配的技术规范和施工工艺，设计的台区标准化预制平台结构如图1所示。台区标准化预制平台包含四个部分：进出库环节、原材料存储区、标准化作业区、成品存储区。

进出库环节如图2所示，在作业库房的出入口通道安装 RFID（radio frequency identification）阅读器，检测天线的位置可以选择门口，或者利用通道两侧的墙壁以及构筑物[3]，以便准确识别经过通道的物品以及操作职员的信息。入口阅读器用于发放无线标签、标签的注册及物品的登记（RFID电子标签绑定物资信息，如：厂家、名称、规格、型号、批次、生产日期等）。出口阅读器用于对加工成品以及装配零部件出库信息的识别，盘点按照正常流程出库的配送信息（领用人、用于安装台区名称、领用时间等），并对异常流程出库状态的告警提示[4]。

原材料存储区货架的各个货位上安装RFID射频标签，用于对货位进行标识。物资入库时，系统根据物资种类按照预先设定的规则（种类相似/批次相近/项目号相同等）自动分配合适的货位，并向工作人员提示货位的位置（指示灯提示），引导工作人员顺利、快速地将物资存放至指定位置。物资存放完毕后，人员通过对货位进行扫码确认，将物资的存放信息存入系统，便于物资库存信息统计及后期货物查找。

图1 平台部署示意图

图2 进出库RFID射频门部署示意图

标准化作业区由各类辅材智能加工台体组成，包括：线缆输送剪切工位、高低压绝缘导线剥线工位、导线握弯定型工位、高低压引下线组装工位、接地扁铁规模制作工位、杆塔拉线预制工位等等，可实现高低压电缆、接地扁铁、拉线等辅材的标准化加工及组装。线缆等材料入库后存放在原料储存区，根据生产任务，通过线缆输送剪切工位完成所需长度导线段的选取并自动输送至下一工位。高低压绝缘导线剥线工位，根据输送的导线型号和生产任务规定的安装类型，完成导线绝缘层位置定点和剥除。导线握弯定型工位，根据安装类型规定的角度，将导线自动握弯定型。高低压引下线组装工位，将握弯定型后的导线，在组装架上完成绝缘子、接地环和避雷器等组件的自动压接绑扎。接地扁铁规模制作工位根据生产任务规定的典型设计方案，完成扁铁的标准化冲孔和弯折，定型后的扁铁通过集中喷涂工位完成防腐色标的自动喷涂。杆塔拉线预制工位的数控PLC按照设定的角度进行钢绞线拉线的弯曲定型和契形线夹的穿引压紧。组装完成后的高低压引线、喷涂后的接地扁铁、预制过的杆塔拉线作为成品存放在成品存储区。

图3 工位部署示意图

为实现物料在加工过程各个环节中的监管及信息化追溯，将各个标准化作业工装台进行智能化设计，如图3所示。在物料（比如电缆）进行加工时，首先将经过第一环节加工（电缆剪切机剪切）后的物料（电缆）贴上RFID电子标签（贴签位置需不影响其他加工环节），并注册相关信息。同时，每一个工作台贴有附有工装台信息的RFID电子标签，并在工装台的上部安装RFID阅读器，并部署天线，每个工装台至少有一个天线覆盖。当物料经过一个工作台，阅读器可同时扫描到物料标签和工作台标签，代表此物料经过此工序。

物料加工或组装完成后，系统会根据物料工序的工位按钮结束键，自动对物料进行库位分配，并指引作业人员将物料放置指定的库位。成品物资需出库时，系统根据成品的先进先出原则或者人为指定的货物批次向工作人员提示货位的位置（指示灯提示），引导工作人员顺利、快速地将成品出库。为了便于成套台区辅材可打包一起出库，在出库时，系统会自动匹配出一个成套台区所需要的辅材，并给予提醒指示，人员通过对出库物料进行扫码确认，核对成功，即可从货位取出。经过出库射频门时，系统会自动检测成品信息并对台区物料进行核对、匹配，若核对及匹配成功，则通过系统进行成品与货位的解除，并注释已出库。

2 物联网信息化管理平台的设计

系统的总体功能结构模型如图4所示，基于RFID物联网技术的信息化管理平台主要实现原材料和加工件在全寿命周期内的管理与联系[5-8]。整体功能框架包括管理系统的登录、原材料和加工件的仓储管理、各加工工序产出品的状态信息收集、统计数据的上报分析等模块[9]。主要实现以下功能：（1）在原材料经过台区标准化预制平台生产线变为成品的过程中，通过不同工位上的阅读器采集到的信息，及时对其信息进行识别跟踪、更新电子标签内部信息，将原材料加工工序的实时进度、零部件制造装配过程中的信息上传到生产管理部门；（2）对各工位加工的产出品的类型、数量等属性的跟踪，对高低压引线、拉线、接地扁铁等配送地的分配，对送料加工和领用施工单位信息的记录；（3）对引线组装、扁铁加工等各流程节点操作职员信息、所处工装台等实时跟踪查询。

图4 系统功能结构模型

利用物联网技术建立电力台区标准化作业管理平台无线射频识别网络，将车间内所有工位台、加工机具、加工材料、半成品零部件、产出成品等都赋予唯一的身份标识，可通过管理平台查询每一个对象的属性和状态信息。总体构架按照感知层、网络层、应用层的物联网通用构架体系，分别与各对象RFID身份标识标签的数据相对应，如图5所示。通过RFID读写器对表征实体对象身份的标签进行读写，再将数据信息通过不同协议转换，统一接入到后台数据库中，管理平台利用数据模型实现各分散实体特征信息的描述，以实现应用管理层对整体仓储物流、在制品生产环节的智能管理。

3 抗干扰RFID标识系统设计

由于金属对电磁波传输和标签天线的影响较大，导致在无金属阻挡空间中能有效识别的RFID标签，在金属环境下识别有效性和准确性大幅下降甚至不能识别[10-12]。而电力台区标准化作业管理平台中无论是工位加工设备还是产出品均为金属构件，当标签靠近金属材质物体时，标签天线的阻抗匹配、带宽、辐射效率、辐射方向图变化严重，直接影响了常规商用RFID标签的工作性能。本文针对应用场景中存在大量金属介质的情况，利用抗金属干扰RFID技术对标准化台区各装配部件进行电子标识，从而实现多金属介质环境下对标准化台区加工组件的状态信息全流程跟踪追溯。通过研究超高频电磁波在金属材质环境中大大衰减的机理，得出金属对RFID系统前向链路的影响规律。结合天线电磁波辐射和接收理论，分析金属反射对阅读器发射电磁波的影响，通过分析通信路径损耗与标签距金属表面位置以及标签和阅读器距离的变化关系，进而通过结合现场安装环境中各金属装置的布点位置，利用有限元仿真软件，对天线标签的安装位置进行优化布点。

4 标签反碰撞防冲突识别算法的设计

由于设备工作环境较为复杂，系统需要在生产线工位上布置数十乃至上百的读写器，同时监控上百个标签。因为众多电子标签均使用同一频率，如果多个标签处于同一个阅读器有效作用范围内，在缺少多址访问控制的情况下，会造成信息传输的冲突，直接导致信息读取失败[13-16]。所以射频信号的碰撞问题比较突出，如何保证读写的高准确率是要解决的关键问题。本文以动态帧时隙算法为基础，结合倍乘因子和分组思想的改进算法，对标签数量超过一定量的情况，采用分组识别。以系统效率、空闲时隙数量、碰撞时隙数量三者为判据，通过倍乘因子动态调整帧长度。

图5 无线射频识别网络设计构架

5 系统应用

基于本文所设计的物联网技术的电力台区标准化作业管理平台，在国网阜阳供电公司已搭建调试并开始应用，如图6和图7所示。通过应用该平台，将现场复杂的台架施工化整为零，分解为若干模块，5～8人在工厂内利用各类平台每天生产下引线成品150套、接地扁钢成品300根。单个台架建设时间由1天缩短至半天完成，现场施工人员由10人减少为6人，同时节约材料约17%，平均每个台区可节约成本4 000余元，国网阜阳供电公司每年新建改造台区约1 000个，年直接经济效益可达400多万元。不仅节约了成本，同时基于物联网技术的电力台区标准化作业管理平台的推广应用，不仅改变了原有作业模式，而且确保配电网建设中典型设计和标准物料应用率、标准工艺达标率均能达到100%，明显提高配电网建设效率和效益。

图6 台区标准化预制平台实物图

该研究使国网阜阳供电公司应用标准化作业平台变压器高压引接线组装时间由原来的3 h缩短至15 min，表箱安装时间由1 h缩短至10 min，施工人员由5人减少为2人，整个台区建设由原来的15 d缩短为6 d完成，工程建设优质快速高效，获评国网百佳工程。

6 小结

本文针对传统变压器台区安装过程中存在的现场加工耗时长、安全风险高、工艺质量差等问题，设计了一种基于物联网技术的电力台区标准化作业管理平台，将复杂的操作施工分解为若干模块，并利用RFID物联网技术对设备的生产、仓储和配送进行智能化管控，研究表明，设计的研究成果不仅可以应用于各个电力公司的台区辅材加工车间，形成标准化的作业基地，节能降损，提高工作效率，统一作业规范，提升配电网的安全性和可靠性；研究的技术还可应用于医疗垃圾跟踪系统、物流追溯系统、快递滞留件快速查询系统等各个行业，具有广阔的应用空间。

图7 基于物联网的信息化管理系统