基于RFID技术的在网PE阀门巡查管理及质量追溯系统

孙志强，杨其华，刘钢海，童津金

(1. 宁波恒元精工管阀科技有限公司，浙江 宁波 315400； 2. 中国计量大学，浙江 杭州 310018)

聚乙烯材质的PE管阀产品拥有耐腐蚀、长寿命、流阻小、重量轻等的一系列特点，且管网建设中施工方便、连接可靠，整体管道具有较好的柔润性和抗震性。因此，PE阀门、管件、管材已在城镇燃气管网建设中得到广泛应用。

燃气管道属于国家强制监察管控的承压类设备，因燃气的易燃易爆特点，对管网建设所需的阀门、连接件、管材、仪表设备等都有严格的产品质量要求，对管网建设施工质量保障和管网运行中的日常维护同样也有相应的规范要求。PE燃气管网的质量安全，涉及管网建设的相关产品组件、管网施工质量管控及管网日常巡查维护等管理环节；核心组件的产品质量管理，则应涵盖材料、产品部件、装配、（半）成品等产品形成的全生命周期。

PE阀门是PE管网中的核心组件，因其在管网中的功能地位和结构特点，也是产品质量管控的重要对象。现有PE阀门成品，一般以钢印码及纸质条码方式标识产品，形成产品出厂检验相关质量数据在厂商数据库中的对应绑定。但从产品用户角度看，无论是钢印码还是纸质条码，管网现场都极易受污染而难以读取；即使产品标识可读取，产品质量追溯仍需依赖生产厂商是否建有完善的质量数据库。

现有的（非固定和固定式）球阀结构PE阀门，即要求球体与阀体之间有保障密封性的紧配合，又提出了球阀开闭扭矩的上限。一般以装配柔性密封圈及涂敷润滑油脂方式协调两者之间的矛盾，但随之也带来了在网PE球阀因长期静止而导致开闭扭矩显著增加的问题。解决此问题的方法，是将针对PE球阀的定期开闭操作纳入管网巡查维护制度之中，而制度执行的有效性，则有赖于技术支撑下的管理体系建设。

以RFID标签植入PE阀门部件，可在PE阀门生产过程，尤其在阀门成品出厂质检环节将检验对象与质量数据库记录一一对应，并且可以将自有的产品质量信息写入阀门内嵌的RFID标签，为产品出厂后质量追溯提供便利。此举也为后续燃气管网巡查运维的数据化管理创造条件。

1 RFID标签应用于PE球阀

无线射频识别（RFID）系统主要由射频读写器、电子标签、应用系统三部分构成，其中的电子标签分为有源和无源两类。由读写器通过发射天线发送特定频率（无源标签多为UHF频段）的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时耦合产生感应电流，从而激活内置电路将电子标签内编码信息通过标签自带天线发射出去。而读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线的调制器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后得到有效信息，进而传送到后台主机系统进行相关处理，控制读写器完成读操作；写操作则是反向信息传输的过程。

在PE球阀生产过程中，阀球、阀杆、阀体、阀座等主要组件均为批量加工，密封圈多为特定供应商供货，因此，组件一般按批次标识实施检测检验，抽检或全检质量数据记录到厂商数据中。组装完成的PE球阀成品，必须拥有唯一性数码标签，而采用射频电子标签，相比以往的钢印码、纸质条码，具有可承载更多的信息、持久性、（批量）快速易读性等一系列优点。每个球阀成品的电子标签，可在质量信息数据库中与各组件批次号及质量信息、球阀成品结构或工艺信息、球阀出厂检验及性能试验信息等，均绑定为一条可备查记录。

考虑到阀门内置RFID标签在阀门安装于管网中的拓展利用，标签应布局阀门正上方易于感应对接的部位。在不改变PE阀门安全结构前提下，阀体上方、阀杆（帽）上端均可为RFID标签布置可选部位，但在选用非特别定制的标准RFID标签时，必须考虑到标签的安装可靠性与信息读写可靠性问题。

2 在网PE阀门巡查专用工具

针对在网的特定阀门，巡查任务界定为：阀门实地开闭操作n次（如球阀0～90°开闭操作3次）。专用巡查工具的设计功能性目标是：能自动读取包含在网阀门地理位置的阀门电子标签内置信息；能适当提示并保障阀门规范化巡查操作；能采集阀门开闭操作角度等信息；能连接外部通讯终端或直接连接远端系统服务器。

PE球阀内嵌RFID标签。专用工具结构示意见图1，T型专用工具下端装有标签读取器，主电路安装于T型工具上部。主要单元电路构成见图2。

图1 专用工具结构示意

图2 专用工具电路单元组成

工具电路中自带蓝牙或WIFI通讯，可与智能手机对接。借助手机APP软件或微信小程序，实现与管线巡查计划衔接、巡查位置定位及阀门标签信息绑定、操作中采集工具旋转角度信息显示、操作规范性提示及预判等。利用智能手机的数据通讯功能，与远端系统管理服务器建立通讯及数据交互。

工具在现场开闭阀门，人工巡查有效操作的前提是必须事先读取到阀门内置的标签，并核准为在网工作阀门。为保障在阀门阀杆上端面受污染（潮湿泥土少量覆盖）等情况下可靠地读取RFID标签，工具与阀门阀杆对接帽进行了深度部分的尺寸优化及弹性耦合面设计；读取器也进行了电路工作参数优化。

3 在网PE阀门巡查系统管理软件

以在网PE阀门为核心对象设计的巡查系统，包含管网中全部阀门、巡查操作工具、巡查者随身携带的智能手机、管网管理者服务器终端，以及符合相关制度、规程要求的手机端软件和服务器端应用软件，RFID读写软件整合于操作工具MCU软件及终端数据库软件之中。

CJJ51《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》要求确定对燃气管道进行巡查、检查的周期，并应做好 巡查、检查记录；在巡查、检查中发现问题应及时上报并采取有效的处理措施。特别规定了“对阀门要定期进行启闭操作和维护保养，对无法启闭或关闭不严的阀门需维修或更换”。图3给出了在网PE阀门巡查管理系统数据库软件架构，兼顾了规程要求下巡查管理实施层面任务计划、人员分派、现场数据半自动采集或人工输入、巡查过程提示和监督、数据分析及综合评估等需要，更进一步，可将数据利用延伸至阀门产品质量追溯。

图3 在网PE阀门巡查管理系统数据库架构

系统管理软件中的数据来源于几个方面：

（1）管网建设阶段形成的基础数据，包括网络拓扑结构、阀门在管线上的分布及其地理坐标（GIS）、每个阀门内嵌RFID标签中的身份及质量信息等。其中每个在网阀门的GIS数据可在管网建设完成后依据GPS坐标写入阀门RFID标签内，作阀门应用管线场地的对应绑定，同时也可在远端系统管理服务器软件中按管线将分布的阀门实现位置信息记录。

（2）按规程或管理制度要求，拟定的巡查管理流程、工作/派工计划、各种数据综合台账等的标准输出文档。也可包含其它计划、管理、评估/考核类终端之间的传输数据。

（3）巡查中现场实时采集、手工输入的数据，包括专用工具从PE阀门RFID标签中读取的数据、工具启闭阀门操作时获取的转角综合数据及时间信息、人工感知扭矩和泄漏的模糊评估记录等。

在系统管理软件依托内置数学模型对相关数据进行综合比较分析和评估后，将对隐患问题给出处置意见，可进一步形成分类质量追溯数据链。

4 结语

本文以PE阀门内置RFID标签，实现燃气管网中现场巡查维护管理中被维护阀门对象与操作工具之间的有效绑定，创新设计PE阀门现场巡查专用工具，构建起符合《城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》要求的在网PE阀门巡查管理系统，解决了以往阀门巡查工作中过程监管缺失、没有数据积累、问题处置责任难以分清等问题，并为提供产品质量延伸追溯打下基础。本文主要针对燃气管网中的PE阀门巡查需要阐述技术系统及管理数据库构建，但显然也可将管网中其它巡查对象及工作内容纳入管理系统之中。在针对PE阀门操作的专用工具设计中，后期改进可将阀门启闭的扭矩信号采集，乃至阀门泄漏信号采集纳入其中，以进一步提高查维工作效率。