基于RFID的液壓支柱追溯管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

引言

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，煤炭行業(yè)的智能化建設,特別是管理方式，發(fā)生了巨大的變化，各大礦業(yè)集團都在強調(diào)精細化管理并且大力發(fā)展“數(shù)字礦山”。在煤礦企業(yè)中，單體液壓支柱主要應用于煤礦回采工作面頂板支護、綜采工作面端頭支護等，是重要的煤礦生產(chǎn)安全設備。某礦業(yè)集團公司在籍單體支柱總量約7萬棵，租賃使用約3.8萬棵，隨著采煤工作面的安裝、替換，每年發(fā)出和交回累計40萬棵，并且礦井內(nèi)環(huán)境惡劣，高溫、高濕。如此大的工作量與惡劣工作環(huán)境，依靠人工操作十分困難。目前的管理方法是在單體手把體上焊編號，編號簡單，僅有廠家和年月。每次只能登記發(fā)出或交回的數(shù)量，不能實現(xiàn)每棵登記。每棵支柱編號隨時間的推移,已經(jīng)變得模糊不清，很容易出差錯。最關(guān)鍵的是如果某棵單體出現(xiàn)問題，即使編號能看清，每年要檢修20萬棵，正常情況下，各礦使用單體38000棵，要想找到原始記錄異常艱難。由于支柱使用數(shù)量多，使用地點分散，周轉(zhuǎn)頻繁，安全性要求高，而它的識別與追溯管理難度很大，因此，該工作現(xiàn)已成為某礦集團管理智能化建設的重要內(nèi)容之一。

1  RFID技術(shù)介紹

射頻識別(RadioFrequencyIdentification，RFID)俗稱電子標簽，是一種非接觸式自動識別技術(shù)。RFID可通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，而且識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：第一部分為標簽(Tag)，由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上用于標識目標對象；第二部分是閱讀器(Reader)，是讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；第三部分是天線(Antenna)，可在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID技術(shù)的基本工作原理是：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，并憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號；解讀器讀取信息并解碼后，再送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2  設計方案的具體要求

根據(jù)客戶的具體情況，本單體液壓支柱識別追溯管理系統(tǒng)的設計需要滿足煤礦企業(yè)的特殊要求。

2.1  煤礦行業(yè)的井下特殊環(huán)境要求

RFID技術(shù)是一項易于操控、簡單實用、方便靈活的應用技術(shù)，其所具備的獨特優(yōu)越性是條碼、磁卡等其他識別技術(shù)所無法企及的。標簽可自由工作在各種惡劣環(huán)境下，適合于礦井下高溫、高濕、多塵、有毒等環(huán)境；RFID采用無源方式,陶瓷封裝，能夠長時間在井下工作，而且無需更換電源，能滿足井下安全性、長時間工作要求；RFID既支持只讀工作模式，也支持讀寫工作模式，將數(shù)據(jù)存儲在標簽中，無需接觸或瞄準即可讀取，存儲信息更改自如且讀取可在移動過程完成；RFID支持同時讀取多目標數(shù)據(jù)和分布式數(shù)據(jù)收集；此外,RFID采用EPC編碼方式，很難被仿冒，因而具備極高的安全防護能力。

2.2  智能化信息管理與追溯的全自動要求

本系統(tǒng)的讀取設備采用固定和移動數(shù)據(jù)采集相結(jié)合的方式。固定數(shù)據(jù)采集方式將讀寫器安裝在庫房、修理車間等的出入口處，采用大功率的發(fā)射接收天線，識別精度高達99.99%，識別距離遠（可達10m），識別速度快（30ms），可實現(xiàn)出入庫及檢修的無人全自動化管理。多個讀寫器通過RS485總線或TCP/IP網(wǎng)絡通訊方式組成監(jiān)控網(wǎng)絡，以實現(xiàn)多個庫房、廠區(qū)、辦公區(qū)信息的共享。移動數(shù)據(jù)采集則采用手持式讀寫器來完成井下數(shù)據(jù)以及零散支柱的信息獲取、管理、追溯和傳輸。手持式讀寫器采用高性能處理器、大容量存儲器、智能嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫設計，可以實現(xiàn)支柱數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、查詢與分析。手持式讀寫器采用GPRS、CDMA或WIFI802.11b/g等多種無線網(wǎng)絡方式與后臺的服務器進行通信，并進行數(shù)據(jù)實時更新。

2.3  先進的多層分布式體系架構(gòu)設計要求

系統(tǒng)采用客戶機/服務器模式（C/S模式）的多層分布式體系架構(gòu)設計。第一層是在客戶機系統(tǒng)上表示邏輯與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務邏輯；第二層主要是通過網(wǎng)絡結(jié)合數(shù)據(jù)庫服務器與數(shù)據(jù)分析邏輯。系統(tǒng)主要由客戶應用程序、數(shù)據(jù)庫服務器管理程序和業(yè)務邏輯服務器三個部分組成,具有交互性強、速度快、操作界面漂亮、形式多樣、可以充分滿足煤礦企業(yè)自身的個性化要求等特點。

      液壓支柱識別追溯管理系統(tǒng)的設計應考慮到礦業(yè)集團當前的實際情況與今后的巨大發(fā)展空間，支柱的生產(chǎn)、保養(yǎng)、維修與使用可以在不同的地點，所以，系統(tǒng)要采用分布式設計方式。

分布式系統(tǒng)設計一般有B/S模式和C/S模式兩種方法,表1給出了B/S和C/S優(yōu)缺點比較。事實上，這兩種方式各有優(yōu)缺點。C/S是Client/Server,指客戶機和服務器，在客戶機端，只有安裝客戶端軟件及相應環(huán)境后，才能訪問服務器（胖客戶端）。B/S是Browser/Server,指瀏覽器和服務器端，這種方式在客戶機端不用安裝專門的軟件，只要一個瀏覽器即可（瘦客戶端）.

本系統(tǒng)客戶端程序除了完成信息的輸入、輸出、打印報表等工作外，還需完成數(shù)據(jù)的采集等工作，任務比較復雜，速度要求較快，同時，使用節(jié)點不是太多，系統(tǒng)的安裝與維護比較容易，所以，本設計采用C/S模式。

2.4  先進的軟件開發(fā)與數(shù)據(jù)處理要求

本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O計思想，具有穩(wěn)定性好,可重用性高，易于維護，易于擴展等特點。數(shù)據(jù)的存儲、分析、處理采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)的完整性、安全性與一致性。

從靈活性、可擴展性和運行的高效性幾個方面考慮，本系統(tǒng)采用多層分布式體系架構(gòu)。第一層是在客戶機系統(tǒng)上表示邏輯與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務邏輯。主要完成客戶端數(shù)據(jù)的錄入，圖形化結(jié)果的顯示，文檔報表的生成以及有線、無線數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)獲取。第二層是通過網(wǎng)絡結(jié)合數(shù)據(jù)庫服務器與數(shù)據(jù)分析邏輯。數(shù)據(jù)庫服務器主要用于存儲所有的原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)所有與數(shù)據(jù)操作相關(guān)的存儲過程和觸發(fā)器。數(shù)據(jù)分析邏輯可從數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)統(tǒng)計、分析等功能。

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、客戶端子系統(tǒng)等四個部分組成。圖1所示是其系統(tǒng)總體架構(gòu)圖。

3  系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)的設計應當充分考慮煤礦企業(yè)的液壓支柱管理過程。本系統(tǒng)所涉及的液壓支柱管理過程如圖2所示。

事實上，液壓支柱一般首先都由生產(chǎn)車間生產(chǎn)，并貼標簽，然后送檢測車間；檢測車間在檢測合格后，送倉庫保管；而如果檢測不合格，則送維修車間維修，維修之后，繼續(xù)送檢;經(jīng)檢測合格液壓支柱才能從倉庫出庫，然后租賃到采煤單位；采煤單位使用完畢后，再返還登記并送維修車間。

本系統(tǒng)由六個模塊組成。其中用戶角色管理模塊負責用戶的建立和權(quán)限的分配；制造及外購支柱管理模塊負責新生產(chǎn)和購買液壓支柱的管理(包括初始化和登記);檢測管理模塊負責對液壓支柱進行檢測，并對液壓支柱合格與否進行標記(寫入合格與否的信息)，同時將不合格產(chǎn)品返回生產(chǎn)車間或維修車間，直到產(chǎn)品合格后入庫；庫存管理模塊主要負責液壓支柱的出入庫登記和租賃管理，查詢庫存相關(guān)情況，輸出報表;返廠及維修管理模塊則負責返廠液壓支柱的登記，卸下RFID標簽，并對進入維修車間的液壓支柱進行統(tǒng)計和報表形成；追溯統(tǒng)計管理模塊主要進行單個支柱的信息查詢和報表管理、支柱的匯總查詢和報表、支柱采購輔助查詢等功能，通過該功能可以對歷史信息進行統(tǒng)計與分析，并用圖形化的方式直觀地得到各個生產(chǎn)廠家的支柱質(zhì)量、生產(chǎn)批次、價格、性價比、歷史事故情況等信息并進行分析，同時綜合當前的使用情況、庫存情況、生產(chǎn)情況等，通過專家分析系統(tǒng)得出應該生產(chǎn)、采購支柱的廠家、型號、數(shù)量、單價、總價等信息，并生成采購輔助決策報表。

4  結(jié)語

本系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)，后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用SQLSever2008o系統(tǒng)從2011年1月開始試運行，其識別差錯率小于0.1%，統(tǒng)計差錯率小于0.1%，識別支柱平均時間小于1s，支柱平均出入庫時間小于4s，識別支柱平均時間小于1s，系統(tǒng)平均無故障運行時間800h，減少工人5名。經(jīng)過調(diào)查，本系統(tǒng)是目前全國第一次將RFID技術(shù)應用于液壓支柱管理的系統(tǒng)。事實證明，本系統(tǒng)的使用有效地解決了某礦業(yè)集團的液壓支柱管理問題，提高了工作效率，減少了管理成本，為某礦業(yè)集團“數(shù)字礦山”建設做出了一定的貢獻。

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