基于RFID的液壓支柱追溯管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，煤炭行業(yè)的智能化建設(shè),特別是管理方式，發(fā)生了巨大的變化，各大礦業(yè)集團(tuán)都在強(qiáng)調(diào)精細(xì)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(yīng)用于煤礦回采工作面頂板支護(hù)、綜采工作面端頭支護(hù)等，是重要的煤礦生產(chǎn)安全設(shè)備。某礦業(yè)集團(tuán)公司在籍單體支柱總量約7萬(wàn)棵，租賃使用約3.8萬(wàn)棵，隨著采煤工作面的安裝、替換，每年發(fā)出和交回累計(jì)40萬(wàn)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(hào)，編號(hào)簡(jiǎn)單，僅有廠(chǎng)家和年月。每次只能登記發(fā)出或交回的數(shù)量，不能實(shí)現(xiàn)每棵登記。每棵支柱編號(hào)隨時(shí)間的推移,已經(jīng)變得模糊不清，很容易出差錯(cuò)。最關(guān)鍵的是如果某棵單體出現(xiàn)問(wèn)題，即使編號(hào)能看清，每年要檢修20萬(wàn)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(diǎn)分散，周轉(zhuǎn)頻繁，安全性要求高，而它的識(shí)別與追溯管理難度很大，因此，該工作現(xiàn)已成為某礦集團(tuán)管理智能化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。

1  RFID技術(shù)介紹

射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)俗稱(chēng)電子標(biāo)簽，是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID可通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，而且識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，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(biāo)簽(Tag)，由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上用于標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；第二部分是閱讀器(Reader)，是讀取(有時(shí)還可以寫(xiě)入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；第三部分是天線(xiàn)(Antenna)，可在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。RFID技術(shù)的基本工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，并憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)；解讀器讀取信息并解碼后，再送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2  設(shè)計(jì)方案的具體要求

根據(jù)客戶(hù)的具體情況，本單體液壓支柱識(shí)別追溯管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)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(xiàng)易于操控、簡(jiǎn)單實(shí)用、方便靈活的應(yīng)用技術(shù)，其所具備的獨(dú)特優(yōu)越性是條碼、磁卡等其他識(shí)別技術(shù)所無(wú)法企及的。標(biāo)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(wú)源方式,陶瓷封裝，能夠長(zhǎng)時(shí)間在井下工作，而且無(wú)需更換電源，能滿(mǎn)足井下安全性、長(zhǎng)時(shí)間工作要求；RFID既支持只讀工作模式，也支持讀寫(xiě)工作模式，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在標(biāo)簽中，無(wú)需接觸或瞄準(zhǔn)即可讀取，存儲(chǔ)信息更改自如且讀取可在移動(dòng)過(guò)程完成；RFID支持同時(shí)讀取多目標(biāo)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(hù)能力。

2.2  智能化信息管理與追溯的全自動(dòng)要求

本系統(tǒng)的讀取設(shè)備采用固定和移動(dòng)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(xiě)器安裝在庫(kù)房、修理車(chē)間等的出入口處，采用大功率的發(fā)射接收天線(xiàn)，識(shí)別精度高達(dá)99.99%，識(shí)別距離遠(yuǎn)（可達(dá)10m），識(shí)別速度快（30ms），可實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)及檢修的無(wú)人全自動(dòng)化管理。多個(gè)讀寫(xiě)器通過(guò)RS485總線(xiàn)或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊方式組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)庫(kù)房、廠(chǎng)區(qū)、辦公區(qū)信息的共享。移動(dòng)數(shù)據(jù)采集則采用手持式讀寫(xiě)器來(lái)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(xiě)器采用高性能處理器、大容量存儲(chǔ)器、智能嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)支柱數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、查詢(xún)與分析。手持式讀寫(xiě)器采用GPRS、CDMA或WIFI802.11b/g等多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式與后臺(tái)的服務(wù)器進(jìn)行通信，并進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。

2.3  先進(jìn)的多層分布式體系架構(gòu)設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)采用客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器模式（C/S模式）的多層分布式體系架構(gòu)設(shè)計(jì)。第一層是在客戶(hù)機(jī)系統(tǒng)上表示邏輯與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)邏輯；第二層主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與數(shù)據(jù)分析邏輯。系統(tǒng)主要由客戶(hù)應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器管理程序和業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)器三個(gè)部分組成,具有交互性強(qiáng)、速度快、操作界面漂亮、形式多樣、可以充分滿(mǎn)足煤礦企業(yè)自身的個(gè)性化要求等特點(diǎn)。

      液壓支柱識(shí)別追溯管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到礦業(yè)集團(tuán)當(dāng)前的實(shí)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(diǎn)，所以，系統(tǒng)要采用分布式設(shè)計(jì)方式。

分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)比較。事實(shí)上，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。C/S是Client/Server,指客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器，在客戶(hù)機(jī)端，只有安裝客戶(hù)端軟件及相應(yīng)環(huán)境后，才能訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器（胖客戶(hù)端）。B/S是Browser/Server,指瀏覽器和服務(wù)器端，這種方式在客戶(hù)機(jī)端不用安裝專(zhuān)門(mén)的軟件，只要一個(gè)瀏覽器即可（瘦客戶(hù)端）.

本系統(tǒng)客戶(hù)端程序除了完成信息的輸入、輸出、打印報(bào)表等工作外，還需完成數(shù)據(jù)的采集等工作，任務(wù)比較復(fù)雜，速度要求較快，同時(shí)，使用節(jié)點(diǎn)不是太多，系統(tǒng)的安裝與維護(hù)比較容易，所以，本設(shè)計(jì)采用C/S模式。

2.4  先進(jìn)的軟件開(kāi)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(shè)計(jì)思想，具有穩(wěn)定性好,可重用性高，易于維護(hù)，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、處理采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)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(kuò)展性和運(yùn)行的高效性幾個(gè)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(hù)機(jī)系統(tǒng)上表示邏輯與數(shù)據(jù)獲取業(yè)務(wù)邏輯。主要完成客戶(hù)端數(shù)據(jù)的錄入，圖形化結(jié)果的顯示，文檔報(bào)表的生成以及有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)獲取。第二層是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器與數(shù)據(jù)分析邏輯。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)所有的原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)所有與數(shù)據(jù)操作相關(guān)的存儲(chǔ)過(guò)程和觸發(fā)器。數(shù)據(jù)分析邏輯可從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、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(chǔ)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、客戶(hù)端子系統(tǒng)等四個(gè)部分組成。圖1所示是其系統(tǒng)總體架構(gòu)圖。

3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分考慮煤礦企業(yè)的液壓支柱管理過(guò)程。本系統(tǒng)所涉及的液壓支柱管理過(guò)程如圖2所示。

事實(shí)上，液壓支柱一般首先都由生產(chǎn)車(chē)間生產(chǎn)，并貼標(biāo)簽，然后送檢測(cè)車(chē)間；檢測(cè)車(chē)間在檢測(cè)合格后，送倉(cāng)庫(kù)保管；而如果檢測(cè)不合格，則送維修車(chē)間維修，維修之后，繼續(xù)送檢;經(jīng)檢測(cè)合格液壓支柱才能從倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)，然后租賃到采煤?jiǎn)挝?；采煤?jiǎn)挝皇褂猛戤吅?，再返還登記并送維修車(chē)間。

本系統(tǒng)由六個(gè)模塊組成。其中用戶(hù)角色管理模塊負(fù)責(zé)用戶(hù)的建立和權(quán)限的分配；制造及外購(gòu)支柱管理模塊負(fù)責(zé)新生產(chǎn)和購(gòu)買(mǎi)液壓支柱的管理(包括初始化和登記);檢測(cè)管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)液壓支柱進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)液壓支柱合格與否進(jìn)行標(biāo)記(寫(xiě)入合格與否的信息)，同時(shí)將不合格產(chǎn)品返回生產(chǎn)車(chē)間或維修車(chē)間，直到產(chǎn)品合格后入庫(kù)；庫(kù)存管理模塊主要負(fù)責(zé)液壓支柱的出入庫(kù)登記和租賃管理，查詢(xún)庫(kù)存相關(guān)情況，輸出報(bào)表;返廠(chǎng)及維修管理模塊則負(fù)責(zé)返廠(chǎng)液壓支柱的登記，卸下RFID標(biāo)簽，并對(duì)進(jìn)入維修車(chē)間的液壓支柱進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和報(bào)表形成；追溯統(tǒng)計(jì)管理模塊主要進(jìn)行單個(gè)支柱的信息查詢(xún)和報(bào)表管理、支柱的匯總查詢(xún)和報(bào)表、支柱采購(gòu)輔助查詢(xún)等功能，通過(guò)該功能可以對(duì)歷史信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并用圖形化的方式直觀地得到各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家的支柱質(zhì)量、生產(chǎn)批次、價(jià)格、性?xún)r(jià)比、歷史事故情況等信息并進(jìn)行分析，同時(shí)綜合當(dāng)前的使用情況、庫(kù)存情況、生產(chǎn)情況等，通過(guò)專(zhuān)家分析系統(tǒng)得出應(yīng)該生產(chǎn)、采購(gòu)支柱的廠(chǎng)家、型號(hào)、數(shù)量、單價(jià)、總價(jià)等信息，并生成采購(gòu)輔助決策報(bào)表。

4  結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用SQLSever2008o系統(tǒng)從2011年1月開(kāi)始試運(yùn)行，其識(shí)別差錯(cuò)率小于0.1%，統(tǒng)計(jì)差錯(cuò)率小于0.1%，識(shí)別支柱平均時(shí)間小于1s，支柱平均出入庫(kù)時(shí)間小于4s，識(shí)別支柱平均時(shí)間小于1s，系統(tǒng)平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間800h，減少工人5名。經(jīng)過(guò)調(diào)查，本系統(tǒng)是目前全國(guó)第一次將RFID技術(shù)應(yīng)用于液壓支柱管理的系統(tǒng)。事實(shí)證明，本系統(tǒng)的使用有效地解決了某礦業(yè)集團(tuán)的液壓支柱管理問(wèn)題，提高了工作效率，減少了管理成本，為某礦業(yè)集團(tuán)“數(shù)字礦山”建設(shè)做出了一定的貢獻(xiàn)。

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