國(guó)網(wǎng)天津武清公司 宋慶東 張曉青 王鳳林 李全友

電網(wǎng)公司一線(xiàn)班組工具、儀器、鑰匙等工器具多為人工保管，經(jīng)常出現(xiàn)工具儀器丟失、忘拿、錯(cuò)拿現(xiàn)象，造成工作效率降低和資產(chǎn)浪費(fèi)。而工器具柜是在工器具管理中大量使用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝備。但目前市場(chǎng)上常規(guī)的工器具柜只是解決了工器具分類(lèi)擺放的問(wèn)題，沒(méi)有解決工具借還的管理問(wèn)題：借還信息缺失、工具位置狀態(tài)無(wú)法掌握、共享管理混亂，不能完美掌握工器具的動(dòng)態(tài)。本文介紹一款新型工具智能管理柜的設(shè)計(jì)，其具備授權(quán)開(kāi)鎖、開(kāi)鎖信息記錄、柜內(nèi)工具盤(pán)點(diǎn)三個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)庫(kù)管。

1 設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)需求

實(shí)現(xiàn)智能管理功能。本文設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)指紋傳感器采集指紋信息，小型單片機(jī)模擬芯片主控系統(tǒng)識(shí)別已錄入授權(quán)指紋并驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開(kāi)電磁鎖；將開(kāi)鎖信息通過(guò)串行通信，通過(guò)單片機(jī)生成開(kāi)鎖記錄；通過(guò)改變檢測(cè)用RFID 射頻標(biāo)簽與掃描天線(xiàn)距離來(lái)模擬貼了RFID 射頻標(biāo)簽的工具的取走和歸還狀態(tài)，射頻處理器識(shí)別標(biāo)簽位置[1]。

授權(quán)開(kāi)鎖：采用指紋成像技術(shù)、芯片技術(shù)。通過(guò)指紋傳感器采集指紋信息，芯片識(shí)別已錄入授權(quán)指紋并驅(qū)動(dòng)電機(jī)打開(kāi)機(jī)械柜門(mén)鎖；開(kāi)鎖信息記錄：采用串行通信技術(shù)、芯片技術(shù)。將開(kāi)鎖信息通過(guò)串行通信、通過(guò)芯片生成開(kāi)鎖記錄；柜內(nèi)工具盤(pán)點(diǎn)：采用射頻識(shí)別技術(shù)。在各工具上加上RFID 射頻標(biāo)簽，通過(guò)柜內(nèi)的射頻掃描天線(xiàn)對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行掃描，超高頻處理器識(shí)別工具位置是否在柜內(nèi)。

試驗(yàn)分析可行性和準(zhǔn)確性。制作簡(jiǎn)易的裝置模型，測(cè)試能否實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能，進(jìn)行100次取走標(biāo)簽試驗(yàn)，模擬裝置均成功識(shí)別標(biāo)簽取走狀態(tài)并記錄下取用人員信息，準(zhǔn)確率高達(dá)99%。簡(jiǎn)易裝置模型實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)功能，證明目標(biāo)可行、準(zhǔn)確性高。

成本控制。常規(guī)工器具柜售價(jià)不高，新設(shè)計(jì)的工具智能管理柜所需材料均可采購(gòu)或加工，可控制在市場(chǎng)可以接受的程度。

1.2 設(shè)計(jì)方案

工具智能管理柜可分為工具柜體、指紋傳感器、無(wú)線(xiàn)射頻檢測(cè)系統(tǒng)、通信模塊、芯片主機(jī)、電源模塊、顯示屏、門(mén)鎖機(jī)構(gòu)等部分。

1.2.1 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)的天線(xiàn)掃描模式為射頻天線(xiàn)用固定的功率28dBm 頻點(diǎn)上采用動(dòng)態(tài)Q 算法循環(huán)讀取標(biāo)簽的EPC 信息，與初始信息對(duì)比進(jìn)行判定。但固定功率掃描的誤掃率高達(dá)8%左右。為了降低傳統(tǒng)標(biāo)簽掃描的誤掃率，本文創(chuàng)新的提出了多功率盤(pán)點(diǎn)掃描法，讓射頻天線(xiàn)分別在四個(gè)不同盤(pán)點(diǎn)功率下進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)，綜合結(jié)果判定標(biāo)簽位置，誤掃率降低到0.5%左右[2]。

1.2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

工具柜體外殼采用電鍍鋅鋼板，具有一定的堅(jiān)固性和可以承載屏幕的可擴(kuò)展性，更加耐腐蝕、更加堅(jiān)固。指紋傳感器選擇體積更小、準(zhǔn)確率更高、成本更低的光電指紋傳感器。門(mén)鎖機(jī)構(gòu)選擇了閉鎖點(diǎn)位數(shù)更多、使用壽命更長(zhǎng)且支持緊急解鎖的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械鎖方案。為了滿(mǎn)足能夠檢測(cè)柜內(nèi)工具位置狀態(tài)、檢測(cè)準(zhǔn)確度高、新增工具擴(kuò)展性好等需求，RFID 標(biāo)簽采用識(shí)別距離更遠(yuǎn)、能覆蓋整個(gè)工具柜體的超高頻RFID 標(biāo)簽。

射頻傳感器采用與標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的M2型，支持更長(zhǎng)的9米的讀取距離和更快的700張每秒的掃描速度。通過(guò)測(cè)試，天線(xiàn)掃描模式采用誤掃率更低的四功率掃描方案。通信模塊選擇了傳輸速率更快、丟包率更低、占用柜內(nèi)體積更小、成本更低的串口通信方案。屏幕采用了反應(yīng)更快、硬度更高、壽命更長(zhǎng)的電容觸控屏。主機(jī)采用基于Linux 系統(tǒng)、處理速度更快且編程擴(kuò)展性更好的059C 型主機(jī)等。

依據(jù)以上各部分方案分析和試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)討論，最終共同確定了最佳方案，如圖1所示。

圖1 工具智能管理柜最佳方案

2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

2020年8月至10月，將制作的工具智能管理柜應(yīng)用于變電運(yùn)維工作現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行效果確認(rèn)。安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械門(mén)鎖，對(duì)門(mén)鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行上電測(cè)試并測(cè)量其指紋開(kāi)鎖響應(yīng)時(shí)間。經(jīng)測(cè)試，開(kāi)鎖響應(yīng)時(shí)間平均為1.8s ＜2s，實(shí)現(xiàn)了授權(quán)開(kāi)鎖功能。

圖2 變電運(yùn)維工具智能管理柜設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖

將100枚超高頻RFID 標(biāo)簽逐一安裝到需要管理的工具上，將標(biāo)簽分為5組，分別模擬測(cè)試每一組標(biāo)簽的識(shí)別距離，經(jīng)測(cè)試標(biāo)簽識(shí)別距離分別為8.6、7.8、8.2、8.5、7.9m，平均為8.1m ＞5m。開(kāi)發(fā)并使用多功率天線(xiàn)掃描算法，將8組天線(xiàn)，每層兩組逐層安裝到柜內(nèi)隔板上，編制多功率天線(xiàn)掃描軟件流程，模擬進(jìn)行200次工具取還試驗(yàn)，僅有1次標(biāo)簽誤掃情況，誤掃率為0.5%＜1%。實(shí)現(xiàn)了開(kāi)鎖信息記錄、柜內(nèi)工具盤(pán)點(diǎn)功能。多功率掃描流程如下：開(kāi)始-功率1掃描-記錄數(shù)據(jù)1-功率2掃描-記錄數(shù)據(jù)2-功率3掃描-記錄數(shù)據(jù)3-功率4掃描-記錄數(shù)據(jù)4-綜合數(shù)據(jù)1～4-結(jié)束。

圖3 工器具狀態(tài)界面與工具取還記錄圖

綜上所述，通過(guò)在試驗(yàn)室和班組現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行效果檢測(cè)，變電運(yùn)維工具智能管理柜實(shí)現(xiàn)了授權(quán)開(kāi)鎖、開(kāi)鎖信息記錄、柜內(nèi)工具盤(pán)點(diǎn)三個(gè)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)工具的智能化、科學(xué)、準(zhǔn)確的管理，準(zhǔn)確率高達(dá)99.7%，各功能協(xié)同配合良好，耦合度低，參數(shù)符合對(duì)策目標(biāo)。實(shí)踐證明了本文設(shè)計(jì)的工具智能管理柜有效實(shí)現(xiàn)了工具的自動(dòng)庫(kù)管功能，具有很大的實(shí)際意義。

3 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了一款工具智能管理柜的設(shè)計(jì)，從研究市場(chǎng)需求到討論、制訂設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)討論了設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和制造過(guò)程中的問(wèn)題，有針對(duì)性地做了分析，提出了解決方案。成功研制出的工具智能管理柜，有效減少了工具丟失情況、縮短了工具取用時(shí)間，提升了班組效能，大大減少了因工具管理問(wèn)題影響工作的情況，實(shí)踐證明本設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可推廣至各行業(yè)工具管理、備品備件管理等領(lǐng)域，具有推廣的推廣價(jià)值。