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        物聯(lián)網(wǎng)技術在鋼鐵生產(chǎn)物流跟蹤中的應用

        2013-10-23 09:12:20趙鐵華高貴芝
        天津冶金 2013年5期
        關鍵詞:鍍銅讀寫器工序

        趙鐵華,高貴芝,王 瑩

        (1.天津華通自動化控制有限公司,天津300384;2.天津三星電機有限公司,天津300210;3.天津德恒科技有限公司,天津300384)

        1 引言

        物聯(lián)網(wǎng)(the internet of things)是我國當前“國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)”之一[1]。盡管物聯(lián)網(wǎng)不是一種全新的技術,而是一種當前國際上正在加緊進行研究、試驗階段的綜合技術,它通常被看作是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)兩次浪潮之后新一輪信息技術革命[2-7]。物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)開始了廣泛的應用,如在醫(yī)藥、食品、化工、鋼鐵等行業(yè)都有十分廣闊的市場和應用前景。因此各國政府、企業(yè)等都希望它能夠成為應對國際金融危機、振興經(jīng)濟的重點技術領域。我國在2013年《國務院關于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導意見》中明確提出[2]:到2015年,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在經(jīng)濟社會重要領域的規(guī)模示范應用,突破一批核心技術,初步形成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系,安全保障能力明顯提高。

        本文將介紹物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術及其在鋼鐵生產(chǎn)物流跟蹤中應用[2-7]。

        2 物聯(lián)網(wǎng)及其關鍵技術

        2.1 物聯(lián)網(wǎng)基本概念

        物聯(lián)網(wǎng)通過非接觸式的自動識別技術、紅外感應技術、無線傳輸技術,采用規(guī)定的協(xié)議,將物體通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息交互,達到對物體識別、跟蹤、監(jiān)控與管理目的網(wǎng)絡[1]。

        2.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構

        盡管物聯(lián)網(wǎng)的定義各不相同,但對其技術體系結構卻有比較統(tǒng)一認識。如圖1所示,物聯(lián)網(wǎng)可以分成感知層、網(wǎng)絡層、應用層三個大層次。它具有全面感知、可靠傳送、智能處理等特征[3]。

        2.3 物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術

        物聯(lián)網(wǎng)作為實現(xiàn)人與客觀世界的全面信息交互的全新網(wǎng)絡,在其感知、傳輸、處理三大核心環(huán)節(jié)

        中,涉及了眾多學科和跨領域的關鍵技術,其中有:

        圖1 物聯(lián)網(wǎng)的基本結構圖

        2.3.1 射頻識別技術

        采用射頻信號通過非接觸方式,自動識別一定距離的目標對象,同時獲取所需數(shù)據(jù),讀取距離可以從10 cm到幾十米;可識別高速運動物體,抗惡劣環(huán)境,保密性強,可同時識別多個識別對象。該射頻識別技術由電子標簽和閱讀器組成:電子標簽內(nèi)存有一定格式的標識物體信息的電子數(shù)據(jù),能夠輕易嵌入或附著所識別的物體中,并對所附著的物體進行追蹤定位;標簽的數(shù)據(jù)存取有密碼保護,安全性高。

        一般的RFID系統(tǒng)由可編程的電子標簽,讀寫器以及能進行數(shù)據(jù)處理的計算機組成:電子標簽即射頻卡,具有可讀寫,信息存儲和數(shù)據(jù)加密功能:讀寫器由無線收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路三部分構成。應用時,先由讀寫器通過RF通道向標簽發(fā)出請求信號,標簽將所識別物體信息回送到讀寫器,然后讀寫器將所識別物體信息送到計算機處理設備;電子標簽與讀寫器之間通過無線耦合實現(xiàn)所識別物體信息空間傳遞、在信息傳遞通道內(nèi),根據(jù)時序關系,實現(xiàn)信息的傳遞與數(shù)據(jù)的交換。

        2.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡技術(wireless sensor network,WSN)

        通過無線通信方式,把在監(jiān)控區(qū)域存在的各種傳感器節(jié)點組成多跳的自組織網(wǎng)絡,傳感器網(wǎng)絡需要支持靈活的網(wǎng)絡管理和靈活的路由機制;支持多種類型設備的協(xié)同工作,支持寬帶管理;無線傳感器網(wǎng)絡技術是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)廣泛應用的重要底層網(wǎng)絡技術,可以作為移動通信網(wǎng)絡、有線接入網(wǎng)絡的神經(jīng)末梢網(wǎng)絡,進一步延伸網(wǎng)絡的覆蓋。

        2.3.3 移動通信網(wǎng)絡優(yōu)化技術

        物聯(lián)網(wǎng)中覆蓋范圍最廣、應用最普及的無線通信網(wǎng)絡,在物聯(lián)網(wǎng)體系架構中具有不可替代的重要作用。要建立物聯(lián)網(wǎng),可通過感應器收集信息,通過電信運營商來互聯(lián)傳播。

        2.3.4 異構網(wǎng)絡接入與組網(wǎng)技術

        在物聯(lián)網(wǎng)應用中,大量設備會以不同的方式接入網(wǎng)絡,因此要求各類異構網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)互聯(lián)互通,而且要求網(wǎng)絡設備、智能終端根據(jù)自己的應用要求、通信能力、能源供給情況、網(wǎng)絡環(huán)境等智能的選擇接入方式。異構網(wǎng)絡還必須能夠支持多種終端或網(wǎng)元間的相互協(xié)同、以完成某一任務為目標,臨時進行動態(tài)組網(wǎng),以提高物物互聯(lián)的效率[5,7]。

        3 物聯(lián)網(wǎng)技術在鋼鐵生產(chǎn)物料跟蹤中應用

        3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術在鋼鐵生產(chǎn)物流管理中應用

        隨著物聯(lián)網(wǎng)技術應用發(fā)展,近幾年來物聯(lián)網(wǎng)技術已開始在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)與物流管理中得到應用。

        3.1.1 汽車衡遠程監(jiān)控無人值守系統(tǒng)

        利用IC卡、視頻監(jiān)控、圖像識別、RFID技術、智能硬件控制平臺、網(wǎng)絡通訊等先進的信息化技術,將汽車衡、臺案秤等各類衡器集中統(tǒng)一管理。變革傳統(tǒng)的磅房人工值守計量方式為遠程集中無人值守計量模式,極大提升了計量管理水平。

        3.1.2 鐵水罐、鋼水包在線跟蹤定位系統(tǒng)

        鐵水、鋼水的運輸是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的紐帶,直接關系到鋼鐵企業(yè)的物料流、能量流和質量流三個關鍵因素,是鋼鐵企業(yè)在內(nèi)部管控中找效益的突破口。煉鐵、煉鋼生產(chǎn)過程的物質流動過程主要是通過魚雷罐車、天車(行車)實現(xiàn)的,所以對魚雷罐車、天車(行車)的行為進行跟蹤和辨識就能準確掌握物流的各關鍵環(huán)節(jié)。沿魚雷罐車、天車軌道按一定間隔(≥0.5 m)放置電子標簽,在魚雷罐車、天車上對應位置安裝讀寫器,讀寫器數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整合無線發(fā)送監(jiān)控室終端上,達到利用RFID可以準確和實時地對魚雷罐車、天車位置進行跟蹤和辨識。

        3.1.3 倉庫出/入庫管理

        將讀寫器安裝在出/入庫天車或吊車上,電子標簽貼附在識別成品的表面。標簽中保存有規(guī)定格式的數(shù)據(jù):如產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品鋼級、規(guī)格、重量、合同號、生產(chǎn)訂單號、庫位等相關信息。天車或吊車吊裝貨物時,讀寫器根據(jù)計算機管理系統(tǒng)發(fā)出的出貨信息發(fā)出射頻信息,當滿足條件的產(chǎn)品進入磁場時產(chǎn)生感應信息,并發(fā)送自身編碼信息,讀寫器讀取信息進行解碼后傳送至計算機進行處理,天車操作人員根據(jù)系統(tǒng)指令準確無誤地完成產(chǎn)品的出/入庫工作。

        3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術在焊絲生產(chǎn)物料跟蹤中應用

        3.2.1 焊絲生產(chǎn)物流跟蹤存在問題

        金屬制品中的氣體保護實心焊絲、埋弧焊絲生產(chǎn)中主要工序為預處理、粗拉、精拉、鍍銅、層纏和包裝,每道工序結束時,工序操作員都要填寫流程卡片,流程卡片內(nèi)容包括原料爐號、原料材質、原料產(chǎn)地、規(guī)格、重量、軸號、機臺、生產(chǎn)日期、班次、操作員、質量信息、檢驗員信息等,然后工序操作員將填寫后的流程卡片隨半成品進入下道工序。流程卡片傳遞到每道工序時,工序操作員按上述內(nèi)容將本工序生產(chǎn)信息填寫到流程卡中,流程卡上的信息不能出錯,否則最終成品的原料盤條信息、軸號信息將不能跟蹤。由于生產(chǎn)過程中多次進行軸的展開、換軸并重新繞軸操作,鑒于從預處理開始的軸到最終產(chǎn)品的軸不是一一對應的關系,從850 kg的大軸到成品20 kg的若干小軸,一旦中間的紙質卡污損,丟失,或者字跡不清或填寫錯誤,整個流程的跟蹤將失敗。最終的成品爐號、母軸號只能估計。

        采用RFID電子標簽、手持終端讀寫器、無線網(wǎng)絡與現(xiàn)場工作站搭建物聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)原料預處理、粗拉、精拉、鍍銅四個工序生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)采集與物流跟蹤。同時與各工序中的PLC系統(tǒng)進行生產(chǎn)工藝信息交互,實現(xiàn)從原料盤條——原料預處理——粗拉——精拉——鍍銅——層纏——包裝——成品各工序中的物料爐號、軸號、規(guī)格、消耗及質檢信息全面跟蹤追溯。實現(xiàn)該物流跟蹤的基礎是過程中數(shù)據(jù)信息的傳遞,采用RFID卡解決了金屬制品生產(chǎn)過程中軸號動態(tài)編碼信息跟蹤與各工序物流、生產(chǎn)工藝、質檢信息跟蹤問題。

        3.2.2 采用RFID實現(xiàn)軸號動態(tài)信息跟蹤

        在原料預處理、粗拉、精拉、鍍銅四個工序物料軸上固定1RFID卡,采用19位編碼進行軸號動態(tài)編碼,達到軸號跟蹤目的。1RFID軸號動態(tài)編碼規(guī)則見圖2。

        圖2上數(shù)字代表意義為:2013年5月6日生產(chǎn)的,最終產(chǎn)品為030,當日預處理完的第2個軸(此數(shù)字為所有預處理機組生產(chǎn)后產(chǎn)品的大排順序號)的子產(chǎn)品,粗拉后第一個軸的子產(chǎn)品(此處數(shù)字為預處理后的小排順序號),精拉后第二個軸的子產(chǎn)品(此處數(shù)字為預處理后的小排順序號),鍍銅處為0代表未經(jīng)過鍍銅工序。粗拉后標志位“R”代表粗拉后產(chǎn)品質量有問題需要返修。通過定義動態(tài)的繞線軸編碼,做到軸號的跟蹤,動態(tài)軸號的父級編碼一致即代表由同一母軸產(chǎn)出,即可完成整個工藝流程的跟蹤。

        3.2.3 采用RFID實現(xiàn)各工序物流、工藝、質檢信息跟蹤

        圖2 R F I D存儲的軸號動態(tài)編碼圖示

        由于物聯(lián)網(wǎng)已與各工序中的PLC系統(tǒng)進行生產(chǎn)工藝信息交互。原料盤條爐號及材質信息,由預處理帶入;在預處理機組將原料盤條首次纏繞成軸,同時在系統(tǒng)中記錄投入原料的信息(爐號、材質、產(chǎn)地),在預處理工序結束其半成品下軸時,用手持終端在接收本工序機組PLC系統(tǒng)生產(chǎn)信息同時并在本工序機組軸RFID卡中寫入該工序工藝信息(包括:工序編號、工序機組號、產(chǎn)品重量信息、質檢信息、工藝信息的、操作員信息等),在粗拉工序上軸時用手持終端讀上工序預處理軸上RFID信息,下軸時用手持終端將本工序生產(chǎn)信息寫到RFID上,精拉、鍍銅以此類推。到層纏工序開始時用手持終端讀上工序鍍銅軸上RFID信息,結束時用手持終端將本工序成品信息自動發(fā)送到成品包裝條碼打印機,打印成品條碼。其內(nèi)容包括批號、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)人以及線徑,松弛直徑,翹起距,單卷重量,單卷長度等產(chǎn)成品數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了焊絲生產(chǎn)過程物流跟蹤與質量追溯。

        4 結束語

        物聯(lián)網(wǎng)融合了多種技術,是對互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)應用的進一步延伸。本文對物聯(lián)網(wǎng)體系架構、關鍵技術進行了初步研究。并就物聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵生產(chǎn)物流跟蹤中應用進行了論述,針對金屬制品焊絲生產(chǎn)存在的爐號、軸號無法跟蹤的問題,提出采用RFID實現(xiàn)軸號動態(tài)編碼與物流跟蹤方案,實現(xiàn)了焊絲生產(chǎn)過程物流跟蹤與質量追溯。

        [1]溫家寶.2010年政府工作報告[EB/OL].(2010-03-15)[2011-02-10].http://www.gov.cn/2010lh/content_1555767.htm.

        [2]國務院關于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導意見(國發(fā)〔2013〕7 號)[EB/OL].[2013-03-04].http://www.gov.cn/zwgk/2013-02/17/content_2333141.htm.

        [3]張毅,唐紅.物聯(lián)網(wǎng)綜述[J].數(shù)字通信,2010(8):24-27,40.

        [4]孫其博,劉杰,黎羴,等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,33(3):1-9.

        [5]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術研究綜述 [J].電子測量與儀器學報,2009,23(12):1-7.

        [6]胡向東.物聯(lián)網(wǎng)研究與發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信,2010(2):17-21.

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