盧 宏，孫 鵬

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

氧氣是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)煉鋼過程中必不可少的耗能原料，制氧成本幾乎占企業(yè)總煉鋼成本的25%，實現(xiàn)氧氣產(chǎn)耗管理的定量化、動態(tài)化和系統(tǒng)化，是整個鋼鐵行業(yè)的實現(xiàn)節(jié)能減排有效途徑之一。由于鋼鐵生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)性能要求高，干擾因素多，通訊鏈路復(fù)雜，傳輸協(xié)議多樣化，設(shè)備老化，因而我國大多數(shù)的鋼鐵企業(yè)基本沒實現(xiàn)生產(chǎn)的透明化。由于鋼鐵企業(yè)實際生產(chǎn)的過程中整個氧氣系統(tǒng)處于實時變化的，而調(diào)度部門僅僅依靠人為經(jīng)驗和手工報表歷史數(shù)據(jù)來進行階段性調(diào)整，不僅無法適應(yīng)實時變化的生產(chǎn)條件，而且需要浪費大量的人力和物力。

針對鋼鐵企業(yè)特殊的生產(chǎn)環(huán)境和實時變化的生產(chǎn)流程，本文設(shè)計了一種基于WirelessHART技術(shù)的無線傳感網(wǎng)來實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的無線覆蓋，通過實時采集的數(shù)據(jù)，動態(tài)來觀察氧氣實時放散量和系統(tǒng)調(diào)度成本，實時反饋調(diào)整，從而使管理系統(tǒng)做出實時最優(yōu)的氧氣調(diào)度指令，保持整個氧氣系統(tǒng)的動態(tài)平衡。

1 數(shù)據(jù)采集無線通信系統(tǒng)

1.1 WirelessHARTTM技術(shù)

WirelessHARTTM（Wireless Highway Addressable Remote Transducer）是HART通訊基金會為工業(yè)過程控制研制的一個開放標準的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是第一個用于過程控制的國際無線標準（IEC 62591），支持 IEEE 802.15.4標準的 2.4GHz ISM頻段。WirelessHARTTM是一種具有時鐘同步、自組織和可治愈的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擁有低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)點，其能夠快速兼容工業(yè)現(xiàn)有有線設(shè)備，工具和系統(tǒng)。WirelessHARTTM技術(shù)在鋼廠的使用進一步促進了無線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.2 無線通訊總體架構(gòu)

鋼鐵企業(yè)氧氣的無線通訊系統(tǒng)主要由三大部分組成：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)管理中心部分。如圖1所示。

鋼鐵企業(yè)利用 WirelessHARTTM技術(shù)來實現(xiàn)整個氧氣系統(tǒng)的無線信息化覆蓋，實現(xiàn)流程數(shù)據(jù)的實時采集。現(xiàn)場設(shè)備WirelessHARTTM模塊通過與傳感

器進行集成，采集鋼鐵生產(chǎn)過程中氧氣調(diào)度實時數(shù)據(jù)，并與其它現(xiàn)場Wireless設(shè)備組成穩(wěn)定的可靠的Mesh網(wǎng)絡(luò)，將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給數(shù)據(jù)管理層。接入點(Access Point)獲取到現(xiàn)場 WirelessHART設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，傳遞給網(wǎng)關(guān)(Gateway)，并負責(zé)網(wǎng)關(guān)(Gateway)的信息發(fā)送給現(xiàn)場 WirelessHART設(shè)備。網(wǎng)關(guān)(Gateway)在獲取到 WirelessHARTTM網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)后，通過以太網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)管理層，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)交互。此外系統(tǒng)配置了網(wǎng)絡(luò)管理器，主要負責(zé)整個WirelessHARTTM網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度和維持整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行。數(shù)據(jù)管理層主要依據(jù) WirelessHARTTM網(wǎng)絡(luò)采集的實時數(shù)據(jù)進行來制定合理氧氣系統(tǒng)動態(tài)調(diào)度計劃。

圖1 鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場無線傳感網(wǎng)部署總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of field wireless sensor network deployment in iron and steel enterprises

2 氧氣供應(yīng)系統(tǒng)實時動態(tài)調(diào)度優(yōu)化

為了適應(yīng)鋼鐵生產(chǎn)不斷變化地生產(chǎn)環(huán)境，我們通過無線傳感網(wǎng)采集實時的能源過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)的透明化，然后根據(jù)統(tǒng)一的調(diào)度標準，實時反饋調(diào)整，實時地提供動態(tài)的優(yōu)化生產(chǎn)組織方案。

2.1 實時優(yōu)化目標函數(shù)

本文氧氣系統(tǒng)的調(diào)度主要通過無線傳感網(wǎng)采集氧氣系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)為依據(jù)來制定實時系統(tǒng)調(diào)度計劃，通過負載實時反饋調(diào)節(jié)以及各機組的空分機和能耗的實時動態(tài)關(guān)系，來實現(xiàn)整個鋼鐵生產(chǎn)過程，氧氣的放散量最小和能源生產(chǎn)消耗成本最低化。

2.1.1 氧氣的放散量最小

氧氣的動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)首先要實現(xiàn)氧氣的總放散量最?。?/p>

其中 GO2,i(t)、 L PGO2,i(t)、 G ELO2,i(t)、UO2,i(t)、VO2(t)為WirelessHARTTM傳感網(wǎng)采集的氧氣系統(tǒng)制氧機的實時制氧量、蒸發(fā)裝置的實時蒸發(fā)量、液化裝置的實時液化量、吹氧管的實時流速以及小用戶的實時用氧量， fi為用氧管的切面積。氧氣的實時調(diào)度系統(tǒng)通過實時調(diào)度函數(shù) Xi( t), Mi( t), Ni( t),K( t)對制氧機、氧氣的液化裝置和蒸發(fā)裝置進行實時負載變動以及小用戶供氧量實時動態(tài)調(diào)控，從而使鋼鐵生產(chǎn)的過程中，氧氣的放散量最小化。

2.1.2 能源消耗成本最小化

在放散量最小的條件下，實現(xiàn)整個制氧過程能源消耗成本最小化：

制氧機的電耗與氧氣的產(chǎn)量實時對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系為 Hi( t)，氧氣的液化裝置的電耗與液氧的產(chǎn)量實時函數(shù)關(guān)系為 Ai( t)，液氧的氣化電耗與氧氣的氣化量實時對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系為 Bi( t),由于峰時和谷時電量的價格不一樣，用函數(shù) E ( t)來反映電量實時價格，LWO2(t)為實時的液氧的外部銷售量， F ( t)為實時的液氧價格。

2.2 氧氣系統(tǒng)實時調(diào)度約束條件

（1）制氧機實時產(chǎn)量不能超過制氧機最大生產(chǎn)負載能力：

（2）氧氣的液壓裝置產(chǎn)生的液氧量不能超過存儲裝置能承受的液氧的總?cè)萘浚?/p>

（3）氧氣的氣化裝置蒸發(fā)量不能超過蒸發(fā)設(shè)備最大的負載能力：

（4）氧氣的生產(chǎn)是一個連續(xù)過程，煉鋼的節(jié)奏變化頻繁，用氧量的變化較大，會使鋼鐵生產(chǎn)的過程中氧氣的管網(wǎng)壓力波動非常大，需要通過氧氣系統(tǒng)調(diào)度實時優(yōu)化，使管網(wǎng)的每處壓力值在管網(wǎng)能夠承受的范圍內(nèi)。

（5）氧氣系統(tǒng)在t時刻提供的氧氣量必須滿足煉鋼過程中氧氣的需求量，始終保持著氧氣系統(tǒng)的供需動態(tài)平衡。

3 實例與調(diào)度分析

3.1 WirelessHARTTM實時數(shù)據(jù)采集

實例來自于江蘇某特種金屬材料企業(yè)，鋼鐵年產(chǎn)量大概在 200萬噸左右，該企業(yè)鋼鐵部門配有 3臺具有不同負載能力的空分制氧機,10個液氧罐，2臺液化設(shè)備和2臺液氧蒸發(fā)機。該企業(yè)的鋼鐵制造生產(chǎn)現(xiàn)場配有WirelessHARTTM的無線傳感設(shè)備，用于鋼鐵生產(chǎn)制造過程中，關(guān)鍵計量點數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和采集，氧氣系統(tǒng)總共部署40個數(shù)據(jù)采集點，利用無線傳感網(wǎng)對該企業(yè)全天的鋼鐵生產(chǎn)過程中氧氣的生產(chǎn)、存儲和消耗進行數(shù)據(jù)實時采集。

如圖2所示，數(shù)據(jù)管理層通過WirelessHARTTM無線網(wǎng)絡(luò)收集了該企業(yè)鋼鐵部門 24小時鋼鐵生產(chǎn)過程中總用氧量實時流量，可觀察出，鋼鐵的生產(chǎn)制造過程中，基本沒有規(guī)律可循，因而調(diào)度人員僅憑經(jīng)驗是無法掌握其用氧的趨勢，通過無線傳感網(wǎng)對鋼鐵生產(chǎn)過程中氧氣消耗量實時的采集，能夠?qū)崟r了解氧氣的波動狀態(tài)和管網(wǎng)的壓力實時變化，實時反饋，從而提供最優(yōu)的動態(tài)調(diào)度指令。

圖2 企業(yè)24小時總用氧量的實時流量(km3/h)Fig.2 Real time flow of total oxygen consumption for 24 hours(km3/h)

此外通過WirelessHARTTM無線網(wǎng)絡(luò)，同時采集了該企業(yè)的鋼鐵部門終端小用戶的實時用氧流量，如圖 3所示，終端小用戶的流量大概在 0 km3/h-16 km3/h之間波動，有時氧氣用量波動的幅度還是很大的，因而終端小用戶的用氧對管網(wǎng)的壓力和氧氣的放散量的實時動態(tài)影響不能夠忽略的，氧氣系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)度影響因素必須要把終端小用戶的用氧量考慮進去。

圖3 24 小時小用戶用氧量的實時流量(km3/h)Fig.3 24 hours real time flow of oxygen for small users(km3/h)

3.2 系統(tǒng)實時動態(tài)調(diào)度優(yōu)化

WirelessHARTTM無線傳感網(wǎng)監(jiān)控和采集該鋼鐵部門生產(chǎn)制造的過程中的實時數(shù)據(jù)變化，氧氣的調(diào)度系統(tǒng)通過調(diào)度優(yōu)化函數(shù) Xi( t), Mi( t), Ni( t),K(t),Hi( t), Ai( t),Bi( t)對制氧機、氧氣的的液化裝置和蒸發(fā)裝置進行動態(tài)實時變動以及調(diào)整小用戶供氧量變化，結(jié)合該企業(yè)峰時谷時電價動態(tài)變化，制定合理的氧氣動態(tài)調(diào)度計劃，從而實現(xiàn)氧氣系統(tǒng)最小放散量，能源成本最低化。

如圖4所示，人工制定的原始氧氣調(diào)度計劃，整體氧氣放散率是雖然是變小的，但是整個的變化是周期性階段性的人為調(diào)整，其無法適應(yīng)實時變化的鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境和條件，會造成大量的氧氣的放散。而依據(jù)無線傳感網(wǎng)采集的實時數(shù)據(jù)制定實時反饋動態(tài)調(diào)度計劃，氧氣的放散率變化率會明顯改變，系統(tǒng)調(diào)整時間更短，整體變化幅度比較平緩，實時性和優(yōu)化的效率更高。但是由于優(yōu)化調(diào)度是基于鋼鐵生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的氧氣系統(tǒng)開始階段放散率會偏高一點。

圖4 24 小時氧氣系統(tǒng)的放散率變化趨勢Fig.4 Change trend of oxygen system dispersion rate for 24 hours

圖5 是在煉鋼階段氧氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度前后能源消耗成本的對比變化，在氧氣系統(tǒng)放散量實現(xiàn)最小化的基礎(chǔ)上，通過考慮氧氣實時能源的轉(zhuǎn)化效率和電價實時價格，確定系統(tǒng)調(diào)度的成本實時函數(shù)，綜合考慮實際煉鋼實際運行過程中經(jīng)濟因素的約束，構(gòu)建經(jīng)濟全周期經(jīng)濟負荷方案，為企業(yè)提供能源消耗成本最低的運行模式，實時動態(tài)調(diào)控，相對于人工的調(diào)度系統(tǒng)，優(yōu)化后實時調(diào)度全天系統(tǒng)運行費用大約能夠降低3%左右。

圖5 鋼鐵生產(chǎn)過程中24小時成本變化Fig.5 24 hour cost change trend in the process of steel production

4 結(jié)論

隨著近年來傳感技術(shù)和工業(yè)無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，本文研究了一種基于無線傳感網(wǎng)來實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)氧氣系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方案。利用無線傳感網(wǎng)WirelessHARTTM將工業(yè)無線技術(shù)與實際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用過程相結(jié)合，實現(xiàn)傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和生產(chǎn)流程的透明化，進而對鋼鐵企業(yè)傳統(tǒng)的氧氣系統(tǒng)調(diào)度的升級優(yōu)化。最終結(jié)合實際也表明基于無線傳感網(wǎng)實時采集數(shù)據(jù)的動態(tài)反饋調(diào)度系統(tǒng)，有效的降低了氧氣的放散率和系統(tǒng)的調(diào)度成本，因而推動無線傳感網(wǎng)在氧氣調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用，進一步加快鋼鐵等傳統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)代化、自動化改造建設(shè)的進程。

[1] 高晉樹, 王洪元, 潘操, 劉曉宇. 基于無線HART的智能儀表的在線監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 化工自動化及儀表, 2011(12):1449-1453.

[2] 陳桂玲, 曹立霞. 基于粒子群算法的濟鋼氧氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究[J]. 工業(yè)控制計算機, 2015(3): 34-35.

[3] 毛蘇杭, 宋蘊璞, 劉林. 基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的鋼鐵企業(yè)實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2015(12): 10-12.

[4] 陳聰, 趙均, 邵之江. 鋼鐵企業(yè)氧氣管網(wǎng)的平衡與調(diào)度研究[J]. 計算機與應(yīng)用化學(xué), 2012(9): 1089-1094.

[5] 夏顯中, 牛玉剛, 王駿. 基于WirelessHART的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)學(xué)報), 2013(4): 488-492.

[6] 尚久華. 鋼鐵企業(yè)EMS發(fā)展現(xiàn)狀及其難點的解決思路. 應(yīng)用能源技術(shù), 2016(12): 9-12

[7] 劉偉, 徐勝, 王蘇洲. WirelessHART無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件設(shè)計與測試[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2017(5): 61-66.

[8] 陳帥, 崔振偉, 李鳳姿. 基于WirelessHART的管網(wǎng)聲波無線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化, 2015, 23(37): 53-54.

[9] 蒙恩, 張盛. WirelessHART網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用研究[J]. 機電信息, 2014(24): 96-97+99.

[10] 董小蘇. 基于WirelessHART的泵群無線狀態(tài)監(jiān)視[D]. 華東理工大學(xué), 2013-10.