物聯網技術在鋼鐵生產物流跟蹤中的應用

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

物聯網（the internet of things）是我國當前“國家五大新興戰略性產業”之一[1]。盡管物聯網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、互聯網與移動通信網兩次浪潮之后新一輪信息技術革命[2-7]。物聯網在制造業開始了廣泛的應用，如在醫藥、食品、化工、鋼鐵等行業都有十分廣闊的市場和應用前景。因此各國政府、企業等都希望它能夠成為應對國際金融危機、振興經濟的重點技術領域。我國在2013年《國務院關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》中明確提出[2]：到2015年，實現物聯網在經濟社會重要領域的規模示范應用，突破一批核心技術，初步形成物聯網產業體系，安全保障能力明顯提高。

本文將介紹物聯網的關鍵技術及其在鋼鐵生產物流跟蹤中應用[2-7]。

2 物聯網及其關鍵技術

2.1 物聯網基本概念

物聯網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，采用規定的協議，將物體通過互聯網進行信息交互，達到對物體識別、跟蹤、監控與管理目的網絡[1]。

2.2 物聯網體系架構

盡管物聯網的定義各不相同，但對其技術體系結構卻有比較統一認識。如圖1所示，物聯網可以分成感知層、網絡層、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 物聯網關鍵技術

物聯網作為實現人與客觀世界的全面信息交互的全新網絡，在其感知、傳輸、處理三大核心環節

中，涉及了眾多學科和跨領域的關鍵技術，其中有：

圖1 物聯網的基本結構圖

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，同時獲取所需數據，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：電子標簽內存有一定格式的標識物體信息的電子數據，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；標簽的數據存取有密碼保護，安全性高。

一般的RFID系統由可編程的電子標簽，讀寫器以及能進行數據處理的計算機組成：電子標簽即射頻卡，具有可讀寫，信息存儲和數據加密功能：讀寫器由無線收發模塊、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所識別物體信息空間傳遞、在信息傳遞通道內，根據時序關系，實現信息的傳遞與數據的交換。

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

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

2.3.3 移動通信網絡優化技術

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

2.3.4 異構網絡接入與組網技術

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

3 物聯網技術在鋼鐵生產物料跟蹤中應用

3.1 物聯網技術在鋼鐵生產物流管理中應用

隨著物聯網技術應用發展，近幾年來物聯網技術已開始在鋼鐵行業生產與物流管理中得到應用。

3.1.1 汽車衡遠程監控無人值守系統

利用IC卡、視頻監控、圖像識別、RFID技術、智能硬件控制平臺、網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一管理。變革傳統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

鐵水、鋼水的運輸是鋼鐵企業生產的紐帶，直接關系到鋼鐵企業的物料流、能量流和質量流三個關鍵因素，是鋼鐵企業在內部管控中找效益的突破口。煉鐵、煉鋼生產過程的物質流動過程主要是通過魚雷罐車、天車（行車）實現的，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節。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，讀寫器數據通過數據處理系統整合無線發送監控室終端上，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。標簽中保存有規定格式的數據：如產品編碼、產品名稱、產品鋼級、規格、重量、合同號、生產訂單號、庫位等相關信息。天車或吊車吊裝貨物時，讀寫器根據計算機管理系統發出的出貨信息發出射頻信息，當滿足條件的產品進入磁場時產生感應信息，并發送自身編碼信息，讀寫器讀取信息進行解碼后傳送至計算機進行處理，天車操作人員根據系統指令準確無誤地完成產品的出/入庫工作。

3.2 物聯網技術在焊絲生產物料跟蹤中應用

3.2.1 焊絲生產物流跟蹤存在問題

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，流程卡片內容包括原料爐號、原料材質、原料產地、規格、重量、軸號、機臺、生產日期、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容將本工序生產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、無線網絡與現場工作站搭建物聯網，實現原料預處理、粗拉、精拉、鍍銅四個工序生產工藝數據采集與物流跟蹤。同時與各工序中的PLC系統進行生產工藝信息交互，實現從原料盤條——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、規格、消耗及質檢信息全面跟蹤追溯。實現該物流跟蹤的基礎是過程中數據信息的傳遞，采用RFID卡解決了金屬制品生產過程中軸號動態編碼信息跟蹤與各工序物流、生產工藝、質檢信息跟蹤問題。

3.2.2 采用RFID實現軸號動態信息跟蹤

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編碼，達到軸號跟蹤目的。1RFID軸號動態編碼規則見圖2。

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

3.2.3 采用RFID實現各工序物流、工藝、質檢信息跟蹤

圖2 R F I D存儲的軸號動態編碼圖示

由于物聯網已與各工序中的PLC系統進行生產工藝信息交互。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，同時在系統中記錄投入原料的信息（爐號、材質、產地），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系統生產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送到成品包裝條碼打印機，打印成品條碼。其內容包括批號、生產日期、生產人以及線徑，松弛直徑，翹起距，單卷重量，單卷長度等產成品數據。實現了焊絲生產過程物流跟蹤與質量追溯。

4 結束語

物聯網融合了多種技術，是對互聯網、移動通信網應用的進一步延伸。本文對物聯網體系架構、關鍵技術進行了初步研究。并就物聯網在鋼鐵生產物流跟蹤中應用進行了論述，針對金屬制品焊絲生產存在的爐號、軸號無法跟蹤的問題，提出采用RFID實現軸號動態編碼與物流跟蹤方案，實現了焊絲生產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網有序健康發展的指導意見（國發〔2013〕7 號）[EB/OL].[2013-03-04].http://www.gov.cn/zwgk/2013-02/17/content_2333141.htm.

[3]張毅，唐紅.物聯網綜述[J].數字通信，2010（8）：24-27，40.

[4]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：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.物聯網技術研究綜述 [J].電子測量與儀器學報，2009，23（12）：1-7.

[6]胡向東.物聯網研究與發展綜述[J].數字通信，2010（2）：17-21.