鋼鐵企業(yè)基于無(wú)線傳感網(wǎng)的氧氣實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度

盧 宏，孫 鵬

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)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(guò)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(shí)現(xiàn)氧氣產(chǎn)耗管理的定量化、動(dòng)態(tài)化和系統(tǒng)化，是整個(gè)鋼鐵行業(yè)的實(shí)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(guó)大多數(shù)的鋼鐵企業(yè)基本沒(méi)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的透明化。由于鋼鐵企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中整個(gè)氧氣系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)變化的，而調(diào)度部門僅僅依靠人為經(jīng)驗(yàn)和手工報(bào)表歷史數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行階段性調(diào)整，不僅無(wú)法適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的生產(chǎn)條件，而且需要浪費(fèi)大量的人力和物力。

針對(duì)鋼鐵企業(yè)特殊的生產(chǎn)環(huán)境和實(shí)時(shí)變化的生產(chǎn)流程，本文設(shè)計(jì)了一種基于WirelessHART技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的無(wú)線覆蓋，通過(guò)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)來(lái)觀察氧氣實(shí)時(shí)放散量和系統(tǒng)調(diào)度成本，實(shí)時(shí)反饋調(diào)整，從而使管理系統(tǒng)做出實(shí)時(shí)最優(yōu)的氧氣調(diào)度指令，保持整個(gè)氧氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。

1 數(shù)據(jù)采集無(wú)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(huì)為工業(yè)過(guò)程控制研制的一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是第一個(gè)用于過(guò)程控制的國(guó)際無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62591），支持 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 2.4GHz ISM頻段。WirelessHARTTM是一種具有時(shí)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(diǎn)，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(jìn)一步促進(jìn)了無(wú)線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.2 無(wú)線通訊總體架構(gòu)

鋼鐵企業(yè)氧氣的無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)氧氣系統(tǒng)的無(wú)線信息化覆蓋，實(shí)現(xiàn)流程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備WirelessHARTTM模塊通過(guò)與傳感

器進(jìn)行集成，采集鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中氧氣調(diào)度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并與其它現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)傳輸給數(shù)據(jù)管理層。接入點(diǎn)(Access Point)獲取到現(xiàn)場(chǎng) WirelessHART設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，傳遞給網(wǎng)關(guān)(Gateway)，并負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)(Gateway)的信息發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng) WirelessHART設(shè)備。網(wǎng)關(guān)(Gateway)在獲取到 WirelessHARTTM網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)管理層，從而實(shí)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(fù)責(zé)整個(gè)WirelessHARTTM網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度和維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)管理層主要依據(jù) WirelessHARTTM網(wǎng)絡(luò)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行來(lái)制定合理氧氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃。

圖1 鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(shí)時(shí)動(dòng)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(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)采集實(shí)時(shí)的能源過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的透明化，然后根據(jù)統(tǒng)一的調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)反饋調(diào)整，實(shí)時(shí)地提供動(dòng)態(tài)的優(yōu)化生產(chǎn)組織方案。

2.1 實(shí)時(shí)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

本文氧氣系統(tǒng)的調(diào)度主要通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)采集氧氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)來(lái)制定實(shí)時(shí)系統(tǒng)調(diào)度計(jì)劃，通過(guò)負(fù)載實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)以及各機(jī)組的空分機(jī)和能耗的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)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(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)氧氣的總放散量最小：

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(jī)的實(shí)時(shí)制氧量、蒸發(fā)裝置的實(shí)時(shí)蒸發(fā)量、液化裝置的實(shí)時(shí)液化量、吹氧管的實(shí)時(shí)流速以及小用戶的實(shí)時(shí)用氧量， fi為用氧管的切面積。氧氣的實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)度函數(shù) Xi( t), Mi( t), Ni( t),K( t)對(duì)制氧機(jī)、氧氣的液化裝置和蒸發(fā)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)載變動(dòng)以及小用戶供氧量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而使鋼鐵生產(chǎn)的過(guò)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(shí)現(xiàn)整個(gè)制氧過(guò)程能源消耗成本最小化：

制氧機(jī)的電耗與氧氣的產(chǎn)量實(shí)時(shí)對(duì)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(shí)時(shí)函數(shù)關(guān)系為 Ai( t)，液氧的氣化電耗與氧氣的氣化量實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系為 Bi( t),由于峰時(shí)和谷時(shí)電量的價(jià)格不一樣，用函數(shù) E ( t)來(lái)反映電量實(shí)時(shí)價(jià)格，LWO2(t)為實(shí)時(shí)的液氧的外部銷售量， F ( t)為實(shí)時(shí)的液氧價(jià)格。

2.2 氧氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度約束條件

（1）制氧機(jī)實(shí)時(shí)產(chǎn)量不能超過(guò)制氧機(jī)最大生產(chǎn)負(fù)載能力：

（2）氧氣的液壓裝置產(chǎn)生的液氧量不能超過(guò)存儲(chǔ)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(guò)蒸發(fā)設(shè)備最大的負(fù)載能力：

（4）氧氣的生產(chǎn)是一個(gè)連續(xù)過(guò)程，煉鋼的節(jié)奏變化頻繁，用氧量的變化較大，會(huì)使鋼鐵生產(chǎn)的過(guò)程中氧氣的管網(wǎng)壓力波動(dòng)非常大，需要通過(guò)氧氣系統(tǒng)調(diào)度實(shí)時(shí)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(shí)刻提供的氧氣量必須滿足煉鋼過(guò)程中氧氣的需求量，始終保持著氧氣系統(tǒng)的供需動(dòng)態(tài)平衡。

3 實(shí)例與調(diào)度分析

3.1 WirelessHARTTM實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

實(shí)例來(lái)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(wàn)噸左右，該企業(yè)鋼鐵部門配有 3臺(tái)具有不同負(fù)載能力的空分制氧機(jī),10個(gè)液氧罐，2臺(tái)液化設(shè)備和2臺(tái)液氧蒸發(fā)機(jī)。該企業(yè)的鋼鐵制造生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配有WirelessHARTTM的無(wú)線傳感設(shè)備，用于鋼鐵生產(chǎn)制造過(guò)程中，關(guān)鍵計(jì)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集，氧氣系統(tǒng)總共部署40個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)對(duì)該企業(yè)全天的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中氧氣的生產(chǎn)、存儲(chǔ)和消耗進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

如圖2所示，數(shù)據(jù)管理層通過(guò)WirelessHARTTM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收集了該企業(yè)鋼鐵部門 24小時(shí)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中總用氧量實(shí)時(shí)流量，可觀察出，鋼鐵的生產(chǎn)制造過(guò)程中，基本沒(méi)有規(guī)律可循，因而調(diào)度人員僅憑經(jīng)驗(yàn)是無(wú)法掌握其用氧的趨勢(shì)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中氧氣消耗量實(shí)時(shí)的采集，能夠?qū)崟r(shí)了解氧氣的波動(dòng)狀態(tài)和管網(wǎng)的壓力實(shí)時(shí)變化，實(shí)時(shí)反饋，從而提供最優(yōu)的動(dòng)態(tài)調(diào)度指令。

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

此外通過(guò)WirelessHARTTM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)采集了該企業(yè)的鋼鐵部門終端小用戶的實(shí)時(shí)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(dòng)，有時(shí)氧氣用量波動(dòng)的幅度還是很大的，因而終端小用戶的用氧對(duì)管網(wǎng)的壓力和氧氣的放散量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影響不能夠忽略的，氧氣系統(tǒng)的動(dòng)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(jìn)去。

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

3.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化

WirelessHARTTM無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)控和采集該鋼鐵部門生產(chǎn)制造的過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化，氧氣的調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)調(diào)度優(yōu)化函數(shù) Xi( t), Mi( t), Ni( t),K(t),Hi( t), Ai( t),Bi( t)對(duì)制氧機(jī)、氧氣的的液化裝置和蒸發(fā)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變動(dòng)以及調(diào)整小用戶供氧量變化，結(jié)合該企業(yè)峰時(shí)谷時(shí)電價(jià)動(dòng)態(tài)變化，制定合理的氧氣動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃，從而實(shí)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(jì)劃，整體氧氣放散率是雖然是變小的，但是整個(gè)的變化是周期性階段性的人為調(diào)整，其無(wú)法適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境和條件，會(huì)造成大量的氧氣的放散。而依據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)制定實(shí)時(shí)反饋動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃，氧氣的放散率變化率會(huì)明顯改變，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間更短，整體變化幅度比較平緩，實(shí)時(shí)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(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的氧氣系統(tǒng)開(kāi)始階段放散率會(huì)偏高一點(diǎn)。

圖4 24 小時(shí)氧氣系統(tǒng)的放散率變化趨勢(shì)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(duì)比變化，在氧氣系統(tǒng)放散量實(shí)現(xiàn)最小化的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮氧氣實(shí)時(shí)能源的轉(zhuǎn)化效率和電價(jià)實(shí)時(shí)價(jià)格，確定系統(tǒng)調(diào)度的成本實(shí)時(shí)函數(shù)，綜合考慮實(shí)際煉鋼實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)濟(jì)因素的約束，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)全周期經(jīng)濟(jì)負(fù)荷方案，為企業(yè)提供能源消耗成本最低的運(yùn)行模式，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控，相對(duì)于人工的調(diào)度系統(tǒng)，優(yōu)化后實(shí)時(shí)調(diào)度全天系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用大約能夠降低3%左右。

圖5 鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中24小時(shí)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(lái)傳感技術(shù)和工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，本文研究了一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)氧氣系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方案。利用無(wú)線傳感網(wǎng)WirelessHARTTM將工業(yè)無(wú)線技術(shù)與實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和生產(chǎn)流程的透明化，進(jìn)而對(duì)鋼鐵企業(yè)傳統(tǒng)的氧氣系統(tǒng)調(diào)度的升級(jí)優(yōu)化。最終結(jié)合實(shí)際也表明基于無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的動(dòng)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(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)在氧氣調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用，進(jìn)一步加快鋼鐵等傳統(tǒng)行業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化改造建設(shè)的進(jìn)程。

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