鋼鐵企業基于無線傳感網的氧氣實時優化調度

盧 宏，孫 鵬

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

氧氣是現代鋼鐵企業煉鋼過程中必不可少的耗能原料，制氧成本幾乎占企業總煉鋼成本的25%，實現氧氣產耗管理的定量化、動態化和系統化，是整個鋼鐵行業的實現節能減排有效途徑之一。由于鋼鐵生產環境復雜，網絡性能要求高，干擾因素多，通訊鏈路復雜，傳輸協議多樣化，設備老化，因而我國大多數的鋼鐵企業基本沒實現生產的透明化。由于鋼鐵企業實際生產的過程中整個氧氣系統處于實時變化的，而調度部門僅僅依靠人為經驗和手工報表歷史數據來進行階段性調整，不僅無法適應實時變化的生產條件，而且需要浪費大量的人力和物力。

針對鋼鐵企業特殊的生產環境和實時變化的生產流程，本文設計了一種基于WirelessHART技術的無線傳感網來實現鋼鐵企業的無線覆蓋，通過實時采集的數據，動態來觀察氧氣實時放散量和系統調度成本，實時反饋調整，從而使管理系統做出實時最優的氧氣調度指令，保持整個氧氣系統的動態平衡。

1 數據采集無線通信系統

1.1 WirelessHARTTM技術

WirelessHARTTM（Wireless Highway Addressable Remote Transducer）是HART通訊基金會為工業過程控制研制的一個開放標準的無線網絡技術，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狀網絡結構，擁有低成本、低功耗、高可靠性等優點，其能夠快速兼容工業現有有線設備，工具和系統。WirelessHARTTM技術在鋼廠的使用進一步促進了無線技術在工業自動化領域的廣泛應用。

1.2 無線通訊總體架構

鋼鐵企業氧氣的無線通訊系統主要由三大部分組成：數據采集部分、數據傳輸部分、數據管理中心部分。如圖1所示。

鋼鐵企業利用 WirelessHARTTM技術來實現整個氧氣系統的無線信息化覆蓋，實現流程數據的實時采集。現場設備WirelessHARTTM模塊通過與傳感

器進行集成，采集鋼鐵生產過程中氧氣調度實時數據，并與其它現場Wireless設備組成穩定的可靠的Mesh網絡，將采集的數據實時傳輸給數據管理層。接入點(Access Point)獲取到現場 WirelessHART設備的實時數據，傳遞給網關(Gateway)，并負責網關(Gateway)的信息發送給現場 WirelessHART設備。網關(Gateway)在獲取到 WirelessHARTTM網絡采集現場的實時數據后，通過以太網傳輸給數據管理層，從而實現網絡間數據交互。此外系統配置了網絡管理器，主要負責整個WirelessHARTTM網絡的資源調度和維持整個網絡的穩定運行。數據管理層主要依據 WirelessHARTTM網絡采集的實時數據進行來制定合理氧氣系統動態調度計劃。

圖1 鋼鐵企業現場無線傳感網部署總體架構Fig.1 Overall architecture of field wireless sensor network deployment in iron and steel enterprises

2 氧氣供應系統實時動態調度優化

為了適應鋼鐵生產不斷變化地生產環境，我們通過無線傳感網采集實時的能源過程數據，實現了生產的透明化，然后根據統一的調度標準，實時反饋調整，實時地提供動態的優化生產組織方案。

2.1 實時優化目標函數

本文氧氣系統的調度主要通過無線傳感網采集氧氣系統的實時數據為依據來制定實時系統調度計劃，通過負載實時反饋調節以及各機組的空分機和能耗的實時動態關系，來實現整個鋼鐵生產過程，氧氣的放散量最小和能源生產消耗成本最低化。

2.1.1 氧氣的放散量最小

氧氣的動態調度系統首先要實現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傳感網采集的氧氣系統制氧機的實時制氧量、蒸發裝置的實時蒸發量、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。氧氣的實時調度系統通過實時調度函數 Xi( t), Mi( t), Ni( t),K( t)對制氧機、氧氣的液化裝置和蒸發裝置進行實時負載變動以及小用戶供氧量實時動態調控，從而使鋼鐵生產的過程中，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量實時對應的函數關系為 Hi( t)，氧氣的液化裝置的電耗與液氧的產量實時函數關系為 Ai( t)，液氧的氣化電耗與氧氣的氣化量實時對應的函數關系為 Bi( t),由于峰時和谷時電量的價格不一樣，用函數 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 氧氣系統實時調度約束條件

（1）制氧機實時產量不能超過制氧機最大生產負載能力：

（2）氧氣的液壓裝置產生的液氧量不能超過存儲裝置能承受的液氧的總容量：

（3）氧氣的氣化裝置蒸發量不能超過蒸發設備最大的負載能力：

（4）氧氣的生產是一個連續過程，煉鋼的節奏變化頻繁，用氧量的變化較大，會使鋼鐵生產的過程中氧氣的管網壓力波動非常大，需要通過氧氣系統調度實時優化，使管網的每處壓力值在管網能夠承受的范圍內。

（5）氧氣系統在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的供需動態平衡。

3 實例與調度分析

3.1 WirelessHARTTM實時數據采集

實例來自于江蘇某特種金屬材料企業，鋼鐵年產量大概在 200萬噸左右，該企業鋼鐵部門配有 3臺具有不同負載能力的空分制氧機,10個液氧罐，2臺液化設備和2臺液氧蒸發機。該企業的鋼鐵制造生產現場配有WirelessHARTTM的無線傳感設備，用于鋼鐵生產制造過程中，關鍵計量點數據的實時監控和采集，氧氣系統總共部署40個數據采集點，利用無線傳感網對該企業全天的鋼鐵生產過程中氧氣的生產、存儲和消耗進行數據實時采集。

如圖2所示，數據管理層通過WirelessHARTTM無線網絡收集了該企業鋼鐵部門 24小時鋼鐵生產過程中總用氧量實時流量，可觀察出，鋼鐵的生產制造過程中，基本沒有規律可循，因而調度人員僅憑經驗是無法掌握其用氧的趨勢，通過無線傳感網對鋼鐵生產過程中氧氣消耗量實時的采集，能夠實時了解氧氣的波動狀態和管網的壓力實時變化，實時反饋，從而提供最優的動態調度指令。

圖2 企業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無線網絡，同時采集了該企業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的壓力和氧氣的放散量的實時動態影響不能夠忽略的，氧氣系統的動態調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 系統實時動態調度優化

WirelessHARTTM無線傳感網監控和采集該鋼鐵部門生產制造的過程中的實時數據變化，氧氣的調度系統通過調度優化函數 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裝置進行動態實時變動以及調整小用戶供氧量變化，結合該企業峰時谷時電價動態變化，制定合理的氧氣動態調度計劃，從而實現氧氣系統最小放散量，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整，其無法適應實時變化的鋼鐵企業的生產環境和條件，會造成大量的氧氣的放散。而依據無線傳感網采集的實時數據制定實時反饋動態調度計劃，氧氣的放散率變化率會明顯改變，系統調整時間更短，整體變化幅度比較平緩，實時性和優化的效率更高。但是由于優化調度是基于鋼鐵生產過程的實時數據，優化后的氧氣系統開始階段放散率會偏高一點。

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

圖5 是在煉鋼階段氧氣系統優化調度前后能源消耗成本的對比變化，在氧氣系統放散量實現最小化的基礎上，通過考慮氧氣實時能源的轉化效率和電價實時價格，確定系統調度的成本實時函數，綜合考慮實際煉鋼實際運行過程中經濟因素的約束，構建經濟全周期經濟負荷方案，為企業提供能源消耗成本最低的運行模式，實時動態調控，相對于人工的調度系統，優化后實時調度全天系統運行費用大約能夠降低3%左右。

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

4 結論

隨著近年來傳感技術和工業無線通信技術的快速發展，本文研究了一種基于無線傳感網來實現鋼鐵企業氧氣系統的優化調度方案。利用無線傳感網WirelessHARTTM將工業無線技術與實際的工業生產應用過程相結合，實現傳統鋼鐵企業生產現場無線網絡覆蓋和生產流程的透明化，進而對鋼鐵企業傳統的氧氣系統調度的升級優化。最終結合實際也表明基于無線傳感網實時采集數據的動態反饋調度系統，有效的降低了氧氣的放散率和系統的調度成本，因而推動無線傳感網在氧氣調度系統的應用，進一步加快鋼鐵等傳統行業現代化、自動化改造建設的進程。

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