基于物联网的“一罐制”铁水调度系统的设计与应用

范 波，蔡乐才，秦小玉

FAN Bo1, CAI Le-cai2, QIN Xiao-yu1

（1.四川理工学院 自动化与电子信息学院，自贡 643000；2.宜宾学院，宜宾 644000）

0 引言

当前，我国制造企业为解决产业结构调整、升级和技术革新等重大问题，正在快速推进信息化建设，生产过程的智能化、集约化和全局优化也成为了制造企业发展的方向[1,2]。在政府“两化融合”方针引导下，我国钢铁企业规模也越来越大，但由于铁矿石等原材料长期受限于国际垄断寡头，钢企产能过剩，污染能耗又高，钢铁企业必须精细化生产管理，降本增效，这也对其本身的信息化建设提出了更高要求。

钢铁企业信息化建设涉及产品生产、物流、质量、能源、设备故障诊断以及自动化控制系统安全防护等方面，物联网、云计算等新一代的信息科学技术则为传统的钢铁企业绿色制造所要求的信息化建设带来了契机。

铁水调度系统是钢铁企业物流系统的重要组成部分，其调度效率直接影响全厂的生产节奏。炼铁一炼钢区间的铁水调度转运的工艺流程如下：高炉根据生产计划安排，将铁水经过预处理送至炼钢转炉，以满足炼钢转炉精炼的需要。主要涉及高炉受铁、扒渣、脱硫/磷及转炉兑铁等工序。当前，铁水的调度大多都还基于经验丰富的调度员根据生产计划编制调度计划。在铁水调度过程中，当铁水的处理及运输时间、温度和成分等与原调度计划始终保持一致，这就对铁水调度的准时性、可靠性和安全性提出了严峻考验[3]。

藉此，基于物联网的“一罐制”铁水调度跟踪系统可根据实际生产情况，在满足生产工艺约束的条件下，自动编制新的调度计划安排，以实现连续稳定高效的生产目的。这无疑对缩短铁水调度周期、保证运输流畅和安全稳定生产有着重要的意义，同时也进一步推进了钢铁企业的信息化建设。

1 “一罐制”铁水转运工艺描述

目前我国钢企采用的铁水转运工艺主要有三类：铁路方式+鱼雷罐车、起重行车+铁水罐和汽车方式+起重行车[4]。其中起重行车+铁水台车“一罐制”这种工艺，本身布置紧凑、转运距离较铁路方式缩短很多、集约用地和一次性成本低，备受冶金工艺专家的重视和推崇。

举例描述起重行车+铁水罐“一罐制”铁水转运工艺：某钢铁厂目前一期炼铁区域建有2500m3高炉三座，KR脱硫站3座，炼钢区域配置210t转炉三座。[5]如图1所示，转运跨行车始终沿着在转运跨上X轴上行驶，铁水台车在Y轴上行驶。

铁水罐在高炉受铁完毕后，铁水车装载铁水罐到行车转运跨，由行车起重调往脱硫站铁水台车，脱硫完毕后，再由行车起重调往铁水通廊转运跨，由台车运至炼钢加料跨或直接进入转炉。

2 基于物联网的“一罐制”铁水调度跟踪系统的设计方案

本系统设计采用C/S模式[6]完成客户端和服务器的数据交换处理，系统主要配置1台Stratus FT2510容错服务器作为应用服务器和数据库，用于业务数据的存储、访问和接受来自前端客户的业务请求，完成应用系统的业务逻辑处理，向数据库请求数据访问服务，并将结果返回给前端客户，同时应用服务器负责与L3级之间的通讯。ftServer的特点在于其硬件容错采用DMR/TMR（双模冗余／三模冗余）方式，延用Stratus传统的、独具特色的硬件容错技术造就了它无单点故障、应用全透明、零切换时间等[7]。

图1 起重行车+铁水台车“一罐制”铁水转运工艺示意图

图2 系统总体架构

2.1 铁包无线定位跟踪子系统

行车放置于转运跨作业车间顶部，铁水罐在转运跨被行车起吊沿X轴在距离地面约9米的上空运行，因此可以用行车的位置坐标来代替铁水罐的位置。在转运跨行车运行的轨道上预放置绝对型编码器，以确定行车在X轴的准确坐标。

感知层：行车上安装了位置传感节点，行车上的控制终端采集位置信息经接口转换，获取行车的X轴坐标。

网络层：完成坐标位置信息的接入和传送。本系统建立无线局域网，提供有线接入和无线信号的覆盖，负责与L2级网关无线通信。

应用层：铁包服务器与行车之间数据通信，取得行车的位置信息，中心控制主机读取铁包服务器数据，从而实现对行车的定位跟踪。

图3 铁包无线定位跟踪系统结构图

2.2 铁包识别跟踪系统

本设计在铁水台车上安装RFID TAG，并在出铁口到转运跨间的各轨道上安装车号识别（读取）装置，如图4所示。设计原理如下：当安装有RFID TAG的铁水台车通过安装有RFID Reader的铁路（沿Y轴）时，标签会接收到识别装置发出的微波查询信号，且电子标签将反射回载有其本身数据信息的微波信号；反射回的微波信号经调制解调处理后，识别装置再把读出信息通过光纤传送到铁包跟踪系统服务器进行处理，系统服务器经匹配处理识别当前经过的铁水车所载铁包包号及铁水车位置和行驶方向。铁水车通过安装有限位开关的铁路时，限位开关经识别装置主机向系统服务器再次传送铁水车当前位置和行驶方向。

图4 铁包识别跟踪系统结构图

图5 主程序流程图

图6 系统应用软件主界面—铁水罐运转状况实时监控画面

2.3 系统的控制软件设计

本系统应用软件的前端开发工具采用Microsoft Visual Studio .Net Professional 2010，数据库为Oracle 10G 标准版。系统的主程序流程图如图5所示。

铁包跟踪系统的主要功能有高炉出铁计划的生成、铁包的配包、铁包调度计划的编制。实时动态显示铁包当前位置坐标信息如图6所示，自动记录铁水罐的包次、所处作业状态、接收上位机的控制命令。设计有良好的人机交互界面，可现场进行键入任务等操作。

在铁水转运过程中，当生产过程中出现扰动事件而不能按原调度计划执行时，调度员只能凭借生产经验进行人工判断，同时也很难综合分析各方面的信息，做出最佳决策，进而得到优化的动态调度方案。而且铁水生产过程波动较大，存在着多种扰动情况，如生产计划时间延迟、铁水重量和温度不符合炼钢要求、通信设备损坏等突发情况发生，同时还有多种不确定性因素，如铁水转运路径的不可确定性、调度计划临时变更等情况也增加了铁水调度问题的复杂度。

基于物联网的铁水调度系统，作为信息录入、处理的工具，为铁水转运车间调度员编制调度计划带来了极大的便利，再结合调度员的经验，使得铁水的转运更为流畅。本设计实时跟踪铁水罐的全程转运情况，可将调度过程中遇到的各种扰动信息快速的从生产实时数据中快速地识别出来，再判断各设备的作业时间是否冲突，按照优先级的原则得到动态调度调整方案，最后经调度员确认，进一步完善铁水罐的调度编制计划。铁包计划编制与查询画面实时显示每条出铁线上铁水台车的要预装的铁包数量和排列顺序，以及调度指令的执行情况，如图7所示。调度的具体过程如下：系统会每半小时访问炼铁MES，在同一个高炉炉次，预算大概出铁时间，根据每高炉炉次的出铁量安排铁包。编制好铁包调度计划后，通过无线通信传送铁包调度指令给行车，行车依据指令起吊过跨铁水台车进入下一工序。铁包在整个转运过程中都是按调度计划通过“起重行车+铁水台车”运输。

图7 铁水罐调度计划编制

3 应用效果

通过以上对铁水调度跟踪系统的描述，本文以2014年4月22日的生产实际数据，对12个铁包的调度情况进行离线分析，用以说明调度系统在编制铁包生产计划的实际运行情况以及铁水调度本身存在的瓶颈，分析结果的甘特图如8所示。甘特图中的横轴为调度作业时间，纵轴表示工艺流程中的工序环节。

甘特图中的排队状况，在离散事件系统中即意味下一工序暂时处于繁忙状态，故此，铁包必须在缓冲区域排队等候。一旦出现队列，则会影响调度系统的运转效率，所以排队的队长是必须考虑的调度指标。

表1 铁水包次编制部分铁包调度统计表

表1中，铁包在受铁、进入KR脱硫站、进入铁水通廊、进入炼钢转炉均出现了不同长度的排队情况。其中受铁最长等待时间为53min，最短11min，平均等待时间为34min；在进入的KR脱硫的队列中，最长等待时间为77分钟，最短等待时间为28min，平均等待时间为45.4min；KR脱硫处理时间最长38min，最短34分钟，平均处理时间35.4min；扒渣及进入转炉排队最长时间60min，最短等待时间17min，平均等待时间37.8min。铁包在调度系统中的平均停留时间可以反应调度的流通速度，也是评价调度效率的重要指标。

图8 部分铁水罐调度计划甘特图

从以上甘特图可看出铁水调度跟踪系统使得各工序的衔接较为流畅，其中脱硫处理与铁水通廊转运相对稳定，作业时间波动不大，设备利用率高；脱硫队列与进入转炉队列长短不一，波动较大，这是因为在这些环节调度的复杂度高。在正常生产的节奏下，也可以看出铁包在整个调度过程中，在各工序排队等待就占据了大部分时间，这极容易在后续工序流程上造成拥堵，同时这也对整个铁水调度系统提出了更高的要求。所以，搜集生产实绩数据、建立“一罐制”评价指标体系、减少调度过程的拥堵情况、优化调度算法也成为了笔者亟需解决的重点研究问题。

4 结束语

铁水调度是关系到钢铁生产流程整体优化的重要的环节，对铁水转运的一些指标进行优化,可以实现生产过程中温度、能源和物流等基本参数的协调和稳定。本系统基于物联网的体系结构而设计，集成了分布式计算机控制系统、无线通信和容错编码技术，且可以很好兼容钢铁企业的L1和L3级网络，现已投入钢铁企业生产调度使用。

本文所取的生产实绩统计数据显示：铁包最短调度运输时间97min，最长调度运输时间195min，平均运输时间为142.2min。平均调度时间与文献8中统计的TPC平均调度时间520.6min相比较大为减少，这也从侧面印证了“一罐制”钢铁界面的生产节奏较TPC更为快捷。该设计方案在“一罐制”钢铁界面的应用，优化了钢铁物流的调度计划，由于调度刚性的增强，也提高了设备的利用率，满足了钢铁生产的快节奏，使得铁水调度过程更加智能化。同时，基于物联网的铁水调度系统的设计也使钢铁企业获得启示：物联网集成了计算机互联网与无线通信技术，为钢铁企业的物流运输实现信息化和工业化融合提供了方向。

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