物联网技术在钢铁生产物流跟踪中的应用

赵铁华，高贵芝，王 莹

（1.天津华通自动化控制有限公司，天津300384；2.天津三星电机有限公司，天津300210；3.天津德恒科技有限公司，天津300384）

1 引言

物联网（the internet of things）是我国当前“国家五大新兴战略性产业”之一[1]。尽管物联网不是一种全新的技术，而是一种当前国际上正在加紧进行研究、试验阶段的综合技术，它通常被看作是继计算机、互联网与移动通信网两次浪潮之后新一轮信息技术革命[2-7]。物联网在制造业开始了广泛的应用，如在医药、食品、化工、钢铁等行业都有十分广阔的市场和应用前景。因此各国政府、企业等都希望它能够成为应对国际金融危机、振兴经济的重点技术领域。我国在2013年《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》中明确提出[2]：到2015年，实现物联网在经济社会重要领域的规模示范应用，突破一批核心技术，初步形成物联网产业体系，安全保障能力明显提高。

本文将介绍物联网的关键技术及其在钢铁生产物流跟踪中应用[2-7]。

2 物联网及其关键技术

2.1 物联网基本概念

物联网通过非接触式的自动识别技术、红外感应技术、无线传输技术，采用规定的协议，将物体通过互联网进行信息交互，达到对物体识别、跟踪、监控与管理目的网络[1]。

2.2 物联网体系架构

尽管物联网的定义各不相同，但对其技术体系结构却有比较统一认识。如图1所示，物联网可以分成感知层、网络层、应用层三个大层次。它具有全面感知、可靠传送、智能处理等特征[3]。

2.3 物联网关键技术

物联网作为实现人与客观世界的全面信息交互的全新网络，在其感知、传输、处理三大核心环节

中，涉及了众多学科和跨领域的关键技术，其中有：

图1 物联网的基本结构图

2.3.1 射频识别技术

采用射频信号通过非接触方式，自动识别一定距离的目标对象，同时获取所需数据，读取距离可以从10 cm到几十米；可识别高速运动物体，抗恶劣环境，保密性强，可同时识别多个识别对象。该射频识别技术由电子标签和阅读器组成：电子标签内存有一定格式的标识物体信息的电子数据，能够轻易嵌入或附着所识别的物体中，并对所附着的物体进行追踪定位；标签的数据存取有密码保护，安全性高。

一般的RFID系统由可编程的电子标签，读写器以及能进行数据处理的计算机组成：电子标签即射频卡，具有可读写，信息存储和数据加密功能：读写器由无线收发模块、控制模块和接口电路三部分构成。应用时，先由读写器通过RF通道向标签发出请求信号，标签将所识别物体信息回送到读写器，然后读写器将所识别物体信息送到计算机处理设备；电子标签与读写器之间通过无线耦合实现所识别物体信息空间传递、在信息传递通道内，根据时序关系，实现信息的传递与数据的交换。

2.3.2 无线传感器网络技术（wireless sensor network，WSN）

通过无线通信方式，把在监控区域存在的各种传感器节点组成多跳的自组织网络,传感器网络需要支持灵活的网络管理和灵活的路由机制；支持多种类型设备的协同工作，支持宽带管理；无线传感器网络技术是实现物联网广泛应用的重要底层网络技术，可以作为移动通信网络、有线接入网络的神经末梢网络，进一步延伸网络的覆盖。

2.3.3 移动通信网络优化技术

物联网中覆盖范围最广、应用最普及的无线通信网络，在物联网体系架构中具有不可替代的重要作用。要建立物联网，可通过感应器收集信息，通过电信运营商来互联传播。

2.3.4 异构网络接入与组网技术

在物联网应用中，大量设备会以不同的方式接入网络，因此要求各类异构网络能够实现互联互通，而且要求网络设备、智能终端根据自己的应用要求、通信能力、能源供给情况、网络环境等智能的选择接入方式。异构网络还必须能够支持多种终端或网元间的相互协同、以完成某一任务为目标，临时进行动态组网，以提高物物互联的效率[5，7]。

3 物联网技术在钢铁生产物料跟踪中应用

3.1 物联网技术在钢铁生产物流管理中应用

随着物联网技术应用发展，近几年来物联网技术已开始在钢铁行业生产与物流管理中得到应用。

3.1.1 汽车衡远程监控无人值守系统

利用IC卡、视频监控、图像识别、RFID技术、智能硬件控制平台、网络通讯等先进的信息化技术,将汽车衡、台案秤等各类衡器集中统一管理。变革传统的磅房人工值守计量方式为远程集中无人值守计量模式，极大提升了计量管理水平。

3.1.2 铁水罐、钢水包在线跟踪定位系统

铁水、钢水的运输是钢铁企业生产的纽带，直接关系到钢铁企业的物料流、能量流和质量流三个关键因素，是钢铁企业在内部管控中找效益的突破口。炼铁、炼钢生产过程的物质流动过程主要是通过鱼雷罐车、天车（行车）实现的，所以对鱼雷罐车、天车（行车）的行为进行跟踪和辨识就能准确掌握物流的各关键环节。沿鱼雷罐车、天车轨道按一定间隔（≥0.5 m）放置电子标签，在鱼雷罐车、天车上对应位置安装读写器，读写器数据通过数据处理系统整合无线发送监控室终端上，达到利用RFID可以准确和实时地对鱼雷罐车、天车位置进行跟踪和辨识。

3.1.3 仓库出/入库管理

将读写器安装在出/入库天车或吊车上，电子标签贴附在识别成品的表面。标签中保存有规定格式的数据：如产品编码、产品名称、产品钢级、规格、重量、合同号、生产订单号、库位等相关信息。天车或吊车吊装货物时，读写器根据计算机管理系统发出的出货信息发出射频信息，当满足条件的产品进入磁场时产生感应信息，并发送自身编码信息，读写器读取信息进行解码后传送至计算机进行处理，天车操作人员根据系统指令准确无误地完成产品的出/入库工作。

3.2 物联网技术在焊丝生产物料跟踪中应用

3.2.1 焊丝生产物流跟踪存在问题

金属制品中的气体保护实心焊丝、埋弧焊丝生产中主要工序为预处理、粗拉、精拉、镀铜、层缠和包装，每道工序结束时，工序操作员都要填写流程卡片，流程卡片内容包括原料炉号、原料材质、原料产地、规格、重量、轴号、机台、生产日期、班次、操作员、质量信息、检验员信息等，然后工序操作员将填写后的流程卡片随半成品进入下道工序。流程卡片传递到每道工序时，工序操作员按上述内容将本工序生产信息填写到流程卡中，流程卡上的信息不能出错，否则最终成品的原料盘条信息、轴号信息将不能跟踪。由于生产过程中多次进行轴的展开、换轴并重新绕轴操作，鉴于从预处理开始的轴到最终产品的轴不是一一对应的关系，从850 kg的大轴到成品20 kg的若干小轴，一旦中间的纸质卡污损，丢失，或者字迹不清或填写错误，整个流程的跟踪将失败。最终的成品炉号、母轴号只能估计。

采用RFID电子标签、手持终端读写器、无线网络与现场工作站搭建物联网，实现原料预处理、粗拉、精拉、镀铜四个工序生产工艺数据采集与物流跟踪。同时与各工序中的PLC系统进行生产工艺信息交互，实现从原料盘条——原料预处理——粗拉——精拉——镀铜——层缠——包装——成品各工序中的物料炉号、轴号、规格、消耗及质检信息全面跟踪追溯。实现该物流跟踪的基础是过程中数据信息的传递，采用RFID卡解决了金属制品生产过程中轴号动态编码信息跟踪与各工序物流、生产工艺、质检信息跟踪问题。

3.2.2 采用RFID实现轴号动态信息跟踪

在原料预处理、粗拉、精拉、镀铜四个工序物料轴上固定1RFID卡，采用19位编码进行轴号动态编码，达到轴号跟踪目的。1RFID轴号动态编码规则见图2。

图2上数字代表意义为：2013年5月6日生产的，最终产品为030，当日预处理完的第2个轴（此数字为所有预处理机组生产后产品的大排顺序号）的子产品，粗拉后第一个轴的子产品（此处数字为预处理后的小排顺序号），精拉后第二个轴的子产品（此处数字为预处理后的小排顺序号），镀铜处为0代表未经过镀铜工序。粗拉后标志位“R”代表粗拉后产品质量有问题需要返修。通过定义动态的绕线轴编码，做到轴号的跟踪，动态轴号的父级编码一致即代表由同一母轴产出，即可完成整个工艺流程的跟踪。

3.2.3 采用RFID实现各工序物流、工艺、质检信息跟踪

图2 R F I D存储的轴号动态编码图示

由于物联网已与各工序中的PLC系统进行生产工艺信息交互。原料盘条炉号及材质信息，由预处理带入；在预处理机组将原料盘条首次缠绕成轴，同时在系统中记录投入原料的信息（炉号、材质、产地），在预处理工序结束其半成品下轴时，用手持终端在接收本工序机组PLC系统生产信息同时并在本工序机组轴RFID卡中写入该工序工艺信息（包括：工序编号、工序机组号、产品重量信息、质检信息、工艺信息的、操作员信息等），在粗拉工序上轴时用手持终端读上工序预处理轴上RFID信息，下轴时用手持终端将本工序生产信息写到RFID上，精拉、镀铜以此类推。到层缠工序开始时用手持终端读上工序镀铜轴上RFID信息，结束时用手持终端将本工序成品信息自动发送到成品包装条码打印机，打印成品条码。其内容包括批号、生产日期、生产人以及线径，松弛直径，翘起距，单卷重量，单卷长度等产成品数据。实现了焊丝生产过程物流跟踪与质量追溯。

4 结束语

物联网融合了多种技术，是对互联网、移动通信网应用的进一步延伸。本文对物联网体系架构、关键技术进行了初步研究。并就物联网在钢铁生产物流跟踪中应用进行了论述，针对金属制品焊丝生产存在的炉号、轴号无法跟踪的问题，提出采用RFID实现轴号动态编码与物流跟踪方案，实现了焊丝生产过程物流跟踪与质量追溯。

[1]温家宝.2010年政府工作报告[EB/OL].(2010-03-15）[2011-02-10].http://www.gov.cn/2010lh/content_1555767.htm.

[2]国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见（国发〔2013〕7 号）[EB/OL].[2013-03-04].http://www.gov.cn/zwgk/2013-02/17/content_2333141.htm.

[3]张毅，唐红.物联网综述[J].数字通信，2010（8）：24-27，40.

[4]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1-9.

[5]王保云.物联网技术研究综述 [J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：1-7.

[6]胡向东.物联网研究与发展综述[J].数字通信，2010（2）：17-21.