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(lián)網(wǎng)（the internet of things）是我國當前“國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)”之一[1]。盡管物聯(lián)網(wǎng)不是一種全新的技術(shù)，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(shù)，它通常被看作是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)兩次浪潮之后新一輪信息技術(shù)革命[2-7]。物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)開始了廣泛的應(yīng)用，如在醫(yī)藥、食品、化工、鋼鐵等行業(yè)都有十分廣闊的市場和應(yīng)用前景。因此各國政府、企業(yè)等都希望它能夠成為應(yīng)對國際金融危機、振興經(jīng)濟的重點技術(shù)領(lǐng)域。我國在2013年《國務(wù)院關(guān)于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導意見》中明確提出[2]：到2015年，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在經(jīng)濟社會重要領(lǐng)域的規(guī)模示范應(yīng)用，突破一批核心技術(shù)，初步形成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系，安全保障能力明顯提高。

本文將介紹物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其在鋼鐵生產(chǎn)物流跟蹤中應(yīng)用[2-7]。

2 物聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)基本概念

物聯(lián)網(wǎng)通過非接觸式的自動識別技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)，采用規(guī)定的協(xié)議，將物體通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息交互，達到對物體識別、跟蹤、監(jiān)控與管理目的網(wǎng)絡(luò)[1]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

盡管物聯(lián)網(wǎng)的定義各不相同，但對其技術(shù)體系結(jié)構(gòu)卻有比較統(tǒng)一認識。如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)可以分成感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)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(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)作為實現(xiàn)人與客觀世界的全面信息交互的全新網(wǎng)絡(luò)，在其感知、傳輸、處理三大核心環(huán)節(jié)

中，涉及了眾多學科和跨領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其中有：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 射頻識別技術(shù)

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(shù)據(jù)，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(huán)境，保密性強，可同時識別多個識別對象。該射頻識別技術(shù)由電子標簽和閱讀器組成：電子標簽內(nèi)存有一定格式的標識物體信息的電子數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)存取有密碼保護，安全性高。

一般的RFID系統(tǒng)由可編程的電子標簽，讀寫器以及能進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)加密功能：讀寫器由無線收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路三部分構(gòu)成。應(yīng)用時，先由讀寫器通過RF通道向標簽發(fā)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(shè)備；電子標簽與讀寫器之間通過無線耦合實現(xiàn)所識別物體信息空間傳遞、在信息傳遞通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)信息的傳遞與數(shù)據(jù)的交換。

2.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（wireless sensor network，WSN）

通過無線通信方式，把在監(jiān)控區(qū)域存在的各種傳感器節(jié)點組成多跳的自組織網(wǎng)絡(luò),傳感器網(wǎng)絡(luò)需要支持靈活的網(wǎng)絡(luò)管理和靈活的路由機制；支持多種類型設(shè)備的協(xié)同工作，支持寬帶管理；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的重要底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以作為移動通信網(wǎng)絡(luò)、有線接入網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)末梢網(wǎng)絡(luò)，進一步延伸網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。

2.3.3 移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)中覆蓋范圍最廣、應(yīng)用最普及的無線通信網(wǎng)絡(luò)，在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中具有不可替代的重要作用。要建立物聯(lián)網(wǎng)，可通過感應(yīng)器收集信息，通過電信運營商來互聯(lián)傳播。

2.3.4 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入與組網(wǎng)技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，大量設(shè)備會以不同的方式接入網(wǎng)絡(luò)，因此要求各類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，而且要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能終端根據(jù)自己的應(yīng)用要求、通信能力、能源供給情況、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等智能的選擇接入方式。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)還必須能夠支持多種終端或網(wǎng)元間的相互協(xié)同、以完成某一任務(wù)為目標，臨時進行動態(tài)組網(wǎng)，以提高物物互聯(lián)的效率[5，7]。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)物料跟蹤中應(yīng)用

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鋼鐵生產(chǎn)物流管理中應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，近幾年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已開始在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)與物流管理中得到應(yīng)用。

3.1.1 汽車衡遠程監(jiān)控無人值守系統(tǒng)

利用IC卡、視頻監(jiān)控、圖像識別、RFID技術(shù)、智能硬件控制平臺、網(wǎng)絡(luò)通訊等先進的信息化技術(shù),將汽車衡、臺案秤等各類衡器集中統(tǒng)一管理。變革傳統(tǒng)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(tǒng)

鐵水、鋼水的運輸是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的紐帶，直接關(guān)系到鋼鐵企業(yè)的物料流、能量流和質(zhì)量流三個關(guān)鍵因素，是鋼鐵企業(yè)在內(nèi)部管控中找效益的突破口。煉鐵、煉鋼生產(chǎn)過程的物質(zhì)流動過程主要是通過魚雷罐車、天車（行車）實現(xiàn)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(yīng)位置安裝讀寫器，讀寫器數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整合無線發(fā)送監(jiān)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(guī)定格式的數(shù)據(jù)：如產(chǎn)品編碼、產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品鋼級、規(guī)格、重量、合同號、生產(chǎn)訂單號、庫位等相關(guān)信息。天車或吊車吊裝貨物時，讀寫器根據(jù)計算機管理系統(tǒng)發(fā)出的出貨信息發(fā)出射頻信息，當滿足條件的產(chǎn)品進入磁場時產(chǎn)生感應(yīng)信息，并發(fā)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(jù)系統(tǒng)指令準確無誤地完成產(chǎn)品的出/入庫工作。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在焊絲生產(chǎn)物料跟蹤中應(yīng)用

3.2.1 焊絲生產(chǎn)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(chǎn)中主要工序為預(yù)處理、粗拉、精拉、鍍銅、層纏和包裝，每道工序結(jié)束時，工序操作員都要填寫流程卡片，流程卡片內(nèi)容包括原料爐號、原料材質(zhì)、原料產(chǎn)地、規(guī)格、重量、軸號、機臺、生產(chǎn)日期、班次、操作員、質(zhì)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(nèi)容將本工序生產(chǎn)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(chǎn)過程中多次進行軸的展開、換軸并重新繞軸操作，鑒于從預(yù)處理開始的軸到最終產(chǎn)品的軸不是一一對應(yīng)的關(guān)系，從850 kg的大軸到成品20 kg的若干小軸，一旦中間的紙質(zhì)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(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場工作站搭建物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)原料預(yù)處理、粗拉、精拉、鍍銅四個工序生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)采集與物流跟蹤。同時與各工序中的PLC系統(tǒng)進行生產(chǎn)工藝信息交互，實現(xiàn)從原料盤條——原料預(yù)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(guī)格、消耗及質(zhì)檢信息全面跟蹤追溯。實現(xiàn)該物流跟蹤的基礎(chǔ)是過程中數(shù)據(jù)信息的傳遞，采用RFID卡解決了金屬制品生產(chǎn)過程中軸號動態(tài)編碼信息跟蹤與各工序物流、生產(chǎn)工藝、質(zhì)檢信息跟蹤問題。

3.2.2 采用RFID實現(xiàn)軸號動態(tài)信息跟蹤

在原料預(yù)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(tài)編碼，達到軸號跟蹤目的。1RFID軸號動態(tài)編碼規(guī)則見圖2。

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

3.2.3 采用RFID實現(xiàn)各工序物流、工藝、質(zhì)檢信息跟蹤

圖2 R F I D存儲的軸號動態(tài)編碼圖示

由于物聯(lián)網(wǎng)已與各工序中的PLC系統(tǒng)進行生產(chǎn)工藝信息交互。原料盤條爐號及材質(zhì)信息，由預(yù)處理帶入；在預(yù)處理機組將原料盤條首次纏繞成軸，同時在系統(tǒng)中記錄投入原料的信息（爐號、材質(zhì)、產(chǎn)地），在預(yù)處理工序結(jié)束其半成品下軸時，用手持終端在接收本工序機組PLC系統(tǒng)生產(chǎn)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(chǎn)品重量信息、質(zhì)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(yù)處理軸上RFID信息，下軸時用手持終端將本工序生產(chǎn)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(jié)束時用手持終端將本工序成品信息自動發(fā)送到成品包裝條碼打印機，打印成品條碼。其內(nèi)容包括批號、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)人以及線徑，松弛直徑，翹起距，單卷重量，單卷長度等產(chǎn)成品數(shù)據(jù)。實現(xiàn)了焊絲生產(chǎn)過程物流跟蹤與質(zhì)量追溯。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)融合了多種技術(shù)，是對互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)應(yīng)用的進一步延伸。本文對物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進行了初步研究。并就物聯(lián)網(wǎng)在鋼鐵生產(chǎn)物流跟蹤中應(yīng)用進行了論述，針對金屬制品焊絲生產(chǎn)存在的爐號、軸號無法跟蹤的問題，提出采用RFID實現(xiàn)軸號動態(tài)編碼與物流跟蹤方案，實現(xiàn)了焊絲生產(chǎn)過程物流跟蹤與質(zhì)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(wù)院關(guān)于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導意見（國發(fā)〔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(lián)網(wǎng)綜述[J].數(shù)字通信，2010（8）：24-27，40.

[4]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-9.

[5]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(lián)網(wǎng)研究與發(fā)展綜述[J].數(shù)字通信，2010（2）：17-21.