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作者：張毅

    鋼鐵行業(yè)是國(guó)家振興發(fā)展的基礎(chǔ)，而鋼鐵質(zhì)量的提高更是當(dāng)今新課題。在煉鋼專(zhuān)家系統(tǒng)中，鐵水、褒鋼和各種添加劑的比例是控制鋼種質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素[1]，過(guò)去主要通過(guò)人工對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，但廢鋼種類(lèi)較多，經(jīng)常出現(xiàn)人為錯(cuò)誤或配斟誤差超出專(zhuān)家系統(tǒng)的要求，從而使成品鋼種達(dá)不到技術(shù)要求，只能降等級(jí)使用，造成極大經(jīng)濟(jì)損失：鋼廠行車(chē)加料配料系統(tǒng)正是基于這種需求建立起來(lái)的，它能很好地滿足專(zhuān)家系統(tǒng)的需求，大大提高鋼材的質(zhì)量和成品率，節(jié)約人力物力：由于系統(tǒng)中涉及的添加成分較多、重量不等和生產(chǎn)節(jié)奏快，需要多臺(tái)行車(chē)協(xié)同作業(yè)，且這些設(shè)備為移動(dòng)設(shè)備，所以對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃蕴岢隽溯^高要求。本文根據(jù)對(duì)馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“馬鋼”）某車(chē)間實(shí)際情況的調(diào)研和多種方案的對(duì)比，采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的主要傳輸手段二系統(tǒng)于2011年投入運(yùn)行，效果良好。

1  系統(tǒng)需求

    馬鋼某車(chē)間共有14個(gè)料倉(cāng)、3臺(tái)天車(chē)和2條料斗車(chē)，每個(gè)料倉(cāng)可能放置一種或多種廢鋼，現(xiàn)場(chǎng)布局如圖1所示。生產(chǎn)時(shí)通過(guò)鐵水重量、溫度以及需煉鋼的種類(lèi)由專(zhuān)家系統(tǒng)給出廢鋼和添加劑的配料單，通過(guò)鋼廠二級(jí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給廢鋼操作室，由廢鋼操作室值班人員根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)情況、設(shè)備使用情況等發(fā)出加料指令，加料指令可要求由一臺(tái)或多臺(tái)加料天車(chē)將廢鋼和添加劑加入指定的料斗中，且每種廢鋼的重量誤差不得大于0.5 t。加料完成后需將當(dāng)前配料情況上傳至二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，以便系統(tǒng)保存查詢及完善煉鋼工藝。系統(tǒng)要求指示清晰、穩(wěn)定可靠、操作方便、數(shù)據(jù)反應(yīng)靈敏。

    鋼廠屬重工業(yè)區(qū)，環(huán)境非常惡劣，其粉塵中含有大量的金屬屑，且其大部分建筑材料為金屬，這些都會(huì)嚴(yán)重影響電磁波的傳輸，而系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信的可靠性、實(shí)時(shí)性以及控制網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性都有特定的要求。另外，天車(chē)屬于移動(dòng)設(shè)備，其移動(dòng)的范圍相對(duì)較大，天車(chē)在移動(dòng)過(guò)程中其數(shù)據(jù)傳輸鏈路處于不斷的重組之中。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，這些因素都需要考慮在內(nèi)。

2  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    針對(duì)馬鋼車(chē)間布局和車(chē)間環(huán)境，為了高效可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和方案對(duì)

比，最終確定以ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建立煉鋼加料配料無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。按功能將整個(gè)系統(tǒng)分為ZigBee無(wú)線傳輸系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)、天車(chē)

XY方向定位和天車(chē)操作室操作終端等模塊。

2.1  ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)

    ZigBeec2]標(biāo)準(zhǔn)即802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是IEEE 802.15工作組為短距離低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，具有省電、可靠、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、自組網(wǎng)和安全等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee協(xié)議在各個(gè)層面上分別采用了不同的安全保障機(jī)制。在物理層上，IEEE 802.15.4協(xié)議采用了DSSS技術(shù)來(lái)抑制噪聲的干擾[3]。可通過(guò)較大帶寬信號(hào)傳輸，提高ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力，保證強(qiáng)干擾條件下信息的可靠傳輸。且Zig-Bee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

    而在天車(chē)設(shè)備上，由于天車(chē)是可移動(dòng)設(shè)備且其移動(dòng)范圍較大，在移動(dòng)距離較長(zhǎng)傳輸質(zhì)量

下降時(shí)，需要無(wú)線數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整傳輸鏈路以達(dá)到更好的傳輸效果。在廢鋼的日常配料工作中，

由于生產(chǎn)節(jié)奏較快，而且有多臺(tái)天車(chē)同時(shí)工作，因此對(duì)無(wú)線傳輸速度和傳輸鏈路的變換時(shí)間有一定的要求。ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點(diǎn)的典型網(wǎng)絡(luò)參與時(shí)間為30 ms，節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)激活進(jìn)人工作狀態(tài)的典型時(shí)延為15 ms，處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)的典型存取時(shí)間15 ms，對(duì)于最長(zhǎng)等待時(shí)間在10 ms量級(jí)以上的控制環(huán)境，ZigBee技術(shù)完全可以滿足實(shí)時(shí)性的要求f 41。

    由于整個(gè)廢鋼車(chē)間面積較大，是一個(gè)相對(duì)狹長(zhǎng)的區(qū)域，且天車(chē)移動(dòng)范圍較大，因此協(xié)調(diào)器和各個(gè)終端間的通信可能不能直接進(jìn)行，而是需要經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)無(wú)線路由器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而且由于天車(chē)在不斷移動(dòng)，其在不同的時(shí)間段內(nèi)可能通過(guò)不同的路由與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，因此本系統(tǒng)在兩個(gè)天跨之間分散安放路由器，通過(guò)ZigBee系統(tǒng)本身的自組網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)終端與協(xié)調(diào)器間的無(wú)線通信，完成整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.2主控系統(tǒng)

    主控計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)作為硬件平臺(tái)，以C#作為軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)基于Windows操作系統(tǒng)的可視化操作界面，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle系統(tǒng)。

    主控系統(tǒng)是系統(tǒng)控制核心，主要功能包括：

    (1)通過(guò)局域網(wǎng)與鋼廠二級(jí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，獲得專(zhuān)家系統(tǒng)的添加廢鋼數(shù)據(jù)，并將加料完成后的數(shù)據(jù)上傳二級(jí)網(wǎng)絡(luò)供系統(tǒng)查詢和存檔。

    (2)具有良好的操作界面，以便廢鋼操作_[下發(fā)指令和上傳數(shù)據(jù)。

    (3)在無(wú)人值守狀態(tài)下可以自動(dòng)分配加料計(jì)劃，下發(fā)加料指令。

    (4)可以由廢鋼操作工對(duì)每個(gè)料倉(cāng)或某個(gè)料倉(cāng)內(nèi)指定區(qū)域堆放廢鋼種類(lèi)進(jìn)行定義。

    (5)對(duì)每臺(tái)天車(chē)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，由X、Y方向定位信息確認(rèn)當(dāng)前添加的廢鋼種類(lèi)并將由天車(chē)稱稱重得到的廢鋼重量與已加入料斗廢鋼重量累加。

    (6)通過(guò)RS232總線和ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，獲得天車(chē)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3定位系統(tǒng)

    天車(chē)x方向的定位是指沿天車(chē)運(yùn)動(dòng)方向定位，通過(guò)X方向定位可以獲得當(dāng)前天車(chē)移動(dòng)至某個(gè)料倉(cāng)內(nèi)的信息。而天車(chē)y方向定位是指天車(chē)上小車(chē)移動(dòng)位置，它和X方向垂直，通過(guò)y方向定位可以獲得當(dāng)前天車(chē)在某個(gè)料倉(cāng)內(nèi)的縱向坐標(biāo)，從而獲得添加料的具體位置。定位系統(tǒng)由X、y方向定位采集器和X、y方向定位信標(biāo)構(gòu)成[5]。

2.4  天車(chē)操作室操作終端

    天車(chē)操作室操作終端是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分，它是以ARM為硬件平臺(tái)，以Linux嵌入式系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，其功能包括：

    (1)顯示當(dāng)前加料指令信息、加料計(jì)劃表、實(shí)際加料情況、實(shí)際加料的種類(lèi)和位置信息。

    (2)通過(guò)RS485和無(wú)線終端進(jìn)行通信，由無(wú)線終端將加料數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制計(jì)算機(jī)并獲得相關(guān)指令和數(shù)據(jù)信息。

    (3)由相關(guān)鍵盤(pán)操作獲得天車(chē)操作工的確認(rèn)信息。

    (4)通過(guò)天車(chē)電磁吸盤(pán)的輔助接點(diǎn)獲得當(dāng)前吸盤(pán)加電和斷電情況，從而獲得當(dāng)前廢鋼加

料過(guò)程的廢鋼種類(lèi)和添加料倉(cāng)位置。

    (5)通過(guò)對(duì)行車(chē)加料重量信息處理獲得較為準(zhǔn)確的重量。

2.5  天車(chē)加料重量處理

    為了獲得穩(wěn)定可靠的廢鋼重量，在實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)電磁吸盤(pán)從通電到斷電整個(gè)過(guò)程的重量曲線（如圖3所示）進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)。該曲線共分為5個(gè)階段，其中AB階段為初始吸盤(pán)上升階段，天車(chē)稱所表現(xiàn)的廢鋼重量值為：廢鋼重力+上升加速度產(chǎn)生的力+吸盤(pán)與地面廢鋼吸力的合力；BC階段為吸盤(pán)上升較高時(shí)吸力較小可以忽略，上升處于降速過(guò)程階段，廢鋼重量值表現(xiàn)為：廢鋼重力一上升負(fù)加速度產(chǎn)生的力的合力：CD階段為吸盤(pán)不再升降而天車(chē)平移階段，廢鋼重量值表現(xiàn)為：實(shí)際廢鋼重力：DE階段為吸盤(pán)加速下降階段，廢鋼重量值表現(xiàn)為：廢鋼重力一下降加速度產(chǎn)生的合力；EF階段為吸盤(pán)降至料倉(cāng)上方，減速下降階段，廢鋼重量值表現(xiàn)為：廢鋼重量+下降負(fù)加速度產(chǎn)生的力+吸盤(pán)與廢鋼料斗產(chǎn)生的吸引力的合力。通過(guò)對(duì)整個(gè)天車(chē)加料過(guò)程重量的密集采樣，獲得平穩(wěn)階段廢鋼重量值，對(duì)這些值進(jìn)行平滑處理獲得一個(gè)準(zhǔn)確的廢鋼重量。

3  系統(tǒng)測(cè)試、應(yīng)用及效益

    為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)與可靠性，X、l，方向定位的準(zhǔn)確性和主控軟件需滿足實(shí)際操作需求。在系統(tǒng)測(cè)試階段，無(wú)線方面主要進(jìn)行了數(shù)據(jù)集中下發(fā)，定位數(shù)據(jù)快速上傳以及對(duì)各個(gè)無(wú)線點(diǎn)故障診斷測(cè)試。經(jīng)檢驗(yàn)無(wú)線傳輸最大數(shù)據(jù)延時(shí)約1 s．無(wú)線傳輸?shù)膯未慰墒盏綌?shù)據(jù)為80%，經(jīng)重發(fā)校驗(yàn)后數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)99.9%。該系統(tǒng)已實(shí)際運(yùn)行近5年，無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)和可靠性均經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。X、y方向定位誤差約在0.5 m以下，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。主控軟件也是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，在測(cè)試階段結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況和操作T的知識(shí)，使界面更加簡(jiǎn)單、操作更加方便，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的磨合，工人操作起來(lái)更加得心應(yīng)手。

    該系統(tǒng)的最大經(jīng)濟(jì)效益在于提高了廢鋼加料的精度和煉鋼配料的科學(xué)性，同時(shí)該系統(tǒng)也

是煉鋼專(zhuān)家系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，提高了特種鋼的成品率，改變了原來(lái)煉鋼時(shí)不知達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)只有化驗(yàn)后才能確認(rèn)煉出來(lái)的鋼種的被動(dòng)局面。在該系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)天車(chē)同時(shí)

合配一爐廢鋼和一臺(tái)天車(chē)配多爐廢鋼，極大地提高了配鋼速度及配鋼合理性，滿足了生產(chǎn)的

快節(jié)奏要求。系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，有效節(jié)約了人力，原廢鋼值班室一個(gè)班至少需要三個(gè)操作工才能正常生產(chǎn)，使用本系統(tǒng)后正常情況只需要有一個(gè)值班人員就完全能滿足生產(chǎn)需求，同時(shí)也降低了對(duì)行車(chē)工的要求。

4  結(jié)束語(yǔ)

    本文根據(jù)煉鋼配料實(shí)際需求和工況完成了系統(tǒng)的主控軟件、硬件和底層軟件的設(shè)計(jì)和現(xiàn)

場(chǎng)的安裝調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)行車(chē)的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)和自組網(wǎng)、行車(chē)大小車(chē)自動(dòng)定位、廢鋼種類(lèi)自動(dòng)識(shí)別等功能，很好地滿足了實(shí)際需求。整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、操作方便等特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)際使用至今整體運(yùn)行狀況良好，已經(jīng)成為廢鋼配料不可或缺的幫手，深受使用人員好評(píng)。而且本系統(tǒng)具有較好的移植性和可擴(kuò)展性，目前該系統(tǒng)已在多家鋼廠得以推廣使用，創(chuàng)造了較好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，得到馬鋼和北京市科海龍華工業(yè)自動(dòng)化儀器有限公司的大力支持與幫助，在此深表感謝。

5摘要：

針對(duì)傳統(tǒng)煉鋼過(guò)程中廢鋼加料主要通過(guò)電話下達(dá)人工統(tǒng)計(jì)并實(shí)施，因而效率低下出錯(cuò)率高的問(wèn)題，本文采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)解決了天車(chē)移動(dòng)中無(wú)線傳輸難題，實(shí)現(xiàn)了加料的自動(dòng)化和加料后數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳．降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了煉鋼過(guò)程中的人為因素。該系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際調(diào)試并運(yùn)行后，達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.