基于RFID和WLAN的钢包自动定位调度系统

基于RFID和WLAN的钢包自动定位调度系统
陈培;方仕雄;钱王平;李奇
【摘要】设计了一种基于射频识别( RFID)和无线局域网(WLAN)技术的钢包定位和智能调度系统.系统选用了性能可靠、抗干扰性强的硬件设备,采用TCP/IP通信模式保证了数据可靠传输.利用采集的钢包信息,智能识别钢包状态,为自动化炼钢提供了可靠的数据基础.%Designed a ladle location and intelligent scheduling system based on radio frequency identification (RFID) and wireless LAN (WLAN) technology. The system chance a reliable, strong anti-interference hardware devices, using TCP/IP communication model to ensure data transmission reliably. Using the ladle information and the ladle state automatic identification, provides the automatic steeling reliable date.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2011(000)005
【总页数】4页(P46-49)
【关键词】钢包定位;射频识别;无线局域网;调度
【作者】陈培;方仕雄;钱王平;李奇
【作者单位】东南大学自动化学院,南京 210096;东南大学自动化学院,南京210096;江苏沙钢集团有限公司,江苏苏州 215625;江苏沙钢集团有限公司,江苏苏州 215625;东南大学自动化学院,南京 210096
【正文语种】中文
【中图分类】TP274+.5
0 引言
钢包作为铁水运输和钢水转运的载体，从高炉出铁到铁水装入转炉、出钢、炉外精炼和连铸，炼钢的生产工序都是由钢包有机联系起来的。

对钢包状态的动态跟踪和管理能有效地掌握炼钢生产的节奏和物流实时动态;监控钢包运转方位、重量和成
分的变化为炼钢生产自动化管理提供了必要的手段［1］。

江苏某钢厂在已有制造执行系统(MES)的情况下，由于缺少对钢包位置和吊装情况的实时跟踪，导致无法实现钢包的实时管理;钢包的行车调度作业完全采用语音对
讲和人工现场指挥的形式下发，由于现场噪音大等恶劣的工业环境，这种方式无法保证信息传送及时和准确无误;在钢包吊装过程中行车工有时也会将目标转炉搞错，并且在钢包吊装完成之后，由于吊装结果采取人工记录上传，导致库存信息严重滞后，影响管理效率。

该文设计了一种基于射频识别和无线局域网技术的钢包定位和智能调度系统，解决了上述传输效率低、可靠性差等问题，从而能够为自动化炼钢提供可靠的基础数据。

1 钢包定位系统结构
钢包运送轨道布局情况如图1所示，包括了3台(4、8、9号)运送钢水的行车和2台(10、11号)运送废钢的行车，每台行车上设置车载计算机终端，地面上有3个
炼钢转炉。

图1 某钢厂炼钢车间布局
钢包无线定位系统结构如图2所示。

整个系统主要由MES服务器、主控计算机、行车终端计算机、大车读写器、小车读写器、PLC、重量传感器、电流传感器组成。

其中MES服务器管理整个钢包生产线的数据库;主控计算机负责监控整个钢包生产线;行车终端计算机负责与主控计算机通信，接收和发送信息;大车、小车读卡器负
责阅读标签位置信息;PLC负责采集钢包重量、电机电流并向主控计算机发送。

图2 钢包无线定位系统结构图
在该系统中，主控计算机读取MES数据库任务信息，包括任务号、物料种类等，发送给行车终端计算机。

行车工执行相应操作，行车终端电脑通过RFID读卡器采集到行车的位置信息，通过重量和电流传感器得到钢包的重量信息，通过智能分析自动判别出是在几号转炉发生了怎样的操作，并发送给主控计算机，保存于MES 数据库中。

2 系统硬件设计
2.1 行车定位模块
根据钢包定位系统设计的需求和特点，系统采用射频识别(RFID)对钢包进行定位。

RFID定位技术具有绝对编码、抗干扰性强、系统稳定性好等特点。

RFID技术是利用无线射频方式进行通信从而实现数据交互。

典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、天线、RFID中间件和应用系统软件4部分组成。

其中读写器在RFID系统中扮演着重要的角色，读写器主要负责与电子标签的双向通信;电子标签是由IC芯片和无线通信天线组成的微型小标签，其内置的射频天线用于和读写器进行通信;典型的电子标签是无源标签，即电子标签内不含电池，电子标签工作所需的能量是由读写器产生的射频载波提供的。

典型的RFID系统结构如图3所示。

图3 RFID系统结构图
RFID的基本工作流程:读写器内部自发产生一个载波信号，该信号经过读写器的发射天线向外发射，当电子标签进入读写器所发射的电磁波的有效覆盖区域内时，电子标签被激活。

标签凭借电磁/电感感应电流所获得的能量将储存在芯片中的自身编码信息通过发送天线发送。

读写器接收到标签发送来的载波信号后，经天线调节器传送给读写器，读写器对接收信号进行解调和译码后，经RS485等总线协议传
送给上位机。

RFID读写器采用RF2300系列读写器，工作频率为902～928 MHz，属于超高频范围［2］。

在该频率下近场范围约为6 cm，读卡器与标签距离约为15 cm，所
以读写器工作在远场区，即辐射场区［3］。

读写器硬件设计采用电路板与天线分离的方式，可以保护电路板免受现场环境的意外损坏。

由于天线体积较小，安装时占据的空间也较小，便于安装。

电子标签采用无源标签。

无线接口标准采用最新的 ISO/IEC18000 －6C［4］标准，可以快速的进行标签读写。

每个标签都有惟一的一个标签ID，对应于行车轨道上
的固定位置，起到地址映射的作用。

系统也对行车运行在各种不同速度下的读卡成功率进行了测试，在行车最高行驶速度2 m/s的情况下，也能实现将近100%的
读卡成功率。

在系统设计中，标签的安装方式和位置也尤为重要，钢厂环境中钢铁对电磁场的影响比较大，而且由于标签是安装在大梁上，安装也极其不方便，系统设计了一种利用PVC材料做底板，便于安装的插卡安装方式，见图4。

图4 标签安装方式
2.2 无线传输模块
目前工业无线通信解决方案主要有Bluetooth、ZigBee、数传电台、移动通信网
络的GSM/GPRS以及WLAN等技术，结合系统的实际需求，分析各种技术的优劣，系统采用专用的WLAN作为无线传输模块。

该设备的特点是数据传输距离远，准确率高，可长时间稳定运行。

为该系统专门定制的全向天线能保证数据的发送不受行车方位的限制。

2.3 数据采集模块
由于行车上震动，各类信号干扰比较大，对于模拟量的采集设备，选用了西门子公司的S7－200 PLC。

由于需要采集2路模拟量信号，所以该机型选择了CPU－
224XP。

特点是抗干扰性强，能长期稳定工作，实时采集和发送数据。

3 系统软件设计
3.1 主控计算机与行车终端计算机通信
主控计算机和行车终端计算机采用TCP/IP无线通信协议。

至于应用层协议的软件开发则采用Windows Sockets技术和多线程技术，采用面向对象的设计方式实现，方便软件的移植和维护。

系统两端分为服务器端和客户端，它们之间的通信采用固定的数据包格式。

如表1所示。

表1 通信数据包格式WORD 2编号名称数据内容数据类型长度1 pkgID 数据
包编号 WORD 2 2 type 数据包类型 WORD 2 3 cmd 命令控制字 WORD 2 4 length 数据长度 WORD 2 5 oriAddr 发送端地址 DWORD 4 6 destAddr 目的端地址 DWORD 4 7 reserved 保留字节 BYTE［24］24 8 data 数据内容 BYTE ［982］982 9 eob 结束符
3.2 行车与读卡器通信
在该系统中，读写器以连续主动的模式工作，通过RS485协议与行车电脑进行通信，读写器读到一个标签后，主动将数据按照特定格式发往平板电脑。

数据包格式如表2所示。

表2 行车与读卡器通信数据包格式eckSum BootCode Length Comman Address Return Data Ch
BootCode:引导位，1个字节，命令正确执行后，返回F0H，否则返回F4H Length:包有效长度位，1个字节，该长度为后4部分字节数
Comman:命令码，1个字节，表示返回包是对该命令的响应
Address:地址码，1个字节，返回读写器地址信息
Return Data:返回数据，返回命令执行结果，其长度随命令而变化，该系统为8
个字节
CheckSum:校验和，1个字节，为从引导码(BootCode)开始到返回数据(ReturnData)全部字节的总和、丢弃进位后的字节补码。

3.3 软件实现流程
如图5所示，在转炉主控计算机获取到任务信息后发送给行车终端，行车终端根
据任务信息进行钢包吊运，钢包定位系统根据RFID读取到的标签位置，自动判别出吊运钢包的行车运行到哪个炉号，并结合称重数据自动判别出行车作业类型。

任务完成后，行车终端将作业号、炉号、作业信息、位置、毛重等发送给主控计算机，再将数据保存于MES数据库中。

MES数据库再对这些数据进行分析，为后续的自动化炼钢提供信息基础。

钢包准确定位界面如图6所示。

图5 系统流程图
图6 钢包自动定位界面
4 系统功能
4.1 功能实现
系统实现了以下几个功能:
1)铁水、钢水包包号跟踪。

通过包号、行车X轴坐标、Y轴坐标确定钢包的位置信息。

2)铁水包调度跟踪。

通过对铁水包号操作跟踪，实时确定装入到每个转炉的铁水重量、成分等参数，发送给主控计算机。

3)转炉拼炉参数跟踪。

通过对铁水包重量和废钢重量的跟踪，确定对应转炉里铁水和废钢的比例。

4)钢水包调度过程跟踪。

跟踪转炉炼钢、吹氩、精炼、连铸流程。

5)实时更新库区内等待钢包和参与作业的钢包。

4.2 操作实现
钢包操作主要有以下几种:
1)从等待区吊起钢包。

吊起的钢包为进入库区参与炼钢的钢包，在系统界面中从等待区将此钢包清除。

2)铁水装入转炉。

铁水包在转炉位置停下，铁水包重量减少，则可以判断该铁水包对某转炉加入的铁水量。

3)转炉出钢。

钢包在转炉位置停下，钢包重量增加，则可以判断该钢包从某转炉取得的钢水量。

4)钢包吹氩。

钢包进入吹氩位置停留一段时间后离开吹氩位置。

5)钢包精炼。

钢包进入精炼位置停留一段时间后离开精炼位置。

6)钢包连铸。

钢包进入连铸位置停留一段时间后离开，钢包重量减少说明参与了连铸。

7)钢包回炉。

钢包进入连铸位置后离开，钢包中还有剩余钢水，并重新回到转炉位置停下，使钢包重量减少至空包重量。

4.3 系统特点
基于RFID和WLAN的钢包定位系统具有以下特点:①具有实时性，通过RFID的
定位跟踪，可以实时的反应库区内钢包位置。

②稳定性好，由于标签是无源器件，本身不散热，在高温的钢铁环境中不易损坏。

③扩展性强，系统基于模块化思想设计，将钢包定位这一复杂系统分成了几个子系统，便于后期的更新和维护。

5 结束语
该定位系统针对转炉炼钢定位的要求设定，采用RFID和WLAN技术，可以实时、动态地跟踪钢包信息，掌握炼钢库区的生产信息，为管理整个炼钢流程提供决策依据，提升炼钢车间的自动化程度。

目前，该方案正在江苏某大型钢厂中实施，有一定的通用性，可让大型钢厂以及其他冶金行业参考。

参考文献:
［1］闵义，刘承军，史培阳，等.转炉炼钢过程的分析［J］.炼钢，2010，
26(2):26 －28.
［2］G D Vita，G Iannaccone.Design criteria for the RF section of UHF and microwave passive RFID transponders［J］.IEEE Trans，Microware Theory Tech，2005，33(9):2979－2990.
［3］张智文.射频识别技术理论与实践［M］.北京:中国科学技术出版社，2008:31.
［4］ISO Standard 18000 －rmation technology-radio-frequency identification for item management-Parameters for air interface communications at 2.45 GHz［S］.2005.
［5］程玉华.西门子S7－200工程应用实例分析［M］.北京:电子工业出版社，2008:18－22.。