鋼鐵行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制造流程涵蓋焦化、燒結(jié)、冶煉、軋制等多道工序，其原料、輔料、半成品、產(chǎn)品、工業(yè)廢物吞吐量大，物流環(huán)節(jié)占用了大量的資金和時(shí)間。因此，各鋼鐵企業(yè)紛紛把物資計(jì)量管理作為提高企業(yè)管理水平、增加效益的重要基礎(chǔ)工作之一。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件開發(fā)、視頻處理、傳感器等技術(shù)的迅速發(fā)展，各鋼鐵企業(yè)紛紛加大計(jì)量方面的資金投入，將原有現(xiàn)場(chǎng)值守式的計(jì)量模式升級(jí)為遠(yuǎn)程集中式計(jì)量模式[1,2,3]。隨著企業(yè)產(chǎn)量的不斷提升，物資計(jì)量數(shù)量也不斷增長(zhǎng)，同時(shí)人員老化問題進(jìn)一步突出，如何進(jìn)一步提高計(jì)量過程的效率和準(zhǔn)確性成為企業(yè)的又一新課題[4]。

近年來，IT技術(shù)處于加速發(fā)展和跨界融合的爆發(fā)期，兩化融合管理體系、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[5,6,7]平臺(tái)等一系列指導(dǎo)思想促使以信息技術(shù)為核心的技術(shù)創(chuàng)新不斷出現(xiàn)。本文以此為契機(jī)，構(gòu)建了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新模式的汽車衡智能計(jì)量系統(tǒng)，并成功地在湖北新冶鋼進(jìn)行了實(shí)施和應(yīng)用。

遵循工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工廠外部網(wǎng)絡(luò)連接的原則，本系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)與外部企業(yè)進(jìn)行信息傳遞。由于外部企業(yè)的信息化水平參差不齊，因此系統(tǒng)提供了微信小程序[8]、Web頁(yè)面和Web API接口3種方式供外部企業(yè)靈活進(jìn)行計(jì)量預(yù)約。當(dāng)企業(yè)預(yù)約完成后司機(jī)就可進(jìn)行確認(rèn)，司機(jī)計(jì)量時(shí)只需將確認(rèn)時(shí)生成的二維碼提供給自動(dòng)計(jì)量終端掃描就可快速完成計(jì)量過程。由此減少計(jì)量過程中司機(jī)與計(jì)量系統(tǒng)和計(jì)量員的口頭交互，有效提高了計(jì)量過程的效率和準(zhǔn)確性[3]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)與物理系統(tǒng)的連接，在本系統(tǒng)中為了能夠感知汽車衡的實(shí)時(shí)物理狀態(tài)并進(jìn)行反饋控制，系統(tǒng)將車牌識(shí)別[9]、RFID、各種傳感器的狀態(tài)集中映射到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。在計(jì)量過程中，計(jì)量終端只需讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)就能獲取汽車衡的所有狀態(tài)，不必逐一讀取汽車衡不同傳感器器狀態(tài)，因而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)訪問過程。而反饋控制指令則直接通過工控協(xié)議下發(fā)到PLC[10]執(zhí)行。

在鋼鐵企業(yè)中，汽車衡計(jì)量的物資類型一般分為3大類:采購(gòu)物資計(jì)量、內(nèi)部轉(zhuǎn)移物資計(jì)量、銷售物資計(jì)量。企業(yè)實(shí)際計(jì)量過程中又可把3種類型進(jìn)一步細(xì)分為14個(gè)小類。系統(tǒng)按不同小類用明確的規(guī)則加以區(qū)分，同時(shí)將規(guī)則進(jìn)行代碼化便于計(jì)算機(jī)識(shí)別。在計(jì)量時(shí)，計(jì)量終端查詢到司機(jī)確認(rèn)信息和汽車衡狀態(tài)后，能夠依據(jù)相應(yīng)屬性自動(dòng)確定計(jì)量業(yè)務(wù)類型對(duì)應(yīng)的規(guī)則并自動(dòng)完成計(jì)量，計(jì)量員不用進(jìn)行任何操作操作。

為了達(dá)到系統(tǒng)無人操作的智能化計(jì)量目標(biāo)，本系統(tǒng)在原來的遠(yuǎn)程集中計(jì)量的功能上增加了Web計(jì)量預(yù)約、微信小程序計(jì)量預(yù)約、Web API接口預(yù)約、司機(jī)確認(rèn)、自助取碼、計(jì)量終端自動(dòng)計(jì)量、汽車衡狀態(tài)采集及控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等關(guān)鍵功能。

本系統(tǒng)的服務(wù)器和存儲(chǔ)資源采用私有云方式部署，系統(tǒng)資源可根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行靈活分配。系統(tǒng)總體拓?fù)淙鐖D1所示。為了保障計(jì)量系統(tǒng)的安全性，本系統(tǒng)建立了獨(dú)立的計(jì)量?jī)?nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過兩層防火墻與辦公網(wǎng)和公網(wǎng)連接，能有效控制網(wǎng)絡(luò)訪問，保證系統(tǒng)的信息安全。

在計(jì)量網(wǎng)內(nèi),應(yīng)用網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)應(yīng)用負(fù)載均衡和API管理;應(yīng)用服務(wù)器采用集群方式部署,除負(fù)責(zé)系統(tǒng)中間層業(yè)務(wù)邏輯處理外,還承擔(dān)與外部系統(tǒng)進(jìn)行接口數(shù)據(jù)交換的工作;數(shù)據(jù)采集服務(wù)器負(fù)責(zé)底層傳感器的數(shù)據(jù)采集[4]處理及控制設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù);數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器使用Oracle 11g,用于存儲(chǔ)計(jì)量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);文件服務(wù)器用于文件存儲(chǔ)與檢索;計(jì)量終端是本系統(tǒng)的核心,除了自動(dòng)保存計(jì)量結(jié)果外,還通過PLC完成汽車衡所屬的道閘升降、紅綠燈切換以及視頻和圖片的抓拍。通過應(yīng)用網(wǎng)關(guān)作反向代理,在提供服務(wù)器時(shí)不對(duì)外暴露計(jì)量網(wǎng)服務(wù)器,提高了計(jì)量系統(tǒng)的安全性。

圖2展示了計(jì)量終端與外圍系統(tǒng)的關(guān)系。自動(dòng)計(jì)量終端讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取汽車衡狀態(tài)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)同步汽車衡中稱重儀表、車牌識(shí)別、道閘、紅外對(duì)射、RFID采集器等反映車輛狀態(tài)的映射值。當(dāng)計(jì)量終端讀取到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的車牌號(hào)信息后，立即查詢計(jì)量系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)獲取該車的業(yè)務(wù)信息和歷史信息用來確認(rèn)業(yè)務(wù)類型，當(dāng)汽車衡狀態(tài)滿足計(jì)量要求時(shí)，計(jì)量終端自動(dòng)保存計(jì)量信息。

自動(dòng)計(jì)量終端處理流程見圖3，主要如下:

(1)汽車衡狀態(tài)自檢并初始化，完成后紅綠燈變?yōu)榫G色，同時(shí)道閘打開，允許車輛上秤計(jì)量;

(2)監(jiān)測(cè)稱重儀表質(zhì)量數(shù)據(jù)，持續(xù)大于零點(diǎn)值(800 kg)時(shí)判斷為汽車上秤，紅綠燈變?yōu)榧t色，不允許其他車輛上秤;

(3)紅外對(duì)射判斷車輛是否正確停在秤體內(nèi)，若沒有，則提示車輛壓線，不允許計(jì)量;

(4)停車位置檢查完成后，道閘關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別車號(hào)，為防止作弊，系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別的車號(hào)檢查是否與司機(jī)掃碼預(yù)約的業(yè)務(wù)信息匹配。當(dāng)兩者匹配且稱重儀表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后自動(dòng)保存數(shù)據(jù);

(5)若計(jì)量過程出現(xiàn)異常，則計(jì)量員可切換到遠(yuǎn)程計(jì)量模式，司機(jī)也可通過現(xiàn)場(chǎng)求助按鈕主動(dòng)切換到遠(yuǎn)程計(jì)量模式，由計(jì)量人員遠(yuǎn)程計(jì)量;

(6)計(jì)量數(shù)據(jù)保存的同時(shí)，自動(dòng)抓拍車前、車后、車廂視頻;

(7)計(jì)量結(jié)束時(shí)，語(yǔ)音提示計(jì)量完成，顯示計(jì)量結(jié)果，打印磅單，同時(shí)將下秤道閘打開;

(8)汽車下秤，儀表質(zhì)量數(shù)據(jù)小于零點(diǎn)值(800 kg)時(shí)，秤體的紅綠燈變?yōu)榫G燈，同時(shí)將上秤道閘打開、下秤道閘落下。

在系統(tǒng)中，汽車衡的現(xiàn)場(chǎng)控制使用西門子Simatic S7-1200系列PLC，為便于異常情況遠(yuǎn)程接管和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，PLC控制系統(tǒng)提供自動(dòng)、遠(yuǎn)控和手動(dòng)3種控制模式。自動(dòng)控制模式下PLC系統(tǒng)和自動(dòng)計(jì)量終端配合，可實(shí)現(xiàn)計(jì)量過程的全自動(dòng)化。自動(dòng)控制模式下主要控制邏輯如下。

(1)斷網(wǎng)判斷:計(jì)量終端每隔2 s向PLC寫入“1234”,PLC每隔2 s不停用“4321”覆蓋此值，當(dāng)PLC判斷此值不等于“1234”時(shí)，啟動(dòng)斷網(wǎng)計(jì)時(shí)，若計(jì)時(shí)超過20 s，則PLC判定斷網(wǎng)或計(jì)量終端死機(jī);此時(shí)PLC將自動(dòng)控制模式切換為手動(dòng)控制模式，同時(shí)控制道閘和紅綠燈為初始狀態(tài)(道閘抬桿，紅綠燈變?yōu)榧t燈)，以免影響過磅。計(jì)量終端也通過查詢字段值判斷斷網(wǎng)情況，若字段值超過20 s保持“1234”沒有變化，則認(rèn)為與PLC間的網(wǎng)絡(luò)中斷，此時(shí)采集到的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無效。

(2)紅綠燈控制:若PLC根據(jù)質(zhì)量判斷秤上有車，則控制紅燈亮，否則綠燈亮。

(3)道閘控制:正常時(shí)道閘抬桿，等候車輛上秤，PLC根據(jù)質(zhì)量變化判斷車輛上秤后，控制秤體兩側(cè)道閘落桿;計(jì)量完成后，HMI向PLC下發(fā)計(jì)量完成信號(hào)，PLC控制道閘抬桿，放車輛下秤。

除此之外，PLC控制系統(tǒng)還包含白天夜晚判斷、拍照觸發(fā)、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、異常數(shù)據(jù)報(bào)警等輔助功能，共同實(shí)現(xiàn)計(jì)量過程的自動(dòng)化。

供應(yīng)商和司機(jī)預(yù)約配車功能可通過使用前后端分離方式開發(fā)Web網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)，不需安裝客戶端，方便供應(yīng)商在公網(wǎng)使用。如圖4所示，通過Web網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)了采購(gòu)進(jìn)場(chǎng)、退貨預(yù)約，副產(chǎn)品出場(chǎng)、退貨預(yù)約和計(jì)量實(shí)績(jī)查詢功能。

供應(yīng)商和司機(jī)預(yù)約配車功能還可通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)，如圖5所示。供應(yīng)商選擇檢斤通知單，輸入送貨車輛的車牌號(hào)、司機(jī)身份證號(hào)、司機(jī)手機(jī)號(hào)、到貨量，形成進(jìn)廠預(yù)約信息，實(shí)現(xiàn)配車功能，極大提高了計(jì)量配車的便利性;另外還可查詢自己的計(jì)量實(shí)績(jī)，了解實(shí)際計(jì)量情況。司機(jī)每次送貨前，進(jìn)行配車預(yù)約操作，生成進(jìn)廠預(yù)約信息二維碼，實(shí)現(xiàn)掃碼過磅。為保護(hù)商業(yè)信息，系統(tǒng)限制了供應(yīng)商和司機(jī)的查看權(quán)限，都只能查詢和操作自己的檢斤通知單和預(yù)約信息。

除Web網(wǎng)頁(yè)和微信小程序外，系統(tǒng)還提供Web API供外部使用。Web API請(qǐng)求方式為WebService或http post方式;API接口采取JSON格式傳輸數(shù)據(jù);在調(diào)用API前要通過身份認(rèn)證獲取令牌(token)，以便識(shí)別接口身份。

自動(dòng)計(jì)量程序提供了豐富的語(yǔ)音提示與文字信息提示，并對(duì)司機(jī)當(dāng)前的物資信息進(jìn)行顯示，讓司機(jī)可以自己確認(rèn)信息的正確性。

采購(gòu)物資和外銷物資進(jìn)出廠采用掃碼計(jì)量模式，計(jì)量時(shí)司機(jī)在自動(dòng)終端掃描二維碼后確認(rèn)檢斤通知單、車號(hào)、稱重等信息，點(diǎn)擊稱重保存按鈕后計(jì)量終端自動(dòng)保存計(jì)量結(jié)果;內(nèi)倒物資計(jì)量需要司機(jī)錄入計(jì)量業(yè)務(wù)號(hào)，然后確認(rèn)收貨單位、發(fā)貨單位、車號(hào)、物資名稱、裝卸船、質(zhì)量等信息并點(diǎn)擊稱重保存按鈕進(jìn)行計(jì)量結(jié)果的自動(dòng)保存。計(jì)量終端上還提供了“現(xiàn)場(chǎng)求助”功能，司機(jī)無法操作時(shí)可求助計(jì)量大廳，完成遠(yuǎn)程人工過磅。

在自動(dòng)計(jì)量終端上還實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)判斷毛重與皮重、錄像拍照、質(zhì)量曲線保存、紅綠燈上下秤指揮、LED屏顯示、語(yǔ)音操作提示、二維碼識(shí)別、RFID卡車號(hào)識(shí)別、視頻車號(hào)自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)計(jì)量、計(jì)量模式切換、防作弊、異常處理等功能。

在計(jì)量過程中，計(jì)量人員雖然不需要參與計(jì)量過程，但還是需要對(duì)計(jì)量過程進(jìn)行監(jiān)督，在出現(xiàn)設(shè)備異常、信息錯(cuò)誤或司機(jī)有違規(guī)行為時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并干預(yù)計(jì)量過程。

如圖6所示，通過計(jì)量監(jiān)控功能，可以遠(yuǎn)程控制道閘、紅綠燈、照明燈等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的過磅情況進(jìn)行顯示。同時(shí)提供了IP語(yǔ)音通話功能，計(jì)量員可以與現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行通話，了解司機(jī)過磅情況。監(jiān)控界面還有遠(yuǎn)程計(jì)量與自助計(jì)量切換功能，計(jì)量員可以選擇人工過磅或者司機(jī)自助過磅。除此之外，監(jiān)控功能還提供了計(jì)量數(shù)據(jù)查詢、進(jìn)廠與裝車信息查詢、終端操作日志查詢、內(nèi)倒業(yè)務(wù)管理等功能。

本文針對(duì)企業(yè)物資計(jì)量不斷增長(zhǎng)和人員老化問題，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將原有遠(yuǎn)程集中式計(jì)量模式升級(jí)為無人操作的智能計(jì)量新模式。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將企業(yè)外部的供應(yīng)商、物流公司、客戶、司機(jī)等信息進(jìn)行了集成;通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)底層物理設(shè)備的狀態(tài)采集和反饋控制;此外還對(duì)計(jì)量業(yè)務(wù)規(guī)則進(jìn)行提取和代碼化，使計(jì)算機(jī)能夠代替人完成重復(fù)而繁瑣的工作。

系統(tǒng)于2018年10月上線以來，運(yùn)行可靠，效果顯著，主要相關(guān)指標(biāo)改善情況如下:(1)實(shí)現(xiàn)汽車衡智能化無人計(jì)量，系統(tǒng)上線前每班需要安排2人負(fù)責(zé)汽車衡遠(yuǎn)程計(jì)量，系統(tǒng)上線后每班只需安排1人監(jiān)控自動(dòng)計(jì)量即可，累計(jì)優(yōu)化崗位4人，優(yōu)化比例50%;(2)平均每次過磅時(shí)間由43.71 s減少到28.36 s，減少了35%。系統(tǒng)投運(yùn)后取得的經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較好推廣應(yīng)用價(jià)值。