喬良穎1 黃偉2 魯靖2 陸偉2 唐正凱1 史汝川1
(1 上海交通大學感知科學與工程學院 上海,2 江蘇永鋼集團 蘇州)
摘 要:鐵鋼界面極致效率是當前鋼鐵行業特殊環境下,企業降本增效的有效途徑,鐵水包的智能調度是節約鐵水溫降并提高鐵包周轉率的關鍵技術,其依賴于先進的感知技術來獲取信息,而識別跟蹤定位技術最為核心。鐵水包表面溫度高、鋼渣散落,在惡劣的環境下長期可靠的識別定位是技術難點。本文研究設計了基于電磁微聲(Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA)技術的壓電微聲芯片,最高工作溫度達到450℃;基于復合耐高溫材料封裝的微聲標識器,可耐受1200℃的鋼水噴濺;可遠距離穩定發射和采集信號的抗干擾雷達;可耐受高溫的雷達天線。本技術在江蘇永聯鋼鐵進行了實際應用,驗證了基于EMMA的識別跟蹤定位技術具有長期免維護的顯著優勢。技術解決了鐵鋼界面鐵水包識別跟蹤的難題,已經在全國16家鋼鐵企業應用,助力鐵鋼界面極致效率。
關鍵詞:鐵鋼界面;鐵水包識別跟蹤;電磁微聲技術;智能制造
1 前言
在當前鋼鐵環境下行的大環境下,各大鋼鐵企業采取各種技術手段降本增效,提高企業競爭力。隨著國家大力推進“新型工業化體系”,智能制造、機器人、人工智能、5G等新興技術應用到冶金流程工程,在熱軋、冷軋等后端流程工序成功應用并產生顯著生產效益[1-2],其中,鐵鋼界面的智能調度,是企業實現千萬級降本的有效途徑。鐵水包作為煉鐵-煉鋼“界面技術”的核心裝備[3-7],承載著鐵水串聯在高爐、地磅、脫硫、轉爐等多個工序。該系統可以達到降低鐵水過程溫降、提高鐵包周轉率、提高鐵包使用效率、降低運輸生產成本、穩定入爐鐵水溫度、鐵包狀態監控,實現精益安全生產。鐵包的識別跟蹤技術是鐵包智能化的核心基礎感知技術,是上述“界面技術”實現的硬件基礎。
傳統鐵包識別跟蹤的方法是依靠肉眼觀察記錄鐵包表面噴涂的號碼,手動記錄鐵包周轉信息,這導致鐵包信息匹配易出錯、周轉時間長、鋼水溫降大等問題。如圖1所示,鐵包表面溫度較高,局部高溫區域達到350℃,這為技術上實現識別跟蹤定位帶來了難題。行業內進行過很多嘗試,包括圖像識別和RFID技術。圖像識別方案基于工業相機[8],通過圖像處理算法識別鐵包表面噴涂的包號,該方案具有硬件成本低、監控識別一體的優勢。然而在惡劣的煉鋼煉鐵環境中,強光、金屬反射、粉塵、振動等因素干擾相機成像質量,包號遭受鋼渣覆蓋遮擋,需要定期維護鐵包號碼的清楚、相機鏡頭的清潔,其次大雨、大霧等惡劣環境也影響相機成像,系統實現高識別率、純無人化還有較大的技術挑戰。另外一種方案為基于半導體的RFID技術方案[9],通過隔熱材料保護RFID芯片,設計散熱結構,減緩溫度傳遞到芯片,提高芯片高溫下的壽命。常規的RFID芯片工作溫度上限為125℃,若芯片長期超過200℃會發生電子逃逸等現象,導致芯片不可逆的損壞。因此基于半導體RFID的技術可短期解決鐵包包號識別,具有成本低的優點,但是標簽高溫下的損壞率較高,后續更換損壞標簽的維護成本較高。
鐵包精準識別跟蹤是鐵水智慧調度的必備信息感知技術之一,如出現鐵包定位跟蹤信息的丟失或誤判,將會出現鐵包生產物流信息不暢、甚至導致澆錯鋼水等嚴重后果。因此,鐵包定位跟蹤技術的識別率須達到100%,且要求長期穩定并免維護。
圖1 (a)煉鋼廠內鐵包,(b)紅外成像的鐵包表面溫度
鑒于以上工業環境和技術需求,本文提出電磁微聲(Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA)技術方案,雷達發射電磁波,經微聲芯片轉換為聲波,再轉為電磁波回傳信息。該技術的核心微聲芯片,是一種制備在壓電單晶上的微機電系統,從本質上具有耐高溫工作的特點,采用硅酸鎵鑭等特種單晶制備,最高工作溫度可達1200℃。EMMA技術適用于高溫熔融金屬表面高溫的工作環境,是高溫熔融金屬識別率實現100%的最有可能的路線之一。目前,EMMA技術已經被國際公認為最適合惡劣工業環境中高溫設備的識別感知技術之一,該技術應用于鋼鐵包識別已經被西門子、CTR等公司報道應用[10, 11]。
2 電磁微聲技術
2.1 工作原理
電磁微聲(EMMA)技術的工作原理如圖2所示,雷達發射一段查詢脈沖電磁波信號,微聲芯片收到電磁脈沖之后,可將微弱的電磁脈沖信號轉化為聲表面波,并在基片上傳播。此時微聲芯片即已經工作,其反射攜帶編碼信息的回波,經雷達天線接收并解碼,得到微聲芯片的 ID 信息或者傳感信息。
圖2 電磁微聲技術的工作原理
系統主要由微聲標識器、雷達以及天線組成。其中,微聲標識器內的芯片是基于壓電材料制作而成,具有耐高溫、純無源、信號穿透能力強、抗干擾能力強、具備溫度傳感功能等優點,非常適用于特殊惡劣環境下的識別。微聲芯片主要由天線、叉指換能器、反射柵、壓電基片構成,其中天線與叉指換能器直接相連,反射柵按照一定的編碼規律放置在壓電基片上,壓電基片一般由壓電材料制備而成,如鈮酸鋰、石英、硅酸鎵鑭等。天線主要用于發射和接收高頻電磁波信號;叉指換能器是一種換能元件,由于逆壓電效應可激發出聲表面波,主要用于實現電信號與聲表面波信號的能量轉化;反射柵用于反射和透射聲表面波。
針對高溫熔融金屬識別的應用,電磁微聲技術的特點為:1、使用壽命長,長期免維護。與IC標簽不同,微聲標識器所采用的是壓電材料,不包含任何電子元器件,因此使用壽命可以遠超過IC標簽,非常適合設備常年免維護的應用需求。2、最大工作溫度高。微聲標識器所使用的基片材料和電極,可在350℃下的高溫正常工作,配合耐高溫天線使用,可以長期工作于高溫設備表面 150℃-350℃高溫環境,特種定制的微聲芯片工作溫度可達到400℃、600℃以及1000℃。3、識別準確率高。識別空間內,雷達僅識別1個微聲標識器,在常規RFID標簽易串擾的環境下,EMMA系統僅識別信號最強的微聲標識器,具有極好的單標簽識別能力,極低的相鄰標簽的串擾影響概率。
2.2 耐高溫微聲芯片
2.2.1 微聲芯片
系統核心的微聲標識芯片為上海交通大學自主研究,通過微納加工工藝制備,如圖2所示。芯片采用多脈沖位置全反射柵編碼于2組槽位(Multi-pulse Position with All Reflectors in Two Groups MPP-ART)的編碼方案[12],基底為128°YX-LiNbO3,反射柵的金屬薄膜材料為鋁。通過矢量網絡分析儀測量的時域響應如圖5-3所示,5個脈沖分別對應編碼反射柵,峰值為-26.58 dB,-26.23 dB,-25.78 dB,-25.59 dB,-25.42 dB,該測試結果說明器件插入損耗低,反射峰信號幅度一致性好。
圖3 (a)微聲標識芯片,(b)矢量網絡分析儀測試結果
2.2.2 高溫性能測試
本文設計開發了一套自動化的高溫實驗平臺,以測試微聲芯片的最高工作溫度,如圖4所示。平臺主要功能:1、提供程控高溫烘烤的環境;2、實時測量芯片在升溫和老化過程中的溫度、器件信號幅度和時延等變化,并自動記錄數據。
圖4 (a)高溫實驗自動數據采集平臺,(b)退火和升溫階段,微聲芯片每個反射峰的損耗變化
基于該平臺開展極限耐溫試驗,驗證微聲芯片的最高工作溫度以及微聲芯片在不同溫度段的響應,馬弗爐的溫度設置從常溫升溫,執行退火過程,然后降溫到常溫,再進入升溫階段,從50℃到600℃,溫度步進間隔為50℃,每個溫度段停留1小時,確保馬弗爐內微聲芯片所處位置的溫度場穩定,數據每隔5分鐘記錄一次。
芯片樣品經過退火和升溫階段后,反射柵的損耗變化過程如圖 4(b)所示。退火階段,微聲芯片的損耗有所降低,回波幅度在退火高溫階段有所增強,這主要是由于反射柵的Al電極高溫氧化成Al2O3,導致電極更重的質量加載,增大了反射柵的反射率。升溫階段,回波的整體損耗呈現逐漸增大的趨勢,442℃以下,損耗增大并不顯著。直到506℃溫度段,損耗明顯增大,506℃下持續1小時,微聲芯片的插入損耗增大約4dB。569℃下,損耗急劇升高,1小時內器件損壞。但是損耗大幅增加,569℃時,完全沒有微聲芯片的反射回波,時域和頻域均無響應。根據頻域的測量結果,可判斷是微聲芯片的IDT斷路。上述測量結果說明制備的微聲標識芯片樣品在450℃溫度段,可較長時間工作,超過500℃,器件僅能短時間工作。
2.3 標識器封裝及雷達設計
高溫熔融金屬所處的環境惡劣,對微聲標識器天線和外殼封裝的工程設計要求極高。為確保微聲標識器可在高溫熔融金屬表面長期免維護使用,本文采用耐高溫、高增益天線,標識器封裝外殼選用航空雷達透波復合材料及涂層,可短時間耐受1200℃的鋼水。微聲標識器如圖5(a)所示。主要特點為1、天線及封裝材料長期耐受溫度達到350℃;2、天線帶寬及增益等參數的低溫度漂移,確保高溫下仍具有遠的識別距離;3、封裝具備耐受鋼水的能力,高溫熔融金屬在倒渣、精煉等工藝過程中散落的鋼水覆蓋在標識器表面后無殘留,不影響標識器工作。
圖5 (a)可耐受鋼水傾濺的微聲標識器,(b) 920MHz脈沖雷達
為了實現雷達在鋼鐵廠內惡劣環境中識別距離遠的性能,設計了自適應脈沖式雷達,如圖5(b)所示,工作頻率為920MHz,與RFID技術的工作頻段一致。雷達基于經典的軟件無線電架構,實現了相參的線性調頻和脈沖壓縮的查詢功能,可實現在工業環境中的噪聲、干擾、高溫頻偏后,遠距離識別微聲標識器。
3 實施案例及應用效果
(1)江蘇永鋼集團鐵包識別項目
2019年10月,EMMA技術應用于永鋼集團的鐵包識別跟蹤項目,實現永鋼“生產調度管理系統”。該鋼廠鐵包主要是汽車運輸,鐵包運行軌跡多變,除了對標簽有高溫的要求之外,還需識別設備無串擾、識別響應速度快。系統安裝了鐵包200個微聲標識器,雷達15臺,于2019年12月安裝調試完成,經系統校核,鐵包整體在線率達到100%,成功投入生產單位使用。目前已經開展三期,開展智慧調度系統,實現機器自學習的高效率鐵水調度策略。
圖6 鐵包EMMA標識器安裝位置
(3)火車爐下精準對位
在關鍵生產環節的關鍵位置,如高爐爐下的精準對位是一個行業難題,如圖7為對位后出鐵。EMMA技術可滿足運載鐵包的火車的精準爐下對位需求,在車架上安裝微聲定位器,高爐出鐵口下安裝雷達,如圖9所示。基于RSSI(Received Signal Strength Indication,接收信號強度)進行距離估計,用于輔助定位,提升定位精度。信號衰落模型選用對數距離模型,如(1)式所示。式中:d為移動節點和信標節點的間距;d0 為參考距離;n為信號衰減因子,表示損耗隨距離增長的速率;Xσ 是方差為σ的正態隨機分布。
EMMA火車高爐爐下對位的優勢包括可抵抗鐵水噴濺,解決了常用的格雷母線和激光等技術在高爐爐下不抗干擾的問題,可實現鐵包識別、爐下對位共用雷達,定位精度為5cm。本系統在廣西翅冀鋼鐵廠搭配紅綠燈指示實現了爐下精準對位,優化了機車調度指揮員,降本增效明顯。本系統為未來的工業無人駕駛火車提供技術基礎。
圖7 鐵包爐下對位
圖8 爐下對位安裝位置
(4)運載火車定位
在鐵鋼界面極致效率的要求下,工業運載火車有實時定位的需求。提供對工業火車的實時定位,實現智能調度對降本增效有重要意義。電磁微聲技術可應用在工業火車定位,其原理如圖9所示。將雷達安裝在列車上,天線安裝在車底,地面微聲定位器安裝在軌道上。當列車經過時,雷達讀取微聲定位器,獲取定位器ID信息,并根據回波信號特征精確解算位置信息,實現運載火車的實時可靠定位。圖10所示為電磁微聲技術運載火車定位實際應用案例的安裝示意圖。本系統也已有在鋼鐵廠實際落地案例。
圖9 電磁微聲技術運載火車定位
圖10 鐵水運載火車定位安裝位置
4 結論
本文基于電磁微聲技術實現鐵包跟蹤定位,采用微聲芯片作為核心的感知層器件,微聲芯片的工作溫度達到了450℃,定位標識器封裝可耐受1200℃的鋼渣濺落,助理冶金企業鐵鋼界面中鐵水包智能調度,實現極致效率。該技術在江蘇永鋼的實際已使用5年,驗證了電磁微聲技術為鐵鋼界面極致效率提供了可靠的感知技術。本文還介紹了本技術在火車爐下精準對位、運載火車實時定位的系統及應用案例,案例體現了技術在工業界有著廣泛的應用場景。本研究將繼續優化,實現全壽命周期100%識別率的電磁微聲技術,并繼續研究人工智能鐵水智能調度的技術實現。
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