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(xué)感知科學(xué)與工程學(xué)院  上海，2 江蘇永鋼集團(tuán)  蘇州）

摘  要：鐵鋼界面極致效率是當(dāng)前鋼鐵行業(yè)特殊環(huán)境下，企業(yè)降本增效的有效途徑，鐵水包的智能調(diào)度是節(jié)約鐵水溫降并提高鐵包周轉(zhuǎn)率的關(guān)鍵技術(shù)，其依賴于先進(jìn)的感知技術(shù)來獲取信息，而識(shí)別跟蹤定位技術(shù)最為核心。鐵水包表面溫度高、鋼渣散落，在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期可靠的識(shí)別定位是技術(shù)難點(diǎn)。本文研究設(shè)計(jì)了基于電磁微聲（Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA）技術(shù)的壓電微聲芯片，最高工作溫度達(dá)到450℃；基于復(fù)合耐高溫材料封裝的微聲標(biāo)識(shí)器，可耐受1200℃的鋼水噴濺；可遠(yuǎn)距離穩(wěn)定發(fā)射和采集信號(hào)的抗干擾雷達(dá)；可耐受高溫的雷達(dá)天線。本技術(shù)在江蘇永聯(lián)鋼鐵進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了基于EMMA的識(shí)別跟蹤定位技術(shù)具有長(zhǎng)期免維護(hù)的顯著優(yōu)勢(shì)。技術(shù)解決了鐵鋼界面鐵水包識(shí)別跟蹤的難題，已經(jīng)在全國(guó)16家鋼鐵企業(yè)應(yīng)用，助力鐵鋼界面極致效率。

關(guān)鍵詞：鐵鋼界面；鐵水包識(shí)別跟蹤；電磁微聲技術(shù)；智能制造

1 前言

在當(dāng)前鋼鐵環(huán)境下行的大環(huán)境下，各大鋼鐵企業(yè)采取各種技術(shù)手段降本增效，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著國(guó)家大力推進(jìn)“新型工業(yè)化體系”，智能制造、機(jī)器人、人工智能、5G等新興技術(shù)應(yīng)用到冶金流程工程，在熱軋、冷軋等后端流程工序成功應(yīng)用并產(chǎn)生顯著生產(chǎn)效益^[1-2]，其中，鐵鋼界面的智能調(diào)度，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)千萬級(jí)降本的有效途徑。鐵水包作為煉鐵-煉鋼“界面技術(shù)”的核心裝備^[3-7]，承載著鐵水串聯(lián)在高爐、地磅、脫硫、轉(zhuǎn)爐等多個(gè)工序。該系統(tǒng)可以達(dá)到降低鐵水過程溫降、提高鐵包周轉(zhuǎn)率、提高鐵包使用效率、降低運(yùn)輸生產(chǎn)成本、穩(wěn)定入爐鐵水溫度、鐵包狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精益安全生產(chǎn)。鐵包的識(shí)別跟蹤技術(shù)是鐵包智能化的核心基礎(chǔ)感知技術(shù)，是上述“界面技術(shù)”實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)鐵包識(shí)別跟蹤的方法是依靠肉眼觀察記錄鐵包表面噴涂的號(hào)碼，手動(dòng)記錄鐵包周轉(zhuǎn)信息，這導(dǎo)致鐵包信息匹配易出錯(cuò)、周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、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(qū)域達(dá)到350℃，這為技術(shù)上實(shí)現(xiàn)識(shí)別跟蹤定位帶來了難題。行業(yè)內(nèi)進(jìn)行過很多嘗試，包括圖像識(shí)別和RFID技術(shù)。圖像識(shí)別方案基于工業(yè)相機(jī)^[8]，通過圖像處理算法識(shí)別鐵包表面噴涂的包號(hào)，該方案具有硬件成本低、監(jiān)控識(shí)別一體的優(yōu)勢(shì)。然而在惡劣的煉鋼煉鐵環(huán)境中，強(qiáng)光、金屬反射、粉塵、振動(dòng)等因素干擾相機(jī)成像質(zhì)量，包號(hào)遭受鋼渣覆蓋遮擋，需要定期維護(hù)鐵包號(hào)碼的清楚、相機(jī)鏡頭的清潔，其次大雨、大霧等惡劣環(huán)境也影響相機(jī)成像，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高識(shí)別率、純無人化還有較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。另外一種方案為基于半導(dǎo)體的RFID技術(shù)方案^[9]，通過隔熱材料保護(hù)RFID芯片，設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，減緩溫度傳遞到芯片，提高芯片高溫下的壽命。常規(guī)的RFID芯片工作溫度上限為125℃，若芯片長(zhǎng)期超過200℃會(huì)發(fā)生電子逃逸等現(xiàn)象，導(dǎo)致芯片不可逆的損壞。因此基于半導(dǎo)體RFID的技術(shù)可短期解決鐵包包號(hào)識(shí)別，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是標(biāo)簽高溫下的損壞率較高，后續(xù)更換損壞標(biāo)簽的維護(hù)成本較高。

鐵包精準(zhǔn)識(shí)別跟蹤是鐵水智慧調(diào)度的必備信息感知技術(shù)之一，如出現(xiàn)鐵包定位跟蹤信息的丟失或誤判，將會(huì)出現(xiàn)鐵包生產(chǎn)物流信息不暢、甚至導(dǎo)致澆錯(cuò)鋼水等嚴(yán)重后果。因此，鐵包定位跟蹤技術(shù)的識(shí)別率須達(dá)到100%，且要求長(zhǎng)期穩(wěn)定并免維護(hù)。

圖1 (a)煉鋼廠內(nèi)鐵包，(b)紅外成像的鐵包表面溫度

鑒于以上工業(yè)環(huán)境和技術(shù)需求，本文提出電磁微聲（Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA）技術(shù)方案，雷達(dá)發(fā)射電磁波，經(jīng)微聲芯片轉(zhuǎn)換為聲波，再轉(zhuǎn)為電磁波回傳信息。該技術(shù)的核心微聲芯片，是一種制備在壓電單晶上的微機(jī)電系統(tǒng)，從本質(zhì)上具有耐高溫工作的特點(diǎn)，采用硅酸鎵鑭等特種單晶制備，最高工作溫度可達(dá)1200℃。EMMA技術(shù)適用于高溫熔融金屬表面高溫的工作環(huán)境，是高溫熔融金屬識(shí)別率實(shí)現(xiàn)100%的最有可能的路線之一。目前，EMMA技術(shù)已經(jīng)被國(guó)際公認(rèn)為最適合惡劣工業(yè)環(huán)境中高溫設(shè)備的識(shí)別感知技術(shù)之一，該技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵包識(shí)別已經(jīng)被西門子、CTR等公司報(bào)道應(yīng)用^{[10, 11]}。

2 電磁微聲技術(shù)

2.1 工作原理

電磁微聲（EMMA）技術(shù)的工作原理如圖2所示，雷達(dá)發(fā)射一段查詢脈沖電磁波信號(hào)，微聲芯片收到電磁脈沖之后，可將微弱的電磁脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲表面波，并在基片上傳播。此時(shí)微聲芯片即已經(jīng)工作，其反射攜帶編碼信息的回波，經(jīng)雷達(dá)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(shù)的工作原理

系統(tǒng)主要由微聲標(biāo)識(shí)器、雷達(dá)以及天線組成。其中，微聲標(biāo)識(shí)器內(nèi)的芯片是基于壓電材料制作而成，具有耐高溫、純無源、信號(hào)穿透能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、具備溫度傳感功能等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于特殊惡劣環(huán)境下的識(shí)別。微聲芯片主要由天線、叉指換能器、反射柵、壓電基片構(gòu)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(guī)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(fā)射和接收高頻電磁波信號(hào)；叉指換能器是一種換能元件，由于逆壓電效應(yīng)可激發(fā)出聲表面波，主要用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與聲表面波信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化；反射柵用于反射和透射聲表面波。

針對(duì)高溫熔融金屬識(shí)別的應(yīng)用，電磁微聲技術(shù)的特點(diǎn)為：1、使用壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期免維護(hù)。與IC標(biāo)簽不同，微聲標(biāo)識(shí)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(yuǎn)超過IC標(biāo)簽，非常適合設(shè)備常年免維護(hù)的應(yīng)用需求。2、最大工作溫度高。微聲標(biāo)識(shí)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(zhǎng)期工作于高溫設(shè)備表面 150℃-350℃高溫環(huán)境，特種定制的微聲芯片工作溫度可達(dá)到400℃、600℃以及1000℃。3、識(shí)別準(zhǔn)確率高。識(shí)別空間內(nèi)，雷達(dá)僅識(shí)別1個(gè)微聲標(biāo)識(shí)器，在常規(guī)RFID標(biāo)簽易串?dāng)_的環(huán)境下，EMMA系統(tǒng)僅識(shí)別信號(hào)最強(qiáng)的微聲標(biāo)識(shí)器，具有極好的單標(biāo)簽識(shí)別能力，極低的相鄰標(biāo)簽的串?dāng)_影響概率。

2.2 耐高溫微聲芯片

2.2.1 微聲芯片

系統(tǒng)核心的微聲標(biāo)識(shí)芯片為上海交通大學(xué)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(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的時(shí)域響應(yīng)如圖5-3所示，5個(gè)脈沖分別對(duì)應(yīng)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(cè)試結(jié)果說明器件插入損耗低，反射峰信號(hào)幅度一致性好。

圖3 (a)微聲標(biāo)識(shí)芯片，(b)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試結(jié)果

2.2.2 高溫性能測(cè)試

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套自動(dòng)化的高溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以測(cè)試微聲芯片的最高工作溫度，如圖4所示。平臺(tái)主要功能：1、提供程控高溫烘烤的環(huán)境；2、實(shí)時(shí)測(cè)量芯片在升溫和老化過程中的溫度、器件信號(hào)幅度和時(shí)延等變化，并自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。

圖4 (a)高溫實(shí)驗(yàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，(b)退火和升溫階段，微聲芯片每個(gè)反射峰的損耗變化

基于該平臺(tái)開展極限耐溫試驗(yàn)，驗(yàn)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(yīng)，馬弗爐的溫度設(shè)置從常溫升溫，執(zhí)行退火過程，然后降溫到常溫，再進(jìn)入升溫階段，從50℃到600℃，溫度步進(jìn)間隔為50℃，每個(gè)溫度段停留1小時(shí)，確保馬弗爐內(nèi)微聲芯片所處位置的溫度場(chǎng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)每隔5分鐘記錄一次。

芯片樣品經(jīng)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(qiáng)，這主要是由于反射柵的Al電極高溫氧化成Al₂O₃，導(dǎo)致電極更重的質(zhì)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(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，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(xù)1小時(shí)，微聲芯片的插入損耗增大約4dB。569℃下，損耗急劇升高，1小時(shí)內(nèi)器件損壞。但是損耗大幅增加，569℃時(shí)，完全沒有微聲芯片的反射回波，時(shí)域和頻域均無響應(yīng)。根據(jù)頻域的測(cè)量結(jié)果，可判斷是微聲芯片的IDT斷路。上述測(cè)量結(jié)果說明制備的微聲標(biāo)識(shí)芯片樣品在450℃溫度段，可較長(zhǎng)時(shí)間工作，超過500℃，器件僅能短時(shí)間工作。

2.3 標(biāo)識(shí)器封裝及雷達(dá)設(shè)計(jì)

高溫熔融金屬所處的環(huán)境惡劣，對(duì)微聲標(biāo)識(shí)器天線和外殼封裝的工程設(shè)計(jì)要求極高。為確保微聲標(biāo)識(shí)器可在高溫熔融金屬表面長(zhǎng)期免維護(hù)使用，本文采用耐高溫、高增益天線，標(biāo)識(shí)器封裝外殼選用航空雷達(dá)透波復(fù)合材料及涂層，可短時(shí)間耐受1200℃的鋼水。微聲標(biāo)識(shí)器如圖5(a)所示。主要特點(diǎn)為1、天線及封裝材料長(zhǎng)期耐受溫度達(dá)到350℃；2、天線帶寬及增益等參數(shù)的低溫度漂移，確保高溫下仍具有遠(yuǎn)的識(shí)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(biāo)識(shí)器表面后無殘留，不影響標(biāo)識(shí)器工作。

圖5 （a）可耐受鋼水傾濺的微聲標(biāo)識(shí)器，(b) 920MHz脈沖雷達(dá)

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)在鋼鐵廠內(nèi)惡劣環(huán)境中識(shí)別距離遠(yuǎn)的性能，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)脈沖式雷達(dá)，如圖5(b)所示，工作頻率為920MHz，與RFID技術(shù)的工作頻段一致。雷達(dá)基于經(jīng)典的軟件無線電架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了相參的線性調(diào)頻和脈沖壓縮的查詢功能，可實(shí)現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中的噪聲、干擾、高溫頻偏后，遠(yuǎn)距離識(shí)別微聲標(biāo)識(shí)器。

3 實(shí)施案例及應(yīng)用效果

（1）江蘇永鋼集團(tuán)鐵包識(shí)別項(xiàng)目

2019年10月，EMMA技術(shù)應(yīng)用于永鋼集團(tuán)的鐵包識(shí)別跟蹤項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)永鋼“生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)”。該鋼廠鐵包主要是汽車運(yùn)輸，鐵包運(yùn)行軌跡多變，除了對(duì)標(biāo)簽有高溫的要求之外，還需識(shí)別設(shè)備無串?dāng)_、識(shí)別響應(yīng)速度快。系統(tǒng)安裝了鐵包200個(gè)微聲標(biāo)識(shí)器，雷達(dá)15臺(tái)，于2019年12月安裝調(diào)試完成，經(jīng)系統(tǒng)校核，鐵包整體在線率達(dá)到100%，成功投入生產(chǎn)單位使用。目前已經(jīng)開展三期，開展智慧調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自學(xué)習(xí)的高效率鐵水調(diào)度策略。

圖6 鐵包EMMA標(biāo)識(shí)器安裝位置

（3）火車爐下精準(zhǔn)對(duì)位

在關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵位置，如高爐爐下的精準(zhǔn)對(duì)位是一個(gè)行業(yè)難題，如圖7為對(duì)位后出鐵。EMMA技術(shù)可滿足運(yùn)載鐵包的火車的精準(zhǔn)爐下對(duì)位需求，在車架上安裝微聲定位器，高爐出鐵口下安裝雷達(dá)，如圖9所示。基于RSSI(Received Signal Strength Indication,接收信號(hào)強(qiáng)度)進(jìn)行距離估計(jì)，用于輔助定位，提升定位精度。信號(hào)衰落模型選用對(duì)數(shù)距離模型，如(1)式所示。式中：d為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的間距；d₀ 為參考距離；n為信號(hào)衰減因子，表示損耗隨距離增長(zhǎng)的速率；X_σ 是方差為σ的正態(tài)隨機(jī)分布。

EMMA火車高爐爐下對(duì)位的優(yōu)勢(shì)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(shù)在高爐爐下不抗干擾的問題，可實(shí)現(xiàn)鐵包識(shí)別、爐下對(duì)位共用雷達(dá)，定位精度為5cm。本系統(tǒng)在廣西翅冀鋼鐵廠搭配紅綠燈指示實(shí)現(xiàn)了爐下精準(zhǔn)對(duì)位，優(yōu)化了機(jī)車調(diào)度指揮員，降本增效明顯。本系統(tǒng)為未來的工業(yè)無人駕駛火車提供技術(shù)基礎(chǔ)。

圖7 鐵包爐下對(duì)位

圖8 爐下對(duì)位安裝位置

（4）運(yùn)載火車定位

在鐵鋼界面極致效率的要求下，工業(yè)運(yùn)載火車有實(shí)時(shí)定位的需求。提供對(duì)工業(yè)火車的實(shí)時(shí)定位，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度對(duì)降本增效有重要意義。電磁微聲技術(shù)可應(yīng)用在工業(yè)火車定位，其原理如圖9所示。將雷達(dá)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(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，雷達(dá)讀取微聲定位器，獲取定位器ID信息，并根據(jù)回波信號(hào)特征精確解算位置信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火車的實(shí)時(shí)可靠定位。圖10所示為電磁微聲技術(shù)運(yùn)載火車定位實(shí)際應(yīng)用案例的安裝示意圖。本系統(tǒng)也已有在鋼鐵廠實(shí)際落地案例。

圖9 電磁微聲技術(shù)運(yùn)載火車定位

圖10 鐵水運(yùn)載火車定位安裝位置

4 結(jié)論

本文基于電磁微聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(dá)到了450℃，定位標(biāo)識(shí)器封裝可耐受1200℃的鋼渣濺落，助理冶金企業(yè)鐵鋼界面中鐵水包智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)極致效率。該技術(shù)在江蘇永鋼的實(shí)際已使用5年，驗(yàn)證了電磁微聲技術(shù)為鐵鋼界面極致效率提供了可靠的感知技術(shù)。本文還介紹了本技術(shù)在火車爐下精準(zhǔn)對(duì)位、運(yùn)載火車實(shí)時(shí)定位的系統(tǒng)及應(yīng)用案例，案例體現(xiàn)了技術(shù)在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。本研究將繼續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全壽命周期100%識(shí)別率的電磁微聲技術(shù)，并繼續(xù)研究人工智能鐵水智能調(diào)度的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

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