鋼鐵行業是國民經濟的重要支柱產業，其生產工藝復雜，制造流程涵蓋焦化、燒結、冶煉、軋制等多道工序，其原料、輔料、半成品、產品、工業廢物吞吐量大，物流環節占用了大量的資金和時間。因此，各鋼鐵企業紛紛把物資計量管理作為提高企業管理水平、增加效益的重要基礎工作之一。

進入21世紀以來，隨著網絡、數據庫、軟件開發、視頻處理、傳感器等技術的迅速發展，各鋼鐵企業紛紛加大計量方面的資金投入，將原有現場值守式的計量模式升級為遠程集中式計量模式[1,2,3]。隨著企業產量的不斷提升，物資計量數量也不斷增長，同時人員老化問題進一步突出，如何進一步提高計量過程的效率和準確性成為企業的又一新課題[4]。

近年來，IT技術處于加速發展和跨界融合的爆發期，兩化融合管理體系、工業互聯網[5,6,7]平臺等一系列指導思想促使以信息技術為核心的技術創新不斷出現。本文以此為契機，構建了基于工業互聯網新模式的汽車衡智能計量系統，并成功地在湖北新冶鋼進行了實施和應用。

遵循工業互聯網與工廠外部網絡連接的原則，本系統通過互聯網與外部企業進行信息傳遞。由于外部企業的信息化水平參差不齊，因此系統提供了微信小程序[8]、Web頁面和Web API接口3種方式供外部企業靈活進行計量預約。當企業預約完成后司機就可進行確認，司機計量時只需將確認時生成的二維碼提供給自動計量終端掃描就可快速完成計量過程。由此減少計量過程中司機與計量系統和計量員的口頭交互，有效提高了計量過程的效率和準確性[3]。

工業互聯網強調與物理系統的連接，在本系統中為了能夠感知汽車衡的實時物理狀態并進行反饋控制，系統將車牌識別[9]、RFID、各種傳感器的狀態集中映射到實時數據庫中。在計量過程中，計量終端只需讀取實時數據庫就能獲取汽車衡的所有狀態，不必逐一讀取汽車衡不同傳感器器狀態，因而降低了系統的復雜性，簡化了數據訪問過程。而反饋控制指令則直接通過工控協議下發到PLC[10]執行。

在鋼鐵企業中，汽車衡計量的物資類型一般分為3大類:采購物資計量、內部轉移物資計量、銷售物資計量。企業實際計量過程中又可把3種類型進一步細分為14個小類。系統按不同小類用明確的規則加以區分，同時將規則進行代碼化便于計算機識別。在計量時，計量終端查詢到司機確認信息和汽車衡狀態后，能夠依據相應屬性自動確定計量業務類型對應的規則并自動完成計量，計量員不用進行任何操作操作。

為了達到系統無人操作的智能化計量目標，本系統在原來的遠程集中計量的功能上增加了Web計量預約、微信小程序計量預約、Web API接口預約、司機確認、自助取碼、計量終端自動計量、汽車衡狀態采集及控制、遠程監控等關鍵功能。

本系統的服務器和存儲資源采用私有云方式部署，系統資源可根據系統的負載進行靈活分配。系統總體拓撲如圖1所示。為了保障計量系統的安全性，本系統建立了獨立的計量內部網絡，通過兩層防火墻與辦公網和公網連接，能有效控制網絡訪問，保證系統的信息安全。

在計量網內,應用網關負責應用負載均衡和API管理;應用服務器采用集群方式部署,除負責系統中間層業務邏輯處理外,還承擔與外部系統進行接口數據交換的工作;數據采集服務器負責底層傳感器的數據采集[4]處理及控制設備實時數據庫;數據庫服務器使用Oracle 11g,用于存儲計量業務數據;文件服務器用于文件存儲與檢索;計量終端是本系統的核心,除了自動保存計量結果外,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。通過應用網關作反向代理,在提供服務器時不對外暴露計量網服務器,提高了計量系統的安全性。

圖2展示了計量終端與外圍系統的關系。自動計量終端讀取實時數據庫獲取汽車衡狀態。實時數據庫負責實時同步汽車衡中稱重儀表、車牌識別、道閘、紅外對射、RFID采集器等反映車輛狀態的映射值。當計量終端讀取到實時數據庫的車牌號信息后，立即查詢計量系統關系數據庫獲取該車的業務信息和歷史信息用來確認業務類型，當汽車衡狀態滿足計量要求時，計量終端自動保存計量信息。

自動計量終端處理流程見圖3，主要如下:

(1)汽車衡狀態自檢并初始化，完成后紅綠燈變為綠色，同時道閘打開，允許車輛上秤計量;

(2)監測稱重儀表質量數據，持續大于零點值(800 kg)時判斷為汽車上秤，紅綠燈變為紅色，不允許其他車輛上秤;

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

(4)停車位置檢查完成后，道閘關閉，系統自動識別車號，為防止作弊，系統根據識別的車號檢查是否與司機掃碼預約的業務信息匹配。當兩者匹配且稱重儀表數據穩定后自動保存數據;

(5)若計量過程出現異常，則計量員可切換到遠程計量模式，司機也可通過現場求助按鈕主動切換到遠程計量模式，由計量人員遠程計量;

(6)計量數據保存的同時，自動抓拍車前、車后、車廂視頻;

(7)計量結束時，語音提示計量完成，顯示計量結果，打印磅單，同時將下秤道閘打開;

(8)汽車下秤，儀表質量數據小于零點值(800 kg)時，秤體的紅綠燈變為綠燈，同時將上秤道閘打開、下秤道閘落下。

在系統中，汽車衡的現場控制使用西門子Simatic S7-1200系列PLC，為便于異常情況遠程接管和現場維護，PLC控制系統提供自動、遠控和手動3種控制模式。自動控制模式下PLC系統和自動計量終端配合，可實現計量過程的全自動化。自動控制模式下主要控制邏輯如下。

(1)斷網判斷:計量終端每隔2 s向PLC寫入“1234”,PLC每隔2 s不停用“4321”覆蓋此值，當PLC判斷此值不等于“1234”時，啟動斷網計時，若計時超過20 s，則PLC判定斷網或計量終端死機;此時PLC將自動控制模式切換為手動控制模式，同時控制道閘和紅綠燈為初始狀態(道閘抬桿，紅綠燈變為紅燈)，以免影響過磅。計量終端也通過查詢字段值判斷斷網情況，若字段值超過20 s保持“1234”沒有變化，則認為與PLC間的網絡中斷，此時采集到的所有實時數據無效。

(2)紅綠燈控制:若PLC根據質量判斷秤上有車，則控制紅燈亮，否則綠燈亮。

(3)道閘控制:正常時道閘抬桿，等候車輛上秤，PLC根據質量變化判斷車輛上秤后，控制秤體兩側道閘落桿;計量完成后，HMI向PLC下發計量完成信號，PLC控制道閘抬桿，放車輛下秤。

除此之外，PLC控制系統還包含白天夜晚判斷、拍照觸發、質量數據采集、異常數據報警等輔助功能，共同實現計量過程的自動化。

供應商和司機預約配車功能可通過使用前后端分離方式開發Web網頁實現，不需安裝客戶端，方便供應商在公網使用。如圖4所示，通過Web網頁實現了采購進場、退貨預約，副產品出場、退貨預約和計量實績查詢功能。

供應商和司機預約配車功能還可通過微信小程序實現，如圖5所示。供應商選擇檢斤通知單，輸入送貨車輛的車牌號、司機身份證號、司機手機號、到貨量，形成進廠預約信息，實現配車功能，極大提高了計量配車的便利性;另外還可查詢自己的計量實績，了解實際計量情況。司機每次送貨前，進行配車預約操作，生成進廠預約信息二維碼，實現掃碼過磅。為保護商業信息，系統限制了供應商和司機的查看權限，都只能查詢和操作自己的檢斤通知單和預約信息。

除Web網頁和微信小程序外，系統還提供Web API供外部使用。Web API請求方式為WebService或http post方式;API接口采取JSON格式傳輸數據;在調用API前要通過身份認證獲取令牌(token)，以便識別接口身份。

自動計量程序提供了豐富的語音提示與文字信息提示，并對司機當前的物資信息進行顯示，讓司機可以自己確認信息的正確性。

采購物資和外銷物資進出廠采用掃碼計量模式，計量時司機在自動終端掃描二維碼后確認檢斤通知單、車號、稱重等信息，點擊稱重保存按鈕后計量終端自動保存計量結果;內倒物資計量需要司機錄入計量業務號，然后確認收貨單位、發貨單位、車號、物資名稱、裝卸船、質量等信息并點擊稱重保存按鈕進行計量結果的自動保存。計量終端上還提供了“現場求助”功能，司機無法操作時可求助計量大廳，完成遠程人工過磅。

在自動計量終端上還實現了自動判斷毛重與皮重、錄像拍照、質量曲線保存、紅綠燈上下秤指揮、LED屏顯示、語音操作提示、二維碼識別、RFID卡車號識別、視頻車號自動識別、自動計量、計量模式切換、防作弊、異常處理等功能。

在計量過程中，計量人員雖然不需要參與計量過程，但還是需要對計量過程進行監督，在出現設備異常、信息錯誤或司機有違規行為時能及時發現并干預計量過程。

如圖6所示，通過計量監控功能，可以遠程控制道閘、紅綠燈、照明燈等現場設備，并對現場的過磅情況進行顯示。同時提供了IP語音通話功能，計量員可以與現場人員進行通話，了解司機過磅情況。監控界面還有遠程計量與自助計量切換功能，計量員可以選擇人工過磅或者司機自助過磅。除此之外，監控功能還提供了計量數據查詢、進廠與裝車信息查詢、終端操作日志查詢、內倒業務管理等功能。

本文針對企業物資計量不斷增長和人員老化問題，利用工業互聯網，將原有遠程集中式計量模式升級為無人操作的智能計量新模式。通過互聯網技術將企業外部的供應商、物流公司、客戶、司機等信息進行了集成;通過實時數據庫和PLC實現對底層物理設備的狀態采集和反饋控制;此外還對計量業務規則進行提取和代碼化，使計算機能夠代替人完成重復而繁瑣的工作。

系統于2018年10月上線以來，運行可靠，效果顯著，主要相關指標改善情況如下:(1)實現汽車衡智能化無人計量，系統上線前每班需要安排2人負責汽車衡遠程計量，系統上線后每班只需安排1人監控自動計量即可，累計優化崗位4人，優化比例50%;(2)平均每次過磅時間由43.71 s減少到28.36 s，減少了35%。系統投運后取得的經濟效益顯著，具有較好推廣應用價值。