謝 偉

（昆鋼信息中心）

1 前言

無(wú)人行車技術(shù)起源于韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵，2002年第一部無(wú)人值守行車研發(fā)成功，在浦項(xiàng)制鐵正式投入生產(chǎn)。[1]

行車按機(jī)械結(jié)構(gòu)、操作控制方式，有多種分類。按操控方式分類，主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，第一代為手動(dòng)駕駛、地面人工指揮調(diào)度；第二代為庫(kù)區(qū)自動(dòng)化，車上有人駕駛、地面無(wú)人指揮調(diào)度，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)自動(dòng)化、信息化；第三代為無(wú)人駕駛行車，也稱智能行車，車上、地面均無(wú)人，智能化庫(kù)存管理系統(tǒng)（WMS）全自動(dòng)調(diào)配行車，自動(dòng)化、信息化程度高，工作效率高。這里主要研究雙梁式無(wú)人駕駛行車的技術(shù)特點(diǎn)及自主研發(fā)思路。

2 無(wú)人行車的操控方式

2.1 產(chǎn)品定位

目前國(guó)內(nèi)大部分鋼廠的行車駕駛?cè)圆捎脗鹘y(tǒng)的手動(dòng)駕駛方式，無(wú)人行車因造價(jià)較高，產(chǎn)品涉及多項(xiàng)前沿技術(shù)，日常使用、維護(hù)中的技術(shù)要求也較高，國(guó)外應(yīng)用時(shí)間不是很長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)較廣泛應(yīng)用也是近幾年在技術(shù)裝備先進(jìn)、自主研發(fā)創(chuàng)新能力較強(qiáng)的鋼廠才起步不久。

2.2 操控方式分析

單臺(tái)無(wú)人行車可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、半自動(dòng)、HMI手動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)等操作模式，操作人員可以根據(jù)生產(chǎn)、設(shè)備情況切換操控方式。

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)

操作人員在現(xiàn)場(chǎng)行車駕駛室控制行車動(dòng)作，操作方法與普通行車相同，但設(shè)備動(dòng)作控制由PLC程序?qū)崿F(xiàn)，因此速度控制、設(shè)備定位更靈活可靠，主要用于檢修后試車調(diào)試或日常點(diǎn)檢測(cè)試。

2.2.2 HMI手動(dòng)

現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人，操作人員在控制室通過(guò)HMI點(diǎn)擊指令按鈕，控制單臺(tái)行車完成大車運(yùn)行、小車運(yùn)行、電磁吊（或抓斗）升降、吸放物料（抓斗開(kāi)閉）等單一動(dòng)作，設(shè)備控制保持必要的機(jī)械、電氣安全連鎖，這種模式主要用于設(shè)備可靠性檢驗(yàn)或臨時(shí)完成某種特定動(dòng)作。

2.2.3 半自動(dòng)

操作人員在HMI上設(shè)定好起始位、目標(biāo)位、提升高度等參數(shù)，對(duì)單臺(tái)行車下達(dá)吊運(yùn)指令，行車按程序自主完成提升、移位、下降、吸?。ㄗト。┪锪?、再提升、再移位、放置物料等操作，中間過(guò)程不需人為干預(yù)，主要用于系統(tǒng)局部故障或臨時(shí)完成某種特定動(dòng)作。

2.2.4 全自動(dòng)

操作人員向行車下達(dá)入庫(kù)或出庫(kù)任務(wù)，或直接由MES下達(dá)調(diào)度指令，行車通過(guò)信息系統(tǒng)、智能化檢測(cè)設(shè)備及算法分析，自動(dòng)判斷物料位置，確定起始位、目標(biāo)位、設(shè)備動(dòng)作順序、移動(dòng)路徑，完成物料搬運(yùn)工作，這是無(wú)人行車正常工作時(shí)的主要運(yùn)行模式。

2.2.5 多臺(tái)聯(lián)動(dòng)

由操作人員下達(dá)工作任務(wù)，或由WMS、MES下達(dá)指令，多臺(tái)無(wú)人行車協(xié)同工作完成指定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

3 無(wú)人行車的設(shè)備組成架構(gòu)分析

設(shè)備組成架構(gòu)分解:單臺(tái)行車按控制功能及層次架構(gòu)，可分解成基礎(chǔ)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、防搖控制模塊、料面數(shù)據(jù)分析、行車精確定位、攝像監(jiān)控等模塊。其組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人行車功能架構(gòu)示意圖

3.1 基礎(chǔ)控制模塊

以PLC系統(tǒng)為控制核心，采集操作臺(tái)信號(hào)、傳感信號(hào)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線串接編碼器、傳動(dòng)設(shè)備，編程實(shí)現(xiàn)行車所有動(dòng)作的程序控制，達(dá)到大小車運(yùn)行、電磁吊（抓斗）升降、吸放物料（抓取、放置）的快速和精準(zhǔn)化。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

通過(guò)地面有線、車載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，連接行車PLC、工業(yè)PC、控制室操作站、工程師站，實(shí)現(xiàn)行車的遠(yuǎn)程操作和控制。

3.3 防搖控制模塊

如圖2所示，防搖擺是智能行車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系行車運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，通過(guò)行車運(yùn)行各工況下最優(yōu)控制算法，實(shí)現(xiàn)行駛過(guò)程擺幅小、速度快的半自動(dòng)控制。

無(wú)人行車系統(tǒng)與傳統(tǒng)行車相比，顯著特性是運(yùn)行、加速、減速、停止整個(gè)過(guò)程中主鉤（或抓斗）擺幅小，運(yùn)行平穩(wěn)，擺角可控，尤其是在取、放物料時(shí)，主鉤（或抓斗）擺角可控制在2度以內(nèi)，這為行車精確定位、安全取放物料提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有效保障了物料在庫(kù)房里的精準(zhǔn)碼放和搬運(yùn)。行車擺角產(chǎn)生的原因主要是受物體慣性的影響，行車在變速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主鉤（或抓斗）速度變化滯后于大車和小車的速度變化，控制行車擺角就是消除這種速度變化的不同步。[2]

3.4 地面圖像（或料面數(shù)據(jù)）分析及行車精確定位模塊

采用格雷母線精確定位各行車大小車位置，激光掃描儀、相控陣?yán)走_(dá)或工業(yè)攝像圖像分析檢測(cè)料面，數(shù)據(jù)通過(guò)搭建的有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳入工業(yè)PC，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和算法運(yùn)算，繪制料面3D圖像，給出行車最佳動(dòng)作路徑并將指令傳遞給車載PLC，實(shí)現(xiàn)行車的全自動(dòng)控制。

3.5 攝像監(jiān)控模塊

圖2 防搖半自動(dòng)系統(tǒng)組成架構(gòu)示意圖

為實(shí)現(xiàn)行車的遠(yuǎn)程控制，需要實(shí)時(shí)掌握物料堆放及行車動(dòng)作情況，現(xiàn)場(chǎng)加裝高清攝像頭，從不同角度監(jiān)控設(shè)備動(dòng)作，視頻信號(hào)接入操作控制室，便于操作員HMI手動(dòng)、半自動(dòng)操作，以及全自動(dòng)時(shí)對(duì)比3D模擬圖像，便于監(jiān)控和分析。

4 研發(fā)思路

4.1 研發(fā)的基本原則

提高自動(dòng)化、智能化水平的最終目的，應(yīng)該體現(xiàn)出降本增效、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終取得良好經(jīng)濟(jì)效益或重大社會(huì)效益。如果簡(jiǎn)單追求技術(shù)上的“高、大、上”，投入巨大資金、人力、物力，而最終勞動(dòng)生產(chǎn)率、質(zhì)量提升不明顯，或者使用效果不佳、運(yùn)維水平達(dá)不到要求，經(jīng)濟(jì)效益反而下降的前沿技術(shù)、裝備可以暫緩，等待時(shí)機(jī)。

基于以上思路，可以選取投資成本不大、工作模式不太復(fù)雜、環(huán)境要求不太高的應(yīng)用場(chǎng)景研發(fā)無(wú)人行車，先易后難，等尖端技術(shù)產(chǎn)品價(jià)格下降、自身對(duì)各項(xiàng)技術(shù)掌握較熟練后，再研究復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。

4.2 應(yīng)用場(chǎng)景選擇

昆鋼目前在用行車，使用數(shù)量較多且工作模式相對(duì)固定的，主要在煉鐵煤焦庫(kù)、高爐沖渣池、煉鋼及成品庫(kù)等現(xiàn)場(chǎng)，用于物料搬運(yùn)。基于“先易后難、效益優(yōu)先”原則，可以考慮選擇煤焦庫(kù)或高爐沖渣池等雙梁抓斗式行車進(jìn)行研發(fā)，再逐步推廣到其它應(yīng)用場(chǎng)景。

4.3 煤焦庫(kù)行車應(yīng)用現(xiàn)狀分析

煤焦庫(kù)是高爐生產(chǎn)所需燃料的重要轉(zhuǎn)運(yùn)站，承擔(dān)著高爐冶金焦、噴吹煤的入庫(kù)儲(chǔ)存、出庫(kù)輸送任務(wù)。入庫(kù)、出庫(kù)物料搬運(yùn)采用雙梁式行車抓取方式，通過(guò)人工在行車上的駕駛室操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度較高，刺鼻氣味較重，環(huán)境差。目前使用的行車型號(hào)老舊，配置簡(jiǎn)單，電控部分采用切電阻方式進(jìn)行調(diào)速，調(diào)速效果不理想，操作不便，且電控系統(tǒng)故障率高。

4.4 煤焦庫(kù)行車無(wú)人化改造的實(shí)施步驟及效益分析

4.4.1 實(shí)施步驟

根據(jù)目前高爐冶煉強(qiáng)度高、物料輸送任務(wù)繁重的現(xiàn)狀，煤焦庫(kù)系統(tǒng)首先要確保生產(chǎn)順行，因此每次只能改造一臺(tái)行車，待改造后的行車運(yùn)行穩(wěn)定，日常操作維護(hù)正?；?，滿足生產(chǎn)要求后，才有條件改造下一臺(tái)，待全部行車單臺(tái)改造完成，再實(shí)現(xiàn)總體聯(lián)動(dòng)控制。

按照當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)際情況，第一步宜先完成1#行車單臺(tái)改造及1#行車遠(yuǎn)程控制所必須的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、操作監(jiān)控平臺(tái)搭建。

4.4.2 單臺(tái)行車改造步驟

按照投資收益最大化原則及控制功能層次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，單臺(tái)行車技術(shù)改造亦分三步進(jìn)行。第一步，先進(jìn)行基礎(chǔ)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、視頻監(jiān)控模塊改造，完成后可以實(shí)現(xiàn)駕駛室、遠(yuǎn)程兩地操作；第二步，在基礎(chǔ)控制模塊調(diào)試基本正常時(shí)研發(fā)防搖控制模塊，完成后可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)方式操作；第三步，待半自動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作效率達(dá)到熟練工操作水平后，開(kāi)發(fā)全自動(dòng)控制模塊。

料面數(shù)據(jù)分析及行車精確定位模塊（全自動(dòng)）的開(kāi)發(fā)，可以和生產(chǎn)交叉進(jìn)行，因此，全自動(dòng)功能開(kāi)發(fā)可以和下一臺(tái)行車的第一步改造同步進(jìn)行。

4.4.3 效益分析

對(duì)高爐煤焦庫(kù)現(xiàn)有行車系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，改變操控方式，一方面可以減輕工作人員勞動(dòng)負(fù)荷，改善工作環(huán)境，另一方面可以滿足降本增效、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼鐵企業(yè)無(wú)人行車的應(yīng)用作為智能制造的典型代表，集多項(xiàng)前沿技術(shù)于一身，國(guó)內(nèi)研發(fā)方興未艾，多種應(yīng)用場(chǎng)景還有待突破。目前昆鋼自動(dòng)化、信息化水平與國(guó)內(nèi)先進(jìn)鋼廠相比還有一定差距，對(duì)自主研發(fā)的難度和任務(wù)艱巨性要有充分的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，應(yīng)該抓住有利時(shí)機(jī)，自主研發(fā)，把先進(jìn)技術(shù)掌握在自己手里。