徐朝軍,陳立君

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

前言

馬鋼冷軋總廠北區(qū)中間庫有兩個跨區(qū)，承接2130 酸軋線產(chǎn)品、2130 連退線、3#和4#鍍鋅線生產(chǎn)原料以及同南區(qū)的交叉物流卷，兩跨之間用一過跨車倒運鋼卷。3 條汽車通道穿越跨區(qū)，用于鋼卷、鋅錠和廢料的運輸。庫區(qū)平面及工藝流程布置如圖1所示。

圖1 庫區(qū)平面及工藝流程布置圖

庫區(qū)內(nèi)行車及過跨車均由人工操作，行車工在完成鋼卷庫位變更后，在原有的庫位管理系統(tǒng)中，手動更新系統(tǒng)的庫位變更情況。庫區(qū)行車平均作業(yè)率為：2130 酸軋線4 min/卷、3#和4#鍍鋅線20 min/卷、2130 連退線10 min/卷，鋼卷運輸量及人工錄入數(shù)據(jù)工作量大，勞動強度高，也可能造成庫存信息的不準確、不及時。

為了有效提高中間庫區(qū)的利用率、行車作業(yè)率和生產(chǎn)效率，降低安全風(fēng)險，實現(xiàn)物料在企業(yè)信息化系統(tǒng)中的閉環(huán)管理，減少人工干預(yù)環(huán)節(jié)，優(yōu)化人力資源，有必要實施無人行車智能庫區(qū)管理，以適應(yīng)智能制造“四個一律”的要求。另外，可通過此項目為試點，推廣公司內(nèi)部庫區(qū)的智能化改造，實現(xiàn)提質(zhì)創(chuàng)新。

1 技術(shù)路線

通過對冷軋北區(qū)中間庫進行智能化建設(shè)，包括A、B 兩跨4 臺行車無人化自動控制的改造、相關(guān)設(shè)備及庫區(qū)進行適應(yīng)性改造及新增智能庫位管理WMS系統(tǒng)，將中間庫打造成為精準響應(yīng)生產(chǎn)需求的自適應(yīng)智能庫區(qū)?；趲靺^(qū)、設(shè)備、人員互聯(lián)互通，由智能調(diào)度跟蹤系統(tǒng)核心大腦控制，與目前現(xiàn)有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)無縫協(xié)同，最終具備實時感知、智能分析、智能決策、精確執(zhí)行等核心功能，成為最優(yōu)鋼卷倉儲管控庫區(qū)。該智能庫區(qū)總體設(shè)計框架如圖2所示。

圖2 智能庫區(qū)總體設(shè)計框架圖

建成后的中間庫通過庫區(qū)管理系統(tǒng)（WMS）與無人行車自動化系統(tǒng)相配合，并與三級MES 系統(tǒng)及各產(chǎn)線二級系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息交換，根據(jù)生產(chǎn)和鋼卷倒運的實時需求，通過智能庫區(qū)管理系統(tǒng)的優(yōu)化算法，為每個鋼卷物料選擇最合適的存儲庫位，發(fā)出作業(yè)指令給無人行車或過跨車，由無人行車或過跨車執(zhí)行庫區(qū)內(nèi)物流的運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)倉儲智能化、庫區(qū)無人化、庫存最優(yōu)化、發(fā)運自動化。

2 應(yīng)用實績

2.1 無人行車自動控制系統(tǒng)

無人行車自動控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)接收WMS 系統(tǒng)發(fā)送的任務(wù)和避讓邏輯實現(xiàn)行車的全自動運行。需要對行車電機、卷筒、變頻器及PLC 控制系統(tǒng)進行針對性的改造，同時，增加行車相應(yīng)的實時位置檢測裝置，以滿足行車無人化作業(yè)的需要，包括：行車傳動系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)、三軸定位、防搖控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和吊具夾鉗等設(shè)備的改造或增加配置。

（1）行車傳動/PLC控制系統(tǒng)

行車傳動采用西門子SIMATIC 驅(qū)動S120 系列變頻器，其中，大車行走電機采用一拖二的方式，由兩臺變頻器采用主從方式控制。小車行走電機及卷揚電機分別由一臺變頻器一對一控制。各傳動電機采用速度閉環(huán)矢量控制，可保證良好的控制精度。

行車PLC 控制系統(tǒng)采用西門子1500 系列PLC，從站采用分布式I/O 結(jié)構(gòu)，PLC 和從站之間采用PROFINET 通訊，用于邏輯聯(lián)鎖，順序控制、定位控制和傳動設(shè)備的控制。

（2）行車三軸定位控制

行車定位是否精確、可靠，直接影響到智能庫區(qū)的實際運行效果。由于中間庫環(huán)境較好，采用激光測距進行位置檢測。激光測距儀是利用激光對目標(biāo)的距離進行準確測定的儀器。它在工作時向目標(biāo)射出一束很細的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計算出到目標(biāo)的距離。吊運物的高度是采用卷筒上的編碼器進行檢測。所有位置檢測的結(jié)果都進入控制閉環(huán)中，確保行車的精確定位。[1]

（3）無人行車防搖控制系統(tǒng)

在行車運行過程中，行車吊具會出現(xiàn)擺動。為提高行車運行效率，采用閉環(huán)控制的防搖系統(tǒng)，輔助行車無人化控制系統(tǒng)工作，即在每臺行車上安裝一套西門子自動化防搖Simocrane Censor 系統(tǒng)，包括：防搖控制器SIMOTION C、防搖攝像頭以及反射板，結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。其原理是通過實時掃描行車運行過程中安裝在鉤頭位置的反射板，采集數(shù)據(jù)，處理集成圖像，計算吊具的擺動幅度，優(yōu)化、控制與調(diào)整行車各傳動機構(gòu)的加速度/速度，避免行車夾鉗在無人化自動作業(yè)過程中的晃動，達到防搖調(diào)節(jié)的目的。

圖3 防搖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（4）數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)

為實現(xiàn)無人行車智能庫區(qū)的功能，在庫區(qū)建立一個快速無線通信網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)行車控制與庫管系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息的快速傳遞。

采用SIEMENS 工業(yè)級SCALANCE W 無線基站設(shè)備構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示，包括AP W788-2和AP W748-1，每個AP W788-2 配置一臺光纖交換機，通過Poe 網(wǎng)線連接，AP W788-2 之間和核心交換機之間采用光纖組建環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)使用基于5.8 GHz雙頻無線通信模塊的SCALANCE W 設(shè)備。每臺SCALANCE W 可以加載兩塊無線通信模塊，即可同時作覆蓋也可以做橋接，可大幅提高單點位置單基站的信號覆蓋區(qū)域和覆蓋容量。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)配置制圖

（5）智能吊具夾鉗

每臺智能吊具夾鉗包括PLC 控制系統(tǒng)、傳感器、傳感器至傳感器控制盒的電纜、傳感器控制盒（含內(nèi)部的元器件）等，單套吊具夾鉗包括的傳感器有：檢測卷芯光柵傳感器（3 個）；檢測吊具夾緊鋼卷（2 個）；鋼卷壓下限位（2 個）；檢測夾鉗開度的編碼器，安裝在夾鉗的電機上；檢測夾鉗旋轉(zhuǎn)的編碼器，安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上；防碰撞傳感器（2 個），安裝在夾鉗底部。

2.2 智能庫位管理系統(tǒng)（WMS）功能

智能庫位管理系統(tǒng)（WMS）是無人化智能庫區(qū)的核心系統(tǒng)，它與無人行車系統(tǒng)通過實時的無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的全自動傳遞。智能庫位管理系統(tǒng)包括：鋼卷庫位管理系統(tǒng)、行車智能調(diào)度系統(tǒng)。WMS系統(tǒng)與無人行車系統(tǒng)，共同實現(xiàn)庫區(qū)鋼卷移動的智能全自動控制、信息及時準確自動傳輸。

WMS 系統(tǒng)擁有獨立數(shù)據(jù)庫和PC 客戶端，與三級系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接，對其所管理的物料的位置進行實時更新。實時展示庫區(qū)內(nèi)的所有庫存、行車、過跨車的動態(tài)情況，智能分配行車過跨車的工作任務(wù)以及行走路線。

WMS系統(tǒng)結(jié)合庫區(qū)各產(chǎn)線的工藝生產(chǎn)節(jié)奏，以及行車的作業(yè)效率進行庫位的匹配。通過產(chǎn)線的生產(chǎn)速度、下線的鋼卷寬度、行車當(dāng)前的任務(wù)執(zhí)行情況等數(shù)據(jù)來計算分配庫位以滿足各條產(chǎn)線的穩(wěn)定生產(chǎn)。為保證庫區(qū)運行高效，WMS系統(tǒng)將整個鋼卷庫區(qū)劃分為若干區(qū)域，每個小的區(qū)域帶有若干約束條件和優(yōu)化存儲策略。在為鋼卷選擇庫位并創(chuàng)建行車作業(yè)命令時，進行約束條件和優(yōu)化存儲策略的運算，使用優(yōu)化標(biāo)準篩選出最合適的庫位，最終形成作業(yè)命令。

通過WMS 系統(tǒng)的主界面（如圖5 所示），操作人員可以直觀了解到庫內(nèi)物料情況，在任務(wù)頁面還會看到作業(yè)計劃以及行車任務(wù)安排；同時，實時向系統(tǒng)反饋工作進展和完成情況，特殊情況可以及時對任務(wù)安排進行調(diào)整。

圖5 WMS系統(tǒng)的主界面圖

2.2.1 鋼卷垛位管理

智能庫區(qū)管理系統(tǒng)WMS根據(jù)鋼卷堆放數(shù)據(jù)，對庫區(qū)內(nèi)的垛位進行實時統(tǒng)計，為行車自動化系統(tǒng)推薦垛位提供數(shù)據(jù)支持?；趦?yōu)化規(guī)則，為每個物料找到最佳存放位置。庫區(qū)的每個鞍座都有一個初始位置，在行車放入鋼卷后都會將放置鋼卷的最終位置進行記錄并儲存，以便下次調(diào)運鋼卷時準確定位。

2.2.1.1 鋼卷出入庫管理

（1）鋼卷入庫管理

鋼卷酸軋機組下線入庫時，產(chǎn)線二級系統(tǒng)將下線卷信息發(fā)給WMS 系統(tǒng)。WMS 系統(tǒng)接收后，根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)則，生成行車入庫指令，指揮行車自動吊裝鋼卷入庫。同時，WMS 具備手動干預(yù)功能，可通過WMS系統(tǒng)客戶端增加、刪除或順序調(diào)整下線卷信息，并根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)則生成行車入庫指令，接收行車確認結(jié)果，同時，把結(jié)果發(fā)送到MES 同步庫存數(shù)據(jù)。

對于汽運方式入庫的鋼卷，WMS系統(tǒng)提供人機界面，根據(jù)車輛識別系統(tǒng)掃描車牌號，識別入庫鋼卷數(shù)據(jù)信息，借助3D 圖像掃描，WMS 系統(tǒng)根據(jù)庫存信息和掃描鋼卷信息自動生成無人行車入庫指令，發(fā)送給無人行車系統(tǒng)執(zhí)行自動入庫操作，并接收行車確認結(jié)果，把結(jié)果發(fā)送到MES 同步庫存數(shù)據(jù)。其管理流程如圖6所示。

圖6 鋼卷入庫管理流程示意圖

（2）回退卷入庫管理

對于已經(jīng)出庫進入生產(chǎn)機組步進梁的鋼卷，信息已經(jīng)從鋼卷庫中去除。但由于存在回退的可能，當(dāng)需要回退重新入庫時，操作人員可以在WMS客戶端上手動從中找出需要回退的鋼卷，由人工手動操作行車進行鋼卷調(diào)運和分配庫位，庫位與鋼卷信息人工更新。

（3）鋼卷移庫管理

由于原料卷入庫與生產(chǎn)計劃和調(diào)撥計劃的實時性差異，鋼卷在入庫后還需要再進行一些必要的倒庫操作，以減少后續(xù)上料或出庫的操作時間，提高上料和出庫效率。

優(yōu)化倒庫功能可根據(jù)WMS系統(tǒng)收到的計劃，產(chǎn)生倒庫移庫指令,將鋼卷移庫到相應(yīng)的區(qū)域。移庫的命令也可以由操作人員根據(jù)實際需要，在WMS操作界面中選擇需要移庫的卷，再選擇目的庫位，形成移庫指令。WMS 系統(tǒng)再把移庫指令發(fā)送到無人行車系統(tǒng)執(zhí)行，系統(tǒng)自動記錄人員操作記錄。

（4）鋼卷出庫管理

當(dāng)連退、鍍鋅產(chǎn)線入口有鋼卷上卷的需求時，WMS 將自動匹配庫區(qū)內(nèi)的鋼卷信息并自動形成行車運行的命令，行車接受到WMS的命令后即開始執(zhí)行鋼卷出庫上步進梁。

當(dāng)有汽車運卷出庫需求時，借助3D 圖像掃描，WMS 庫管系統(tǒng)根據(jù)需求信息和掃描鞍座位信息自動生成無人行車出庫指令，發(fā)送給無人行車系統(tǒng)執(zhí)行自動出庫操作。

2.2.1.2 庫存管理

WMS 系統(tǒng)實現(xiàn)物料在庫區(qū)流轉(zhuǎn)過程的全過程跟蹤與查詢，同時分析庫存結(jié)構(gòu)，結(jié)合生產(chǎn)進程，合理制定倒運計劃，避免出現(xiàn)堵庫,降低庫存。

操作人員可在庫圖管理界面上通過人工干預(yù)調(diào)整系統(tǒng)鋼卷庫位信息，該功能主要用于盤庫或手動操作行車調(diào)運鋼卷后對庫區(qū)鋼卷信息的修改，以確保數(shù)據(jù)庫庫位信息與實際庫位信息一致。

庫區(qū)圖可以顯示庫區(qū)鋼卷信息，操作人員可在該界面查看庫區(qū)內(nèi)所有的鋼卷信息，包括：卷號、物料號、庫位號、重量、物料號、內(nèi)徑、外徑等。

2.2.1.3 物料的實時跟蹤

WMS 建立一套完善的鋼卷跟蹤系統(tǒng)，在WMS數(shù)據(jù)庫中存有所有庫內(nèi)鋼卷的各種信息。以庫區(qū)邊界為分界點，從鋼卷進入庫區(qū)，鋼卷跟蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同產(chǎn)線鋼卷跟蹤系統(tǒng)保持一致，不斷地進行實時刷新，實現(xiàn)庫區(qū)內(nèi)每一個鋼卷都有當(dāng)前位置信息、庫區(qū)內(nèi)物流信息、屬性信息。

自動模式下，WMS系統(tǒng)通過自動分配的任務(wù)目標(biāo)位、行車的吊起放下的邏輯判斷以及行車實時坐標(biāo)位置，實現(xiàn)物料的系統(tǒng)跟蹤；手動模式下，通過行車的吊起放下的邏輯判斷以及行車實時坐標(biāo)位置，實現(xiàn)物料的系統(tǒng)跟蹤。確保庫區(qū)內(nèi)所有鋼卷的信息跟蹤準確（如圖7所示）。[2]

圖7 物料跟蹤示意圖

2.2.2 行車（含過跨車）智能調(diào)度系統(tǒng)

2.2.2.1 行車協(xié)調(diào)調(diào)度

行車（含過跨車）協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)指令、各行車運行狀態(tài)、鋼卷庫實時情況，自動分配目標(biāo)庫位（入庫時）和目標(biāo)鋼卷（出庫時），自動調(diào)度行車和過跨車，控制其自動運行。

建立必要的行車調(diào)度模型，優(yōu)化行車的運行路徑。在優(yōu)化后的運輸路徑中，合理分配行車，提高效率，降低由于分配不均導(dǎo)致的行車負荷不均。

行車協(xié)調(diào)調(diào)度根據(jù)產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)奏而變化，對于行車的任務(wù)分配的優(yōu)先級也進行調(diào)整，雙車任務(wù)時根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級實時進行雙車的協(xié)調(diào)調(diào)度。行車協(xié)調(diào)調(diào)度如圖8所示。

圖8 行車協(xié)調(diào)調(diào)度示意圖

2.2.2.2 行車隨動與避讓控制

行車隨動與避讓控制是在行車全自動模式下的必要控制。WMS在優(yōu)化行車協(xié)同操作過程中，由于行車的運行和其他行車占位的原因，需要WMS對行車控制具備隨動控制功能。行車之間的避讓是指先接到指令的行車優(yōu)先動作，排在后面的行車避讓排在前面的行車，一個行車運行，一個行車回避。

2.2.2.3 庫區(qū)區(qū)域安全避讓

為使庫區(qū)高效運行，庫區(qū)在功能區(qū)域上分成多個區(qū)域。在正常的生產(chǎn)期間，庫區(qū)是不允許人員在行車運行期間進入庫區(qū)的，但在某些特定的情況下，庫區(qū)應(yīng)具備人員進入的功能。為既要保證進入庫區(qū)的工作人員人身安全，又要使庫區(qū)生產(chǎn)繼續(xù)進行，則在庫位管理管理系統(tǒng)中增加行車安全避讓功能。

2.3 輔助系統(tǒng)

2.3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是由前端攝像部分、傳輸部分、顯示和記錄部分、遠程控制管理部分組成。整個系統(tǒng)采用全網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控架構(gòu)：前端采用高清網(wǎng)絡(luò)攝像機進行視頻采集，通過攝像機的網(wǎng)絡(luò)端口直接接入到庫區(qū)視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)中去，傳輸?shù)胶蠖诉M行集中存儲和管理;傳輸主干網(wǎng)采用千兆光纖網(wǎng)，后端通過集中管理平臺來完成整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的集中預(yù)覽、控制、管理、存儲以及視頻分發(fā)等功能，實現(xiàn)工廠庫區(qū)高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)集中管理。

2.3.2 地面安全系統(tǒng)

地面安全系統(tǒng)主要負責(zé)智能庫區(qū)系統(tǒng)中安全功能的實現(xiàn)。利用安全圍欄及安全門將無人行車工作區(qū)域及人員工作區(qū)域進行封閉，通過安全門開閉狀態(tài)與行車PLC、庫管及行車調(diào)度系統(tǒng)進行聯(lián)鎖，隨時告知無人行車避讓運行路線上的危險區(qū)域，確保人員安全。地面安全系統(tǒng)還與過跨車、物料運輸?shù)仍O(shè)備進行聯(lián)鎖控制，確保行車在上述設(shè)備區(qū)域進行物料吊裝作業(yè)時的安全。

3 應(yīng)用成效

冷軋中間庫采用無人行車智能庫區(qū)管理系統(tǒng)已運行一段時間。從實際效果來看，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項指標(biāo)，如庫區(qū)鋼卷自動作業(yè)正確率、鋼卷自動裝車正確率、鋼卷庫存準確率等均達到設(shè)計要求，有效地提高了庫區(qū)利用率和行車作業(yè)率。

無人行車智能庫區(qū)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，優(yōu)化了人力資源，達到減員增效的目的。中間庫原有行車工及庫位工共36 人，項目投用后，整個庫區(qū)僅需要12人，相比減員24人。另外，行車人工操作時，受操作技能的影響，存在鋼卷碰傷或夾傷現(xiàn)象，采用無人行車吊運后，避免了該現(xiàn)象，提高了操作的安全性。