鄧 君

（湖南天橋嘉成智能科技有限公司，湖南株洲 412000）

某有色金屬冶煉股份有限公司用于銅冶煉渣處理的精礦倉配料車間，車間廠房長210m，改造一臺純手動抓斗吊，實現(xiàn)行車加料的全自動運行。為了解決該配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣，人工勞動強度大，作業(yè)效率低，設備維護費用高等問題，結(jié)合企業(yè)智能制造和智慧工廠建設整體戰(zhàn)略，對該工序的物料轉(zhuǎn)運及上料作業(yè)進行智能化及相關(guān)配套改造，是非常具有現(xiàn)實積極意義的。對此，文章以智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)為案例，重點就其在該企業(yè)精礦倉配料車間中智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應用作了分析，希望能達到減人增效、降低設備故障、提升操作管理水平和效率、提升工序整體自動化和信息化水平的目的。

1 智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)概述

此項目配料車間抓斗起重機智能化系統(tǒng)是基于可編程控制器（PLC）、變頻器和傳感器的控制系統(tǒng)以及機器識別、計算機、通信等信息技術(shù)，并開發(fā)相應的智能調(diào)度與控制算法，實現(xiàn)抓斗起重機無人操作模式下的自動化運行。

為實現(xiàn)智能化系統(tǒng)以及客戶對于天車作業(yè)自動化的各項功能目標，智能抓斗天車系統(tǒng)一般需要配備多個功能技術(shù)模塊，一般主要包含：無人天車電控系統(tǒng)，定位及防搖系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)、地面輔助及安全系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)，中控系統(tǒng)。

2 配料車間智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應用

2.1 智能無人抓斗天車電控系統(tǒng)

無人天車電控系統(tǒng)主要由車載PLC 系統(tǒng)、各機構(gòu)驅(qū)動變頻器、傳感器以及相關(guān)控制軟件組成。車載PLC 采用西門子S7-1500系列。抓斗的起升及開閉電機驅(qū)動采用高性能變頻器控制，速度精度及力矩精度高，適合起重機電機控制。

2.1.1 智能抓斗天車電控系統(tǒng)（抓斗控制）的關(guān)鍵技術(shù)

湖南天橋嘉成智能科技有限公司智能無人天車抓斗設計為自立型重型上部雙股四繩防纏繞結(jié)構(gòu)。雙股四繩防纏繞設計、高性能PLC 及變頻器的選型配置以及公司獨創(chuàng)的四繩同步控制技術(shù)（三閉環(huán)同步控制系統(tǒng)），使得抓斗動作平穩(wěn)、精準，有效防止鋼絲繩松弛、纏繞、磨損，是防止抓斗漏料，保證作業(yè)效率和滿斗率等關(guān)鍵指標上優(yōu)于人工操作的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1.2 智能無人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓撲圖。

智能無人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 智能無人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓撲圖

2.2 自動定位及防搖擺系統(tǒng)

天車自動定位實現(xiàn)原理：起重機三維位置檢測系統(tǒng)能實時檢測起重機的三維位置，通過PLC 的調(diào)度子程序，向起重機發(fā)送目標位置。車載PLC 接受到該位置后，控制各機構(gòu)變頻器驅(qū)動各機構(gòu)電機向目標位置運行，通過一定優(yōu)化算法，當起重機停止時，剛好達到目標位置，有效提高定位效率。

2.2.1 大、小車定位系統(tǒng)

如圖2所示，大小車運行機構(gòu)（X、Y 方向）采用激光測距儀對位置信息進行檢測。激光測距儀帶有標準的PROFINET 接口，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式直接將實時位置信息傳輸給PLC 控制器，定位準確，精度可達±2 mm。

圖2 激光測距儀的技術(shù)指標及性能參數(shù)

大、小車定位系統(tǒng)通過激光在發(fā)射器與反射板之間的反射與接收，利用時間飛行函數(shù)計算，得出大小車在軌道上的距離位置信息。

定位系統(tǒng)的具體方案應結(jié)合現(xiàn)場布局、工作環(huán)境、精度要求、安裝維護、可靠性、投資性價比等因素進行綜合選型和配置。

本項目中的大、小車定位系統(tǒng)也可考慮采用絕對值編碼器+RFID 磁釘校準定位技術(shù)。

2.2.2 抓斗起升、開閉定位

智能無人抓斗天車起升機構(gòu)（Z 方向）及抓斗開閉位置檢測采用絕對值編碼器，其集成的PROFINET接口可以實現(xiàn)與S7-1500PLC 的完美融合和數(shù)據(jù)傳輸。其多圈高分辨率的計數(shù)特點，完全能夠滿足客戶高精度定位的要求，特別是高強度的防護等級，具有強抗沖擊和抗震動能力，適用于惡劣工業(yè)環(huán)境。

（1）行車起升機構(gòu)（Z 軸方向）通過在升降卷筒端部安裝多圈絕對值編碼器來實時測量Z 軸的位置。

（2）抓斗開閉卷筒端部安裝多圈絕對值編碼器來實時測量抓斗開閉狀態(tài)。

（3）抓斗上方配置的稱重傳感裝置能夠判斷物料抓取情況，同時輔助進行抓斗觸底判斷。

2.2.3 電子防搖

防搖控制原理：利用軟測量技術(shù)估計吊鉤偏擺角，采用狀態(tài)反饋的方法對橋式起重機運行機構(gòu)進行速度控制同時抑制吊鉤擺角，基于軟測量技術(shù)擺角檢測方法無需加裝任何傳感器，只需要變頻器內(nèi)部加入軟件算法即可，防搖算法采用狀態(tài)方程和狀態(tài)反饋的方法，實時估算吊鉤的擺角，然后調(diào)整大小車的加減速度。

2.3 機器識別系統(tǒng)

供料車間煤倉抓斗起重機智能化系統(tǒng)中的機器識別主要包括車輛識別（含車牌號、進場與離場判斷）、堆場物料狀態(tài)識別、煤臺加料倉料位識別。

2.3.1 車輛識別

運輸卡車進入煤倉作業(yè)區(qū)前，作業(yè)區(qū)車輛入口處的車牌識別及智能道閘系統(tǒng)，識別車牌號，車牌信息進入智能天車中控系統(tǒng)。

智能天車中控系統(tǒng)核對車輛車牌信息，若符合，則道閘自動開啟，車輛駛?cè)搿?/p>

智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛入庫信號，將行車工作范圍進行鎖定，確保卸車時的作業(yè)安全。

司機按照卸車規(guī)則完成卸料后，駛離作業(yè)區(qū)，智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛出庫信號，對智能行車進行解鎖。

若客戶已部署TMS（運輸管理系統(tǒng)），則智能天車中控系統(tǒng)還能通過系統(tǒng)對接，獲取運單及物料信息。

2.3.2 堆場及煤臺料倉物料識別

在起重機主梁下安裝二維激光掃描儀，大車移動至堆場上方對該區(qū)域進行來回移動數(shù)次掃描。上位機系統(tǒng)根據(jù)掃描工控機獲取的3D 點云數(shù)據(jù)，利用相應的圖像及數(shù)據(jù)處理軟件，實時計算出堆場物料邊界、高度等狀態(tài)信息。

2.4 地面輔助及安全系統(tǒng)

由于智能無人抓斗天車處于無人駕駛狀態(tài)，自動化程度高，運輸卡車等地面設備必然需要與無人天車系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互，實現(xiàn)聯(lián)動控制功能。

（1）部署就地電控系統(tǒng)，車輛司機可通過就地電控系統(tǒng)按鈕或人機交互界面輸入“卸車請求、緊急停止、繼續(xù)卸車”等信號，系統(tǒng)也可向司機發(fā)出語音提示、聲光報警等信號。

（2）就地電控系統(tǒng)也可部署于遠程中控室內(nèi)，司機的操作則相應由中控室值守人員完成。

（3）裝車請求處部署網(wǎng)絡電話機，便于地面人員和控制中心人員溝通。中控臺上安裝網(wǎng)絡尋呼話筒，同時具備點對點撥號通話功能。

（4）天車上安裝功放擴音器，可以利用中控臺上的網(wǎng)絡尋呼話筒對天車作業(yè)區(qū)域進行廣播喊話，如滯留人員的驅(qū)離等，進一步強化天車自動化運行時的安全。

（5）部署帶有人體闖入偵測和滯留偵測的智能網(wǎng)絡攝像機，當自動化作業(yè)區(qū)域有人員滯留，或是卡車司機停留在司機室等非安全區(qū)域時，系統(tǒng)能進行有效識別并輸出告警或停車。

（6）作業(yè)區(qū)出入口通道設置電子圍欄，當自動化作業(yè)期間有人、車異常闖入時，系統(tǒng)能自動停車或發(fā)出聲光或語音告警。

（7）作業(yè)區(qū)域設置物理圍欄進行隔離。

（8）現(xiàn)場安裝一臺室外型LED 雙色顯示大屏幕，可滾動顯示的內(nèi)容包括：①行車當前運行模式和狀態(tài)。②運輸車輛是否停靠到位的信息反饋。③人員安全注意事項告知。④中控室的人機界面編輯的其他內(nèi)容。

注：地面輔助及安全系統(tǒng)功能，視客戶方生產(chǎn)條件以及對自動化程度要求等實際情況，可以安裝部署上述（1）～（8）中的一種或多種功能配置。其中（1）和（2）為必選配置，其他6項均為可選配置。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為使得在中控機房能夠看到現(xiàn)場實時情況，方便相關(guān)人員對智能起重機的抓渣上料及卸車等作業(yè)進行人工干預和指揮，提升現(xiàn)場安全監(jiān)控管理水平，需要在天車及現(xiàn)場相應位置安裝部署網(wǎng)絡攝像頭，視頻畫面通過庫區(qū)無線和有線通信系統(tǒng)回傳至中控機房顯示并可接入全廠監(jiān)控網(wǎng)絡。同時，為滿足天車工能在中控室可進行遠程連續(xù)操控作業(yè)的要求，視頻系統(tǒng)的布置還應在遠程操控的畫面清晰度、視角、覆蓋范圍、系統(tǒng)實時性等方面進行合理配置。

2.6 網(wǎng)絡通信系統(tǒng)

本項目網(wǎng)絡通信系統(tǒng)包括有線和無線兩大部分。其中有線數(shù)據(jù)通信主要負責地面與中控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，無線數(shù)據(jù)通信主要負責天車現(xiàn)場的無線覆蓋。

本網(wǎng)絡通信系統(tǒng)采用的工業(yè)無線局域網(wǎng)具備5G網(wǎng)絡接口功能，后期可與運營商實現(xiàn)技術(shù)對接，5G網(wǎng)絡部署后，可實現(xiàn)中控室超遠距離控制。

現(xiàn)場匯聚交換機至中控室核心交換機之間采用光纖傳輸，且為雙線制，最大限度避免主干網(wǎng)絡的單點故障，導致整個系統(tǒng)全線停車的問題。

所配置的高性能網(wǎng)橋采用5.8G 頻段，頻率高，信道相對純凈，傳輸帶寬大。適合對數(shù)據(jù)傳輸要求較高的場景使用。傳輸帶寬為450 Mbps 以上，在2公里的距離下，點對點傳輸帶寬實測200 Mbps 以上。

2.7 智能無人抓斗天車中控系統(tǒng)

2.7.1 中控系統(tǒng)——硬件

①系統(tǒng)服務器和上位機。

②核心交換網(wǎng)絡設備及視頻后臺處理設備。

③遠程操控終端及自動作業(yè)監(jiān)控管理終端，用于實現(xiàn)遠程操控及自動作業(yè)監(jiān)控管理操作。④中控設備配電及UPS 備電系統(tǒng)。⑤服務器柜及網(wǎng)絡機柜。

2.7.2 中控系統(tǒng)——軟件

無人天車軟件系統(tǒng)主要用于抓斗智能天車的調(diào)度與管理，承接上位機系統(tǒng)或MES 系統(tǒng)生產(chǎn)計劃，同時兼顧庫區(qū)的激光掃描、車輛識別管理系統(tǒng)、安全、視頻監(jiān)控等設備的協(xié)同智能化管理，建立多系統(tǒng)非線性系統(tǒng)數(shù)學模型，設計最優(yōu)算法，通過計劃排程、設備調(diào)度、路徑規(guī)劃和提供多用戶、智能化、模塊化的控制系統(tǒng)，達到減少人工勞動強度、提高物料信息與設備安全、提升庫區(qū)運行效率等目標，是整個智能無人天車系統(tǒng)中的核心組成部分。

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)人工模式下精礦倉配料車間的物料操作管理方法相比，引入智能化無人化的抓斗吊天車系統(tǒng)，不但能夠減輕人工管理成本，還能解決配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣，人工勞動強度大，作業(yè)效率低，設備維護費用高等問題?；诖耍阅秤猩饘僖睙捁煞萦邢薰镜木V倉配料車間中經(jīng)過智能化改造的無人化抓斗吊天車系統(tǒng)為例，在介紹該系統(tǒng)作業(yè)流程、功能模塊的基礎上，著重介紹了其各個技術(shù)系統(tǒng)的應用，希望能為實現(xiàn)該企業(yè)行車加料的智能化全自動運行而有所幫助。