韓志勇，郭正剛

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

安全生產(chǎn)是鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的重要保證，在鋼廠生產(chǎn)流程中，鋼包安全起吊是保證企業(yè)安全生產(chǎn)的關鍵。鋼包起吊具有高強度、高頻次的特點，雖然事故發(fā)生頻率 （事故數(shù)/起吊數(shù)）低，可一旦發(fā)生，便是重大惡性事故。目前，國內(nèi)鋼廠主要通過人工目視實現(xiàn)鋼包起吊操作，由于現(xiàn)場光線不足、大量粉塵遮擋視線以及遠距離觀察不清等原因，在鋼包起吊系統(tǒng)中雙鉤不同步情況下起吊鋼包，易造成鋼包傾覆的重大事故［1-2］。因此，有必要開發(fā)一個能及時準確辨識鋼包起吊異常且可靠易用的鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)，降低鋼包起吊操作事故率，保證安全生產(chǎn)。

1 鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)主要通過對起重機兩個吊鉤姿態(tài)的同步性檢測，結合兩個吊鉤吊重差異，形成可否起吊的決策。

1.1 系統(tǒng)構成

鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)由雙吊鉤姿態(tài)感應子系統(tǒng)、“重量+位置”決策子系統(tǒng)和AB重時序決策子系統(tǒng)組成。三個子系統(tǒng)均獨立形成起吊決策，交叉驗證后形成最終的起吊決策，保證起吊決策的準確性。

1.1.1 雙吊鉤姿態(tài)感應子系統(tǒng)

雙吊鉤姿態(tài)感應子系統(tǒng)由雙鉤姿態(tài)檢測模塊、工控機等構成，見圖1。雙吊鉤姿態(tài)感應子系統(tǒng)設置兩個姿態(tài)感應裝置，分別安裝在兩個吊鉤的合適位置，見圖2。

圖1 雙吊鉤姿態(tài)感應子系統(tǒng)構成Fig.1 Composition of Posture-sensing Subsystem for Double Hanging Hook

圖2 姿態(tài)感應裝置安裝位置Fig.2 Installation Position for Posture-sensing Equipment

通過內(nèi)部傳感器檢測每個吊鉤的實時姿態(tài)，通過Zigbee通訊將實時姿態(tài)傳輸至控制室中的主機接收裝置，主機將接收到的雙鉤姿態(tài)信息進行處理后，比較判斷雙鉤是否處于同步狀態(tài)，將判斷結果通過聲光報警形式輸出。

1.1.2 “重量+位置”決策子系統(tǒng)

“重量+位置”決策子系統(tǒng)中的“重量”指的是雙鉤起吊鋼包的重量；“位置”指的是起吊的空間位置。該子系統(tǒng)首先進行仿真及實驗得到安全起吊鋼包的重量和位置數(shù)據(jù)集，然后通過系統(tǒng)自學習功能得到安全起吊的決策函數(shù)，形成決策能力。在該子系統(tǒng)工作中，從天車控制系統(tǒng)實時獲取吊重數(shù)據(jù)和起吊位置數(shù)據(jù)，通過訓練得到的決策函數(shù)對數(shù)據(jù)進行計算，判別該次起吊是否安全。

1.1.3 AB重時序決策子系統(tǒng)

AB重時序決策子系統(tǒng)需要分別采集A吊鉤和B吊鉤的實時起重重量，并加入時間維度進行時序分析。該子系統(tǒng)首先收集以往天車控制系統(tǒng)中的起吊數(shù)據(jù)形成訓練數(shù)據(jù)集，然后分析安全起吊的數(shù)據(jù)模式，形成安全起吊模式邊界，進而形成起吊決策能力。

1.2 系統(tǒng)信息處理層次

鋼包起吊監(jiān)測系統(tǒng)信息處理層次圖見圖3。

圖3 鋼包起吊監(jiān)測系統(tǒng)信息處理層次圖Fig.3 Hierarchical Diagram for Information Processing of Ladle Hoisting Monitoring System

第一層為數(shù)據(jù)獲取層。系統(tǒng)由兩個姿態(tài)感應模塊獲取吊鉤姿態(tài)原始信息，由天車控制系統(tǒng)獲取吊重、位置等信息。

第二層為數(shù)據(jù)傳輸層。吊鉤姿態(tài)原始信息通過無線方式送入工控機；吊重、位置等信息通過有線方式送入工控機。

第三層為算法層。由于平動加速度、沖擊等干擾，吊鉤姿態(tài)原始信息并不能直接作為吊鉤姿態(tài)數(shù)據(jù)使用，需通過卡爾曼濾波、數(shù)據(jù)融合機器學習等算法處理，形成確切的吊鉤姿態(tài)數(shù)據(jù)；該層還為“重量+位置”決策子系統(tǒng)和AB重時序決策子系統(tǒng)提供學習算法支持，以進行數(shù)據(jù)訓練并形成決策函數(shù)和模式邊界。

第四層為決策層。根據(jù)各個子系統(tǒng)的實時輸入數(shù)據(jù)，給出起吊決策。

第五層為輸出層。根據(jù)決策層形成的決策，輸出層完成屏幕顯示、聲光報警、開關量等信息的輸出。

2 吊鉤姿態(tài)檢測方法及數(shù)據(jù)解析

鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)中吊鉤姿態(tài)檢測方法及數(shù)據(jù)解析對于及時準確的獲取吊鉤姿態(tài)數(shù)據(jù)具有重要意義［3-4］。

2.1 姿態(tài)檢測傳感器的選擇

選擇使用一款高精度姿態(tài)檢測傳感器是設計可靠性較高的鋼包吊裝姿態(tài)檢測系統(tǒng)的關鍵。傳感器需要集成卡爾曼濾波模塊，具有成本低、體積小、功耗低和可靠性高，易于實現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及普遍適用性和抗干擾能力強等特點。本設計的傳感器主要部件性能參數(shù)如表1所示，傳感器姿態(tài)角精度如表2所示。

表1 傳感器主要部件的性能參數(shù)Table 1 Parameters for Main Components of Sensor

表2 傳感器姿態(tài)角精度Table 2 Precision of Sensor Posture Angle

鋼包吊裝姿態(tài)檢測系統(tǒng)被測對象的加速度范圍為±8 g，表1中加速度計的測量范圍為±16g，所選傳感器滿足系統(tǒng)加速度測量范圍要求。鋼包吊裝姿態(tài)檢測系統(tǒng)角度的動態(tài)測量精度要求為0.5°，由表2可見，滾轉角與俯仰角的動態(tài)精度符合要求且無漂移現(xiàn)象，而偏航角存在一定的漂移現(xiàn)象，長期測量穩(wěn)定性會略差。因此，選擇俯仰角作為系統(tǒng)測量吊鉤角度的敏感方向，而滾轉角及偏航角作為傳感器與吊鉤安裝偏差的修正參考參數(shù)。

2.2 傳感器俯仰角的數(shù)據(jù)解析

（1） 主要任務

使用STM32單片機UART3讀取姿態(tài)檢測模塊的數(shù)據(jù)，提取模塊十六進制的俯仰角數(shù)據(jù)，將其轉換為十進制的角度值，然后通過STM32單片機USART1將解析后的數(shù)據(jù)傳輸給工控機。

（2）傳感器的數(shù)據(jù)結構

數(shù)據(jù)組成：數(shù)據(jù)頭/數(shù)據(jù)ID/數(shù)據(jù)長度/數(shù)據(jù)/校驗和。

數(shù)據(jù)頭（3 個十六進制數(shù)）：0×59、0×49、0×53

數(shù)據(jù)ID（2個十六進制數(shù)）：變化的值

數(shù)據(jù)長度（1個十六進制數(shù)）：0×78

數(shù)據(jù)（120個十六進制數(shù)）：由8個數(shù)據(jù)包組成

校驗和（1 個十六進制數(shù)）：0×78

一個完整的數(shù)據(jù)長度為（127個2位十六進制數(shù)組成）：3+2+1+120+1=127。其中，俯仰角數(shù)據(jù)由第 79、80、81和 82的 2位十六進制數(shù)組成；在STM32單片機對數(shù)據(jù)進行解析時，數(shù)據(jù)俯仰角由USART3_RX_BUF數(shù)組中的第USART3_RX_BUF[78]、USART3_RX_BUF[79]、USART3_RX_BUF[80]和USART3_RX_BUF[81]的數(shù)組元素表示，這4個數(shù)組元素都是由2位十六進制數(shù)組成 （由于數(shù)組有第0位數(shù)組元素）。俯仰角的數(shù)據(jù)格式如圖4所示，按照圖4的數(shù)據(jù)格式編程，即可實現(xiàn)對姿態(tài)檢測傳感器俯仰角的數(shù)據(jù)解析。

圖4 俯仰角的數(shù)據(jù)格式Fig.4 Data Format for Angle of Pitch

3 應用實踐

鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)設計完成后在鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠進行了應用實踐。起重機模擬了一個完整的運輸作業(yè)，包括起吊、撞鉤、正常掛鉤以及非正常掛鉤，系統(tǒng)監(jiān)測到雙吊鉤都正常勾住鋼包的兩個耳軸時，可進行鋼包起吊作業(yè)；反之，上位機發(fā)出報警信息，停止鋼包的起吊作業(yè)。圖5為鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)的應用。

圖5 鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)的應用Fig.5 Application of Intelligent Monitoring System for Ladle Hoisting

起重機吊鉤作業(yè)較為緩慢平穩(wěn)，一個工作周期大約為16 min，系統(tǒng)設定采樣頻率為2 Hz，連續(xù)采樣一個周期，吊鉤姿態(tài)角度和姿態(tài)角度差分別如圖6和圖7所示，圖6和圖7中的同一狀態(tài)分別對應同一時間段。

圖6 吊鉤姿態(tài)角度數(shù)據(jù)Fig.6 Data for Posture Angle of Hanging Hook

圖7 吊鉤姿態(tài)角度差數(shù)據(jù)Fig.7 Data for Posture Angle Difference of Hanging Hook

該系統(tǒng)設定撞鉤的正方向為吊鉤姿態(tài)角正方向，吊鉤自然懸垂狀態(tài)的姿態(tài)角度為0°，吊鉤角度預警值設為-5°。由起重機實際運行狀態(tài)可知，吊鉤的姿態(tài)角度無法穩(wěn)定在正方向，因此上位機即可設定-5°～0°為正常掛鉤。由實驗數(shù)據(jù)可知，狀態(tài)1表示當起重機靠近鋼包，吊鉤A、B姿態(tài)角度均為0°，此時雙吊鉤為自然懸垂狀態(tài)。狀態(tài)2表示起重機撞擊鋼包耳軸，吊鉤往復運動模擬鉤尖勾住鋼包耳軸，所以吊鉤角度有較大的振動，此時無法吊起鋼包。狀態(tài)3表示起重機的兩個吊鉤都用鉤尖掛住鋼包耳軸，姿態(tài)角度差為0°，但姿態(tài)角為-6°，超過吊鉤的預警值，若此時起吊，起重機小車運動產(chǎn)生的沖擊足以使鋼包從雙吊鉤上脫落，造成嚴重事故。狀態(tài)4表示起重機兩個吊鉤都正常的勾住鋼包耳軸，此時吊鉤的姿態(tài)角與正常懸垂時的姿態(tài)角相同，都為0°，上位機提示可以起吊。狀態(tài)5表示吊鉤A正常勾住鋼包耳軸，而吊鉤B只是鉤尖勾住鋼包耳軸，吊鉤AB的角度差為6°，超過吊鉤的預警值，若此時起吊，吊鉤B會受到?jīng)_擊而與該側的鋼包耳軸脫離，導致鋼包傾覆事故。狀態(tài)6表示雙吊鉤正常勾住鋼包耳軸，與狀態(tài)4完全相同。

該實驗結果表明，系統(tǒng)能實時感知吊鉤的姿態(tài)角度變化，并能及時準確判斷雙吊鉤的掛鉤狀態(tài)。但是若用原始數(shù)據(jù)作為判據(jù)會有許多高峰突變值，導致系統(tǒng)產(chǎn)生誤報，后續(xù)可將數(shù)據(jù)進行處理后與閾值比較，提高系統(tǒng)的準確率。

進行了多次實驗以監(jiān)測姿態(tài)感應裝置的電池用電量，經(jīng)過計算得出，一次充滿電后，姿態(tài)感應裝置在中等強度的工作條件下，電池電量可以使用180 d。生產(chǎn)實踐中，信號無線傳輸誤碼率小于1‰，由于系統(tǒng)采用了通信數(shù)據(jù)校驗算法，未出現(xiàn)誤動作的情況。

4 結語

針對鋼包起吊過程中人工目視操作受現(xiàn)場光線不足、大量粉塵遮擋視線以及遠距離觀察不清等客觀條件的影響，雙鉤不同步情況下起吊鋼包，易引發(fā)鋼包傾覆重大安全事故的問題，基于吊鉤姿態(tài)檢測方法設計了鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由雙吊鉤姿態(tài)感應子系統(tǒng)、“重量+位置”決策子系統(tǒng)及AB重時序決策子系統(tǒng)構成，實現(xiàn)了吊鉤姿態(tài)的檢測及姿態(tài)數(shù)據(jù)的解析。實踐表明，鋼包起吊智能監(jiān)測系統(tǒng)可以及時準確監(jiān)測鋼包起吊異常情況，降低鋼包起吊操作事故的發(fā)生率，保證生產(chǎn)安全。