楊曉東

（攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠，四川 攀枝花 617023）

冷軋廠原料庫作為物流銜接和生產(chǎn)節(jié)奏控制的重要樞紐，也是現(xiàn)代工廠信息化、無人化和智能化建設(shè)的基礎(chǔ)；天車作為原料庫最重要的執(zhí)行單元，研究天車與智能原料庫管理平臺(tái)深度融合，從根本上改變了原料庫的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)天車無人吊運(yùn)和原料庫智能調(diào)度，推進(jìn)數(shù)字鞍鋼建設(shè)，促進(jìn)生產(chǎn)資料信息流通具有重要的意義。

1 原料庫現(xiàn)狀

攀鋼釩冷軋廠1996年建成投產(chǎn)，熱軋鋼卷經(jīng)火車運(yùn)輸至冷軋酸洗原料庫廠房，原料庫為酸軋機(jī)組提供熱軋卷生產(chǎn)原料，庫區(qū)長250 m，寬30 m，采用封閉廠房結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)火車道一條，天車3臺(tái)（單跨），庫區(qū)容量1.3萬t，采用火車臥卷運(yùn)輸熱軋鋼卷，鋼卷庫區(qū)存放方式為臥卷單層存放。現(xiàn)有原料庫存在的主要問題：

（1）所涉及的熱軋?jiān)箱摼砘疖囘\(yùn)輸信息接收、裝卸料流程、天車吊運(yùn)、吊運(yùn)指揮、數(shù)據(jù)核對(duì)、庫區(qū)管理、生產(chǎn)計(jì)劃查詢、酸軋機(jī)組生產(chǎn)銜接等均由人工手動(dòng)完成，原料操作工作業(yè)量大、信息銜接多、要求高、易出錯(cuò)、危險(xiǎn)度高；

（2）設(shè)備自動(dòng)化水平低、物流信息不共享，地面鋼卷的擺放很難做到整齊有序的存放，降低了庫區(qū)的鋼卷存放量，多臺(tái)天車協(xié)同運(yùn)行困難，天車使用效率低，導(dǎo)致天車司機(jī)工作時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工成本高，還容易發(fā)生設(shè)備故障和鋼卷數(shù)據(jù)信息丟失等問題。

2 智能化改造整體方案

根據(jù)原料庫的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，基于無人天車的智慧原料庫平臺(tái)搭建，進(jìn)行天車無人化改造和倉儲(chǔ)物流管理（WMS）系統(tǒng)的構(gòu)建。天車與智能庫管系統(tǒng)由物理域和信息域共同構(gòu)成。物理域由若干測(cè)量設(shè)備、反饋設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備組成，這些設(shè)備具有通信能力、感知能力和指令執(zhí)行能力。信息域以WMS系統(tǒng)為核心接收和發(fā)出指令，整個(gè)原料庫區(qū)實(shí)現(xiàn)無人化操作，具體方案如下：

（1）將 1-1#、1-2#兩臺(tái)天車改為變頻自動(dòng)天車，1-3#設(shè)備保留原常規(guī)轉(zhuǎn)子切電阻的方式驅(qū)動(dòng)，考慮1-3#天車使用時(shí)與另兩臺(tái)天車的安全聯(lián)鎖。

（2）增加天車智能化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天車無人操作，自動(dòng)作業(yè)。

（3）增加WMS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)庫區(qū)鋼卷管理功能，與L3（工廠制造執(zhí)行系統(tǒng)）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（4）火車平板車配有專用的鋼卷鞍座，天車自動(dòng)完成從火車上卸運(yùn)和入庫鋼卷作業(yè)。

（5）天車自動(dòng)完成酸洗步進(jìn)梁鞍座上料作業(yè)。

（6）原料庫區(qū)安全物理隔離以及在圍欄上增加攝像頭，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別。

（7）冷軋L3系統(tǒng)、物流鐵路運(yùn)輸指揮系統(tǒng)及L1（基礎(chǔ)自動(dòng)化）系統(tǒng)的適應(yīng)性修改。

（8）設(shè)置工控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全措施。

整個(gè)庫區(qū)改造集成了先進(jìn)傳感、無線通信、智能算法等多種技術(shù)。WMS系統(tǒng)作為智能庫區(qū)管理的核心，通過不同的接口對(duì)物流系統(tǒng)中鋼卷運(yùn)輸任務(wù)進(jìn)行智能調(diào)度，具體負(fù)責(zé)天車和鞍座位置坐標(biāo)管理、吊運(yùn)工單生成、接口通信兼容等一系列功能，并把吊運(yùn)工單下發(fā)給天車，天車自動(dòng)完成吊運(yùn)任務(wù)。天車與智能庫管系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

圖1 天車與智能庫管系統(tǒng)配置圖Fig.1 Configuration Diagram for Overhead Travelling Crane and Intelligent Control Sysytem for Warehouse

3 天車無人化改造

3.1 天車控制系統(tǒng)

天車是原料庫智能化平臺(tái)中的執(zhí)行單元，天車的現(xiàn)場(chǎng)控制模式有多種，能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用條件，操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作需要選擇維護(hù)模式、自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、遠(yuǎn)程控制模式等。天車控制單元作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，天車控制系統(tǒng)結(jié)合先進(jìn)的HMI技術(shù)、變頻器控制技術(shù)、多種通訊管理技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)［1］，建立了完整的通信網(wǎng)絡(luò)控制和安全連鎖系統(tǒng)，天車控制系統(tǒng)收發(fā)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器的數(shù)據(jù)信息。

天車無人化的執(zhí)行，離不開各種傳感器代替操作人員進(jìn)行距離、位置、高度的測(cè)量，對(duì)傳感器的精度和質(zhì)量提出了更高的要求。比如天車大小車機(jī)構(gòu)定位方式采用雙激光測(cè)距冗余方式，以記錄一個(gè)激光傳感器距離測(cè)量數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)，利用另一個(gè)激光傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)來復(fù)核主數(shù)據(jù)的正確性，并采取軟硬件防撞方案，精確的位置檢測(cè)和變頻裝置良好的控制特性使天車行車速度和位置控制更加可靠、準(zhǔn)確和安全。同時(shí)天車控制系統(tǒng)通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)反饋給 WMS系統(tǒng)，WMS系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器反饋的信號(hào)進(jìn)行匯總、整理、分析，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或傳感器損壞，控制系統(tǒng)經(jīng)過研判立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并中斷相應(yīng)的動(dòng)作以保護(hù)天車或鋼卷。

天車控制系統(tǒng)采用西門子S7-1215C作為上位機(jī)，系統(tǒng)通過PROFINET連接遠(yuǎn)程ET200 MP站，ET200 MP的I/O模塊連接現(xiàn)場(chǎng)各種傳感器、執(zhí)行器、限位開關(guān)等，S7-1215C作為天車控制的“大腦”，在遠(yuǎn)程自動(dòng)模式下主要接收WMS系統(tǒng)下發(fā)的指令，手動(dòng)模式下通過自身程序控制天車的運(yùn)行；S7-1215C還通過PROFINET與交流變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，通過變頻器對(duì)天車電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制，天車控制系統(tǒng)有如下特點(diǎn):

（1）天車的PLC控制系統(tǒng)通過變頻器控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無極調(diào)速，減少了天車頻繁啟動(dòng)對(duì)電機(jī)造成的沖擊，保證電機(jī)等電氣設(shè)備能夠平穩(wěn)的啟動(dòng)和停止。

（2）電機(jī)采用變頻裝置控制后，能夠?qū)﹄姍C(jī)運(yùn)行電流電壓進(jìn)行在線監(jiān)控，通過裝置參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和線路完善的保護(hù)功能，預(yù)防常見故障的發(fā)生。

（3）天車交流變頻裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備體積小巧，便于診斷和維修。

（4）天車吊具為專用吊具，由PLC控制系統(tǒng)控制其動(dòng)作，主要完成夾緊、松開、吊具升降、稱重和旋轉(zhuǎn)等功能。專用吊具增加了豐富的監(jiān)測(cè)設(shè)備：下降高度檢測(cè)傳感器、下對(duì)位激光檢測(cè)儀、上對(duì)位激光檢測(cè)儀、夾緊到位傳感器、松開到位傳感器等監(jiān)測(cè)元件。

（5）天車吊具防搖擺方式采用電氣防搖控制，電氣防搖控制系統(tǒng)通過對(duì)天車鉤頭搖擺角度、擺長、天車運(yùn)行速度等變量的采集、運(yùn)算，給天車大車和小車變頻器施加相應(yīng)的速度補(bǔ)償，來抵消鉤頭夾具的搖擺，從而提高天車夾起和放下鋼卷時(shí)的作業(yè)效率。防搖擺控制系統(tǒng)主要由角度檢測(cè)儀、紅外標(biāo)記和防搖擺控制器組成。角度檢測(cè)儀在天車小車上垂直向下安裝，紅外標(biāo)記在小車正下方的鉤頭上水平安裝，兩者垂直對(duì)準(zhǔn)。紅外標(biāo)記的搖擺即是鉤頭的搖擺，從而使得角度檢測(cè)儀能檢測(cè)出鉤頭的搖擺角度，作為防搖擺控制的閉環(huán)反饋信號(hào)。防搖系統(tǒng)控制核心部分是防搖功能塊，防搖功能塊內(nèi)的防搖控制算法會(huì)生成天車變頻器速度給定曲線，傳遞給天車變頻器；天車變頻器接收防搖控制單元的速度給定曲線，并按照此速度曲線控制天車電機(jī)的速度。天車電機(jī)拖動(dòng)天車平臺(tái)，使天車平臺(tái)在天車軌道上水平移動(dòng)，很好的實(shí)現(xiàn)了天車吊具無慣性擺動(dòng)運(yùn)行［2］。

3.2 車輛識(shí)別單元車

測(cè)量識(shí)別接收火車的實(shí)際位置坐標(biāo)，在卸卷作業(yè)時(shí)自動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別對(duì)象是對(duì)運(yùn)輸車進(jìn)行三維圖像掃描，完成對(duì)鋼卷的寬度和卷徑測(cè)量，確定鋼卷形狀、位置和高度等信息，這些信息最終通過手持平板電腦確認(rèn)后通過無線傳輸?shù)絎MS系統(tǒng)中，完成第一次鋼卷信息的確認(rèn)和傳遞。同時(shí)，WMS系統(tǒng)完成對(duì)鋼卷信息的分析和處理，實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)抓放卷過程中對(duì)鋼卷中心和寬度的精確定位，以及精準(zhǔn)的自動(dòng)抓放操作。

4 WMS系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 WMS系統(tǒng)接口

WMS系統(tǒng)作為原料庫數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，對(duì)整個(gè)原料庫和天車吊運(yùn)任務(wù)實(shí)施管理，WMS系統(tǒng)接口示意圖見圖2。WMS系統(tǒng)對(duì)鋼卷定位是通過大車、小車測(cè)距以及主鉤編碼器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳回到WMS系統(tǒng)中，形成三維空間坐標(biāo)點(diǎn)，兩臺(tái)天車移動(dòng)坐標(biāo)小車范圍為2 900～25 500 mm；大車范圍：1#天車為9 000～15 000 mm，2#天車為85 000～250 000 mm。以大車的位置作為X軸，小車行走作為Y軸，主鉤升降作為Z軸，由此建立了天車三維空間坐標(biāo)系，地面上對(duì)應(yīng)鋼卷存放的鞍座位置由X、Y軸的激光監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定。

圖2 WMS系統(tǒng)接口示意圖Fig.2 Interface Diagram for WMS System

4.2 WMS系統(tǒng)功能

WMS系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)具有訂單分解、實(shí)時(shí)控制、天車動(dòng)作優(yōu)先級(jí)確定界定、產(chǎn)品跟蹤和設(shè)備控發(fā)吊運(yùn)指令，并將其轉(zhuǎn)化為天車任務(wù)單下發(fā)到無人天車PLC控制系統(tǒng)中，天車接收指令按照規(guī)劃的路徑將鋼卷吊運(yùn)到指定位置。天車PLC控制系統(tǒng)是兩臺(tái)天車協(xié)同調(diào)度的具體實(shí)現(xiàn)者，依據(jù)兩臺(tái)天車的位置劃分，根據(jù)鋼卷位置把鋼卷任務(wù)下發(fā)給離工作任務(wù)最近的天車，把復(fù)雜吊運(yùn)任務(wù)分解為易于單個(gè)天車執(zhí)行的指令，天車實(shí)時(shí)與WMS交互信息，直到任務(wù)單完成。WMS把天車協(xié)同作業(yè)中可能遇到的問題提前規(guī)避，比如兩臺(tái)天車的大車通過激光測(cè)距儀設(shè)置安全距離，避免發(fā)生碰撞。WMS管理系統(tǒng)、天車控制系統(tǒng)、機(jī)組L1和L3以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)控制為核心，關(guān)注的核心理念是高效的任務(wù)執(zhí)行和流程規(guī)劃策略，對(duì)整個(gè)原料庫的控制過程實(shí)現(xiàn)信息可視化，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化，策略智能化，這些功能通過C#編程語言做成可視化圖形，WMS系統(tǒng)主畫面見圖3。WMS系統(tǒng)可視圖形主要功能有：菜單管理、設(shè)置信息、設(shè)備信息、天車信息、信息查詢、圖庫查詢、手動(dòng)錄入作業(yè)指令，涉及到的信息按分類管理，功能按模塊化設(shè)計(jì)，便于操作人員使用。

圖3 WMS系統(tǒng)主畫面Fig.3 Main Screen of WMS System

5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

原料庫智能化改造后作業(yè)人員減少，生產(chǎn)人員需要視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供清晰的現(xiàn)場(chǎng)畫面，智慧平臺(tái)也需要與視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。為此，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，使其實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與設(shè)備運(yùn)行條件報(bào)警聯(lián)動(dòng)、重要畫面自動(dòng)彈出、遠(yuǎn)程控制等功能，原料庫視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 原料庫視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖Fig.4 Video Network System Diagram for Raw Material Warehouse

原料庫視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用全網(wǎng)視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，主要由前端單元、傳輸單元、管理及分析平臺(tái)、存儲(chǔ)單元及顯示單元組成，所有視頻信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)線纜或光纜送至各中控室，中控室作為區(qū)域中心，配置高性匯聚交換器，滿足視頻監(jiān)控需要。智能識(shí)別的視頻圖像傳輸?shù)脚输摴I(yè)視頻智能管控平臺(tái)，平臺(tái)包括管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和邊緣計(jì)算資源三部分，其主要功能為視頻管理和視頻智能分析。視頻管理包括用戶管理、角色管理、授權(quán)管理、系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、用戶密碼管理、視頻展示、回放、系統(tǒng)接口、信息交互及分析報(bào)警等。視頻智能基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊匹配的圖像識(shí)別技術(shù)，通過電子圍欄分類存儲(chǔ)區(qū)域、禁入?yún)^(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)鋼卷輪廓發(fā)生變化、受限車輛與人員闖入均會(huì)發(fā)出報(bào)警。

6 應(yīng)用情況

攀枝花鋼釩有限公司冷軋?jiān)蠋鞜o人吊車改造項(xiàng)目在2020年9月簽訂合同，整個(gè)項(xiàng)目主要對(duì)吊車電控、中控室、庫區(qū)改造、智能吊車控制、WMS系統(tǒng)、物流信息進(jìn)行了改造或新增，主要利舊的部分有天車的大梁和軌道等。

智能庫區(qū)改造歷時(shí)半年完成了整個(gè)系統(tǒng)集成和調(diào)試，并投入生產(chǎn)運(yùn)行，現(xiàn)在原料庫區(qū)允許兩臺(tái)天車協(xié)調(diào)作業(yè)，原料庫的鋼卷實(shí)現(xiàn)入庫、在庫、出庫全流程在線管理，提升了原料庫操作時(shí)效性和準(zhǔn)確性。原料庫鋼卷整齊擺放，庫區(qū)鋼卷信息與冷軋L3系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互，原料庫鋼卷信息在WMS系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了可視化、信息化和智能化管理，操作人員在中控室的人機(jī)畫面上派發(fā)吊運(yùn)鋼卷號(hào)，WMS系統(tǒng)根據(jù)鋼卷號(hào)查找鋼卷定位，分派任務(wù)給天車執(zhí)行吊運(yùn)任務(wù)，天車完成從空吊具到尋找鋼卷、吊卷上機(jī)組鞍座過程的總時(shí)間小于90 s，滿足酸洗機(jī)組頭部上卷的節(jié)奏（小于120 s），同時(shí)降低了吊車司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度。

7 結(jié)語

攀枝花鋼釩有限公司冷軋?jiān)蠋焯燔嚐o人化改造和倉儲(chǔ)物流管理（WMS）系統(tǒng)，結(jié)合了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化設(shè)備間的信息實(shí)時(shí)交互，可實(shí)時(shí)獲取天車三維空間坐標(biāo)的定點(diǎn)，并依據(jù)鋼卷或障礙物坐標(biāo)，計(jì)算出天車位置坐標(biāo)和鋼卷位置坐標(biāo)，根據(jù)避讓原則為天車在動(dòng)作過程中進(jìn)行指導(dǎo)和規(guī)范，整個(gè)吊運(yùn)路徑由WMS系統(tǒng)提供最優(yōu)選擇，鋼卷庫存信息實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化管理。該解決方案在本廠軋后庫區(qū)以及在其它單位得到推廣，助推攀鋼數(shù)字化水平躍上一個(gè)新的臺(tái)階。