物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能化物料搬運系統(tǒng)中的應(yīng)用?

孫曉霞，孟文俊，智 慧

（太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

物料搬運裝備如起重機械、連續(xù)輸送機械、場內(nèi)機動車輛等，它們的功能雖然強大，但是都比較單一，如起重機械主要用于重物的上下運動，連續(xù)輸送機械一般是指沿著固定的輸送線路進行的，場內(nèi)機動車輛主要用于地面搬運成件的物品。但是，現(xiàn)代化的工業(yè)需求是多種多樣的，以上任何一種設(shè)備都不能單獨地滿足使用需求，因此，要滿足現(xiàn)代工業(yè)這種系統(tǒng)化的需求，就要把各種物料搬運裝備有機地結(jié)合起來形成系統(tǒng)。

物料搬運指將一系列相關(guān)的設(shè)備用于一個過程或系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)合理地將物料進行移動、存儲和控制的過程，所以物料、物料搬運裝備或單元、搬運路徑、控制單元構(gòu)成了基本的物料搬運系統(tǒng)。

物料搬運在生產(chǎn)物流中占據(jù)著相當重要的位置，搬運費用占產(chǎn)品成本相當大的比例，所以，物料搬運的快慢能對生產(chǎn)過程產(chǎn)生各種各樣的影響。要形成高度集成、良好協(xié)作、高效運作、適應(yīng)性強的智能化物料搬運系統(tǒng)，必須充分利用各種搬運裝備的特點，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，這樣有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期，還可以加快資金的周轉(zhuǎn)、提高企業(yè)的效益。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻識別（RFID）、激光掃描器、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。全面感知、可靠傳輸、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的核心，其可劃分為3層結(jié)構(gòu)體系：即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。這3層的關(guān)鍵技術(shù)包括：信息收集技術(shù)，如RFID標簽、傳感器等；信息傳輸技術(shù)，如有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)；信息處理技術(shù)，如云計算等。在智能化物料搬運系統(tǒng)中，主要應(yīng)用傳感技術(shù)，即利用各種傳感器，將監(jiān)控對象的變化進行量化，形成數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)送到指定的位置，如自動控制系統(tǒng)等，然后由自動控制系統(tǒng)利用智能運算技術(shù)對獲得的數(shù)據(jù)進行語義的理解、推理和決策，進而實現(xiàn)智能控制。本文將通過3個例子說明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是如何使物料搬運系統(tǒng)智能化的。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在連續(xù)裝卸系統(tǒng)智能化中的應(yīng)用

連續(xù)裝卸系統(tǒng)由取料頭和輸送帶組成，由取料頭從堆場取料，經(jīng)帶式輸送機送至指定地點。在取料頭上，可以安裝聲波傳感器，該傳感器能夠在灰塵環(huán)境下工作，如圖1所示。傳感器1用來感知或者獲取取料前物料層的表面位置，傳感器2用來獲取取料后物料層的表面位置，這些傳感器將獲得的數(shù)據(jù)（如瞬時上料流量、傳輸料流量等）傳到自動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)傳輸料流量與設(shè)定流量之間的上料流量差值控制取料頭取料角和切入角的變化，選取最佳的物料表面，準確定位，并前后移動層層取料，實現(xiàn)高效、自動地取料。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在裝卸船機系統(tǒng)智能化中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的裝卸船作業(yè)中，一般是通過現(xiàn)場的工作人員操作裝卸船來完成搬運和裝卸作業(yè)，人工操作的效率與人的經(jīng)驗、工作環(huán)境、心理狀態(tài)等因素密切相關(guān)，工作效率不易得到保證。這是物料搬運領(lǐng)域面臨的一個難題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為解決這一難題提供了一種有效的途徑。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能化裝卸船機中的應(yīng)用主要有以下幾種：

（1）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)卸船機的船艙掃描。安裝在卸船機上的激光傳感器可以自動地檢測到船艙艙口的位置，掃描船艙內(nèi)物料的分布情況，確保抓斗進去后能安全準確地選擇到一個最佳的抓取點，抓到物料。操縱卸船機司機只需要一直踩下腳踏板，無需操作其他裝置，即可連續(xù)執(zhí)行卸船作業(yè)。該功能大大減輕了司機的勞動強度，降低了對司機操作技巧的要求，可大大縮短培訓(xùn)周期，降低培訓(xùn)成本。

（2）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)裝船機的路徑規(guī)劃。根據(jù)裝船機司機選擇的裝載模式和自動裝載量，系統(tǒng)通過智能運算后，自動生成優(yōu)化的作業(yè)路徑，這樣能夠確保船身的動態(tài)平衡，司機只需要選擇合適的裝船模式，并啟動自動作業(yè)，無需一直操作手柄，大大減輕了司機的勞動強度，降低了對司機操作技巧的要求。

（3）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)裝船機的流量檢測。裝船作業(yè)過程中，傳感器能夠?qū)崟r檢測到帶式輸送機上物料的流量，并統(tǒng)計一段時間內(nèi)的累計流量。當累計流量達到規(guī)劃值時，控制系統(tǒng)自動控制裝船機按規(guī)劃路徑移到下一個最優(yōu)的位置或合適的作業(yè)點進行工作，從而保證發(fā)揮卸船機最佳的卸船能力。

圖1 連續(xù)裝卸系統(tǒng)中的取料頭

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤炭輸送系統(tǒng)智能化中的應(yīng)用

煤炭輸送系統(tǒng)主要用于帶式輸送機對煤炭連續(xù)運輸。過去，對帶式輸送機檢測、檢修都是靠人工完成，人們無法檢測到檢修間隔期間所發(fā)生的故障，而這期間發(fā)生的故障引起的損失是非常大的、不可估量的。利用多種類型的傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以獲取監(jiān)測對象的實時狀態(tài)、監(jiān)控特定對象的行為。在輸送機上安裝各種傳感器，然后監(jiān)控其運行狀態(tài)，可實現(xiàn)安全可靠地自動控制和故障診斷。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在煤炭輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下幾點：

（1）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)測輸送帶的撕裂故障。裝有物料的輸送帶在高速運行中，要檢測它什么地方被撕破了，或者有裂紋等是非常困難的。因此，有必要開發(fā)一種輸送帶的線圈防撕裂系統(tǒng)，如圖2所示，它包括了植入輸送帶中的線圈、探頭、控制器、RFID芯片和RFID的識別器等。通過探頭可監(jiān)測到線圈的脈沖信號，將檢測到的脈沖信號收集起來，用以判斷輸送帶是否發(fā)生撕裂故障，然后將分析結(jié)果和圖像傳到控制室監(jiān)控的屏幕上，便于及時地修整、維護，減少損失。

圖2 輸送帶的線圈防撕裂系統(tǒng)

（2）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)帶式輸送機的變頻調(diào)速功能。傳統(tǒng)的帶式輸送機一般是按照一定的恒定速度運行，不管輸送物料多少，輸送機都是恒速運動，不能隨著承載物料的多少進行變速輸送，能耗很大。在帶式輸送機中裝入稱重傳感器，可實現(xiàn)帶式輸送機隨物料多少而進行的變速輸送，達到重載時加速，輕載時減速，空載時停機的目標。稱重傳感器能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計量的輸出信號，控制系統(tǒng)獲得這些信號后，即可得出某一時間輸送帶上物料的瞬時流量，并與給定的流量值比較，若小于給定流量值時，則減速，否則，則加速。通過控制系統(tǒng)、稱重傳感器、變頻器之間的通訊，可根據(jù)輸送帶載荷大小調(diào)整輸送機的運行速度，達到智能、節(jié)能的目的。

（3）利用物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器監(jiān)測技術(shù)不僅可對工作場所等一些特別容易發(fā)生不明狀況的區(qū)域監(jiān)測，還可對工作設(shè)備監(jiān)測。如圖3所示，將傳感器1安裝在軸上監(jiān)測軸的情況；傳感器2安裝在電動機上，監(jiān)測輸送機運行過程中產(chǎn)生的周期性振動和溫度。

圖3 安裝在電機和軸上的傳感器

4 智能化物料搬運系統(tǒng)技術(shù)展望

在不久的將來，物料、物料搬運裝備及其系統(tǒng)有可能被賦予智能，而智能化需要智能技術(shù)的發(fā)展，需要其他技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的配合，如云計算、人工智能、M2M技術(shù)，才能使智能化物料搬運系統(tǒng)變得更加智能化、自主性、耐用和可靠。物料搬運系統(tǒng)智能化技術(shù)如圖4所示。

圖4 物料搬運系統(tǒng)智能化技術(shù)

4.1 云計算

智能化物料搬運系統(tǒng)的發(fā)展需要云計算強大的處理和存儲能力作為支撐，該搬運系統(tǒng)將使用數(shù)量驚人的傳感器采集海量信息。這些信息需要通過無線傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)向存儲和處理設(shè)備匯聚，而使用云計算來承載這些任務(wù)具有非常顯著的性價比優(yōu)勢。此外，使用云計算設(shè)備對這些數(shù)據(jù)進行處理、分析、挖掘，可以更加迅速、準確、智能地對物料搬運系統(tǒng)進行管理和控制。

4.2 人工智能

專家系統(tǒng)應(yīng)用在智能物料搬運系統(tǒng)中，主要是根據(jù)物料搬運的一些知識和經(jīng)驗，并總結(jié)成為搬運規(guī)則，存儲在知識庫中作為先驗知識，以確定搬運路線、搬運方案等。利用遺傳算法、蟻群算法等可求解物料搬運系統(tǒng)中的搬運路徑最短問題、搬運路線優(yōu)化問題。

4.3 M2M技術(shù)

利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和M2M技術(shù)可實現(xiàn)在系統(tǒng)中樞對分散在各地的物料搬運系統(tǒng)進行遠程控制和監(jiān)視，建立事故防范和應(yīng)急處置體系，為在線實時控制、快速準確上報事故和事故發(fā)生后的迅速及時調(diào)集應(yīng)急救援力量等提供更好的技術(shù)支持。

5 結(jié)論

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，智能化物料搬運系統(tǒng)已經(jīng)成為企業(yè)降低成本、提高效率、保證服務(wù)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對智能化物料搬運系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇，并有助于推動起重運輸機械行業(yè)智能物流的發(fā)展。但是從國內(nèi)現(xiàn)狀看來，物聯(lián)網(wǎng)和云計算等其他技術(shù)在智能化物料搬運系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于初級階段，要完全達到智能化的要求，還需要對其相關(guān)技術(shù)進行開創(chuàng)性研究。

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