一種堆取料機(jī)智能化改造方案

供稿|金闖，滕樹滿，周茂濤 / JIN Chuang, TENG Shu-Man, ZHOU Mao-Tao

隨著“中國制造2025”的逐步推進(jìn)，鋼鐵企業(yè)的裝備技術(shù)水平也在不斷提高。在現(xiàn)代化原料場的建設(shè)方面，國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)逐漸形成了一套以先進(jìn)設(shè)備為基礎(chǔ)、以自動(dòng)化技術(shù)為主線、以數(shù)字化和信息化技術(shù)為助力的原料場建設(shè)理念，建設(shè)了一批技術(shù)先進(jìn)、裝備一流、生產(chǎn)高效、綠色環(huán)保的智能化料場。對(duì)于部分老廠區(qū)的料場，堆取料機(jī)基本采用人工操作，工作要求高、強(qiáng)度大、現(xiàn)場環(huán)境差，為了改善這一現(xiàn)狀，各鋼鐵企業(yè)正在逐步嘗試對(duì)堆取料機(jī)及料場內(nèi)其他設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造，以達(dá)到無人值守的目標(biāo)。本文將重點(diǎn)介紹一種堆取料機(jī)智能化改造的方案。

堆取料機(jī)智能化系統(tǒng)改造方案

對(duì)堆取料機(jī)進(jìn)行智能化改造，需設(shè)計(jì)搭建軟硬件平臺(tái)，并建立基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)通訊，主要內(nèi)容包含：堆取料機(jī)智能化系統(tǒng)架構(gòu)的建立，堆取料機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)改造，堆取料機(jī)過程控制系統(tǒng)改造等內(nèi)容。

建立堆取料機(jī)智能化系統(tǒng)架構(gòu)

堆取料機(jī)智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖1。本系統(tǒng)包含堆取料基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和堆取料機(jī)過程控制系統(tǒng)。

堆取料機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)改造方案

堆取料機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)主要由堆取料機(jī)中控智能化設(shè)備、機(jī)上智能化設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備組成。通過PLC控制器，控制堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作，采集智能化檢測設(shè)備信號(hào)，保證堆取料機(jī)動(dòng)作安全有序運(yùn)行。

圖1 堆取料機(jī)智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

(1) 中控室設(shè)置操作臺(tái)。中控操作臺(tái)用于堆取料機(jī)工作中人工干預(yù)后備手段，在緊急情況下，可由操作人員在中控使用手柄控制堆取料機(jī)遠(yuǎn)程作業(yè)。人工操作與自動(dòng)操作可無縫切換，保證切換對(duì)作業(yè)流程影響最小。

(2) 增設(shè)操作終端。堆取料機(jī)新設(shè)置1臺(tái)操作終端，用于堆取料機(jī)人機(jī)交互。堆取料機(jī)智能化操作終端可進(jìn)行一對(duì)多操作，即一臺(tái)終端可任意控制多臺(tái)堆取料機(jī)同時(shí)自動(dòng)作業(yè)。

(3) 新增服務(wù)器。中控增加1套服務(wù)器柜，包含數(shù)據(jù)庫、圖像及應(yīng)用服務(wù)器共用 1臺(tái)。

(4) 增設(shè)智能化PLC柜。增設(shè)智能化PLC控制柜，布置于中控電氣室。配置IO模塊用于采集操作面板控制信號(hào)，設(shè)置以太網(wǎng)卡，與堆取料機(jī)車載PLC、系統(tǒng)流程PLC及堆取料機(jī)過程控制系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通訊。主要功能為：對(duì)中控PLC進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)料機(jī)選擇控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制及堆取料過程控制接口程序；讀取料場內(nèi)堆取料機(jī)當(dāng)前位置，計(jì)算相鄰料場兩臺(tái)料機(jī)間相互位置，設(shè)計(jì)相鄰料場間料機(jī)防撞程序，對(duì)進(jìn)入防撞區(qū)的堆取料機(jī)給出報(bào)警限制料機(jī)動(dòng)作，并控制堆取料機(jī)避讓。

(5) 增設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。堆取料機(jī)智能化視頻監(jiān)控作為全場視頻系統(tǒng)的一部分，采集堆取料機(jī)機(jī)上視頻圖像，在中控電氣室進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)管理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)從橫向的角度看可分為三個(gè)部分。前端接入層，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場圖像的采集；平臺(tái)管理層，負(fù)責(zé)前端設(shè)備接入及管理、賬號(hào)管理、認(rèn)證鑒權(quán)、圖像資源調(diào)度、平臺(tái)錄像存儲(chǔ)、網(wǎng)管等；輸出顯示層，負(fù)責(zé)將平臺(tái)調(diào)度到的圖像通過高清解碼器輸出到中控室的電視墻進(jìn)行顯示，或通過PC客戶端查看。

(6) 增設(shè)中控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。增設(shè)工業(yè)級(jí)交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)附件。建立中控與堆取料機(jī)的有線通訊網(wǎng)絡(luò)，分別設(shè)立視頻交換機(jī)、控制網(wǎng)交換機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)交換機(jī)，使視頻網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立無干擾。

堆取料機(jī)過程控制系統(tǒng)改造方案

堆取料機(jī)過程控制系統(tǒng)主要由服務(wù)器、客戶端組成，采用Client/Server結(jié)構(gòu)設(shè)置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、圖像服務(wù)器。與堆取料機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)通訊，讀取機(jī)上激光掃描儀數(shù)據(jù)及堆取料機(jī)狀態(tài)，進(jìn)行三維計(jì)算，控制堆取料機(jī)作業(yè)流程，完成堆取料機(jī)狀態(tài)信息監(jiān)控及料堆三維展示。

在堆取料機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)改造的基礎(chǔ)上，對(duì)堆取料機(jī)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)：

(1) 建設(shè)通訊通道。

與車載PLC通訊：利用機(jī)上工業(yè)通訊模塊、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用光纜方式連接，建立中控與地面堆取料機(jī)之間工業(yè)以太網(wǎng)及工業(yè)控制網(wǎng)的鏈路，作為雙方各類信息交換的通信平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)配置有線通信方案，機(jī)上-轉(zhuǎn)運(yùn)站間通過定制含光纖軟電纜進(jìn)行連接通訊，轉(zhuǎn)運(yùn)站-中控間通過光纜進(jìn)行連接通訊。機(jī)上-轉(zhuǎn)運(yùn)站-中控皆采用有線連接的方式進(jìn)行通訊。

與中控智能化PLC通訊：使用以太網(wǎng)采用OPC協(xié)議讀取，對(duì)堆料機(jī)的設(shè)備狀態(tài)流程狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并下發(fā)自動(dòng)作業(yè)命令。

與原料智能決策執(zhí)行系統(tǒng)通訊：讀取作業(yè)計(jì)劃，并將作實(shí)績等信息發(fā)送給原料智能決策執(zhí)行系統(tǒng)。

(2) 增設(shè)料堆數(shù)據(jù)采集設(shè)施，建立三維模型。

在堆料機(jī)懸臂兩側(cè)安裝高精度激光掃描儀，激光掃描儀通過網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備與中控圖像處理服務(wù)器通信。圖像服務(wù)器實(shí)時(shí)接收激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)，接收料機(jī)實(shí)時(shí)位置，并進(jìn)行分析、處理、與料機(jī)狀態(tài)相匹配，并對(duì)初步處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。用于后續(xù)數(shù)據(jù)計(jì)算及圖形展示和料堆補(bǔ)堆作業(yè)參考。

堆取料模型計(jì)算：圖像服務(wù)器與流程控制的應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。對(duì)堆取料機(jī)當(dāng)前作業(yè)任務(wù)進(jìn)行跟蹤，同時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過數(shù)學(xué)模型將數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，完成三維建模，確定料堆在堆場高度、寬度、外部形狀等重要位置的坐標(biāo)信息。

三維數(shù)據(jù)處理是三維成像模塊的核心功能：將三維建模后的料堆圖形，通過HMI畫面展示出，三維畫面可隨時(shí)調(diào)用，也可直接嵌入至計(jì)算機(jī)操作畫面。堆料作業(yè)中，實(shí)時(shí)跟蹤料堆堆型，提供料堆取料點(diǎn)周圍形狀的變化，并刷新生成料堆堆型圖。

(3) 增設(shè)人機(jī)交互界面。

中控設(shè)置人機(jī)交互界面，包含料場信息管理、取料機(jī)狀態(tài)顯示、過程數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警信息記錄、自動(dòng)操作畫面和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)料場單機(jī)遠(yuǎn)程統(tǒng)一監(jiān)控管理。

(4) 建立堆料模型。

堆料流程管理：將堆料流程模塊化，從接收原料智能決策執(zhí)行系統(tǒng)作業(yè)計(jì)劃至堆料結(jié)束，將各項(xiàng)工藝過程轉(zhuǎn)換為功能策略。流程管理在堆料不同階段調(diào)用不同功能策略。

料場管控系統(tǒng)：根據(jù)原料智能決策執(zhí)行系統(tǒng)的作業(yè)計(jì)劃，分析處理后發(fā)送作業(yè)指令；同時(shí)設(shè)置調(diào)試用“人機(jī)交互界面”可人工按作業(yè)計(jì)劃設(shè)定料種、起始位置、終止位置、堆料總量，方便人工對(duì)堆料控制過程進(jìn)行優(yōu)化。下發(fā)計(jì)劃后流程管理判斷堆料機(jī)是否滿足運(yùn)行條件，若滿足條件調(diào)用自動(dòng)對(duì)位策略。

自動(dòng)對(duì)位策略：堆料作業(yè)任務(wù)下發(fā)后，堆料機(jī)滿足自動(dòng)對(duì)位要求。補(bǔ)堆時(shí)調(diào)用三維成像模型進(jìn)行落料點(diǎn)計(jì)算，三維成像模型調(diào)用智能化系統(tǒng)堆料時(shí)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫的料堆三維數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)料堆進(jìn)行三維計(jì)算，分析堆料落料點(diǎn)位置，并將位置信息反饋給堆料模型，開始自動(dòng)對(duì)位。

堆取料機(jī)遛垛策略：當(dāng)堆料機(jī)走行至堆料終止地址時(shí)，開始自動(dòng)遛垛或根據(jù)剩余料量判斷是否進(jìn)行自動(dòng)遛垛。

(5) 建立取料模型。

取料流程管理：將取料流程模塊化，從接收原料智能決策執(zhí)行系統(tǒng)作業(yè)計(jì)劃至取料結(jié)束，將各項(xiàng)工藝過程轉(zhuǎn)換為功能策略，在取料不同階段調(diào)用不同功能策略。料場管控系統(tǒng)根據(jù)原料智能決策執(zhí)行系統(tǒng)的作業(yè)計(jì)劃，分析處理后發(fā)送作業(yè)指令，同時(shí)設(shè)置調(diào)試用“人機(jī)交互界面”按作業(yè)計(jì)劃設(shè)定料種、起始位置、終止位置、取料總量、開層長度、取料分層、并確定寸動(dòng)量，方便人工對(duì)取料控制過程進(jìn)行優(yōu)化。下發(fā)計(jì)劃后流程管理系統(tǒng)判斷取料機(jī)是否滿足運(yùn)行條件，若滿足條件則調(diào)用自動(dòng)對(duì)位策略；自動(dòng)對(duì)位完成后，調(diào)用自動(dòng)取料策略，實(shí)現(xiàn)取料機(jī)回轉(zhuǎn)取料及邊界寸動(dòng)；在取料過程中，調(diào)用邊界流量策略和取料流量策略，保證取料量穩(wěn)定；取料機(jī)取料至計(jì)算開層量后，調(diào)用換層策略實(shí)現(xiàn)取料機(jī)自動(dòng)換層。

(6) 設(shè)置故障分析處理方案。

采用多種檢測保護(hù)方案，對(duì)故障進(jìn)行分析處理，設(shè)置軟限位及硬件限位，通過精確定位裝置對(duì)取料機(jī)前進(jìn)、后退、上仰、下俯、回轉(zhuǎn)左右極限進(jìn)行限定，保證大車運(yùn)行過程中的安全。根據(jù)中控PLC中堆取料機(jī)間防撞判斷，發(fā)出報(bào)警，提示操作人員進(jìn)行干預(yù)，提高故障處理效率。

堆取料機(jī)智能化系統(tǒng)作業(yè)方案

料堆的激光成像掃描儀安裝在堆取料機(jī)大臂兩側(cè)，當(dāng)堆取料機(jī)作業(yè)開始時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)掃描儀工作，作業(yè)過程中實(shí)時(shí)采集料堆三維數(shù)據(jù)，形成三維圖形，當(dāng)作業(yè)完成時(shí)，自動(dòng)停止掃描儀工作。堆取料機(jī)智能化系統(tǒng)作業(yè)方案為：

(1) 堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)開始時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)掃描儀開始工作，根據(jù)作業(yè)指令、三維圖形以及模型計(jì)算的結(jié)果，控制堆取料機(jī)完成自動(dòng)對(duì)位并實(shí)時(shí)采集料堆數(shù)據(jù)，形成三維圖形。

(2) 當(dāng)堆取料機(jī)在堆料作業(yè)時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)形成圖形和采集的三維數(shù)據(jù)，判斷料堆高度以及料堆的邊界，配合料位計(jì)控制大機(jī)完成自動(dòng)堆料作業(yè)；堆料作業(yè)完成后，最新的料堆信息保存于數(shù)據(jù)庫，以備為后續(xù)的自動(dòng)堆料或自動(dòng)取料作業(yè)提供作業(yè)數(shù)據(jù)。

(3) 當(dāng)堆取料機(jī)在取料作業(yè)時(shí)，根據(jù)采集的三維數(shù)據(jù)和更新的三維圖形，實(shí)時(shí)模型計(jì)算出堆取料機(jī)的取料回轉(zhuǎn)角度，控制堆取料機(jī)的大臂回轉(zhuǎn)；同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)三維圖形和當(dāng)前流量，實(shí)時(shí)控制堆取料機(jī)的回轉(zhuǎn)速度和進(jìn)斗深度；對(duì)于有塌垛的情況，根據(jù)三維圖形的實(shí)時(shí)性，通過模型計(jì)算，便于自動(dòng)取料控制的調(diào)整，防止悶斗等對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的危害。

(4) 堆取料機(jī)的堆料和取料過程中實(shí)時(shí)采集料堆數(shù)據(jù)，形成料堆三維圖形，保存于數(shù)據(jù)庫，形成數(shù)據(jù)共享?？梢詫?shí)時(shí)進(jìn)行盤庫及料堆三維、二維電子地圖的生成，便于庫存管理和作業(yè)指導(dǎo)工作，實(shí)時(shí)導(dǎo)出作業(yè)信息及庫存信息報(bào)表。

堆取料機(jī)智能化改造效果分析

堆取料機(jī)改造方案充分運(yùn)用信息網(wǎng)絡(luò)、三維掃描、精確定位等技術(shù)，從智能、高效、安全等方面入手，通過系統(tǒng)性的更新升級(jí)提升原料場堆取料機(jī)的綜合控制和管理水平。建立原料場堆取料機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過 TCP/IP協(xié)議將料場視頻信息匯總至中控集中監(jiān)控，完善料場監(jiān)控管理。對(duì)料場堆取料機(jī)進(jìn)行智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)料場系統(tǒng)的自動(dòng)化與信息化。

(1) 根據(jù)三維模型，準(zhǔn)確計(jì)算出料堆的邊界角度，有效控制堆取料機(jī)回旋角度，確保堆取料機(jī)不空轉(zhuǎn)。取料流量的穩(wěn)定控制：根據(jù)斗輪有料、無料以及取料很少的情況，通過三維實(shí)時(shí)計(jì)算可以保證取料流量的穩(wěn)定?？梢钥刂贫份喅粤仙疃纫约叭×线^程中的回轉(zhuǎn)速度，保證取料作業(yè)的高效率。實(shí)時(shí)的三維圖形確保三維模型計(jì)算的實(shí)時(shí)性，迅速完成堆取料機(jī)的自動(dòng)對(duì)位，有效提高堆取料機(jī)整體智能化作業(yè)效率。

(2) 實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)的自動(dòng)控制，包括堆料流程管理、自動(dòng)對(duì)位策略、新堆及補(bǔ)堆處理策略、自動(dòng)取料策略、取料分層策略、取料換層策略、取料流量策略、邊界流量策略。

(3) 設(shè)置堆取料機(jī)視頻監(jiān)控、運(yùn)行狀態(tài)顯示、過程數(shù)據(jù)監(jiān)控報(bào)警信息記錄、自動(dòng)操作界面，可在機(jī)上無人的情況下，中控室操作人員完成自動(dòng)堆取料作業(yè)，一人可以監(jiān)控多臺(tái)堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)。

(4) 料堆信息實(shí)時(shí)保存于數(shù)據(jù)庫，工作人員可以實(shí)時(shí)了解料種、料堆以及料場庫存信息，實(shí)時(shí)形成料場二維、三維電子地圖以及生產(chǎn)作業(yè)報(bào)表，有利于作業(yè)指導(dǎo)。

(5) 堆取料機(jī)統(tǒng)一管理，優(yōu)化堆取料機(jī)控制模式，提高堆取料機(jī)作業(yè)效率及設(shè)備安全性，同時(shí)降低操作人員的勞動(dòng)量改善勞動(dòng)環(huán)境。

結(jié)束語

堆取料機(jī)是料場內(nèi)最主要的設(shè)備，其工作時(shí)間長，動(dòng)作復(fù)雜，控制要求高，實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)智能化是建設(shè)“智慧料場”的首要工作。各企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對(duì)堆取料機(jī)智能化和“智慧料場”的建設(shè)進(jìn)行了廣泛而深入的研究。目前，寶鋼、華能曹妃甸港、山鋼日照基地等都相繼實(shí)施了堆取料機(jī)智能化的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了料場無人值守的目標(biāo)，對(duì)深化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程控制的監(jiān)管和提高料場管理水平起到了較大的促進(jìn)作用。