一種全自動(dòng)控制起重機(jī)應(yīng)用于我公司聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)的前景分析

萬(wàn) 亮，袁啟東，吳祖德，謝劍峰，付金強(qiáng)，占文斌

（1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 武漢 430070；2.葛洲壩宜城水泥有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441419）

0 前言

隨著全球工業(yè)化的帶動(dòng)和電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，起重機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)和建筑工程中越來(lái)越普遍，而且技術(shù)也越來(lái)越成熟。自動(dòng)化控制起重機(jī)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已有五、六十年的發(fā)展歷史，現(xiàn)已在許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)的集裝箱起重機(jī)已基本走向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和系列化，無(wú)人控制集裝箱碼頭已投入運(yùn)營(yíng)。但受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的限制，與國(guó)際水平相比較，我國(guó)的起重機(jī)械行業(yè)的整體自動(dòng)化普及度還不高。

然而隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)效率日益提高，勞動(dòng)力成本的提高，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中物料搬運(yùn)費(fèi)用所占比例逐漸增加，企業(yè)對(duì)大型、高速和自動(dòng)化起重機(jī)的需求量也不斷增長(zhǎng)。起重機(jī)工作流程已成為自動(dòng)化生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié)，起重機(jī)的自動(dòng)化程度的要求會(huì)越來(lái)越高。為更好地解放生產(chǎn)力，人力，要求起重機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)較為先進(jìn)，尤其是在聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)復(fù)雜無(wú)序的工藝環(huán)境中，無(wú)人駕駛的智能化起重機(jī)的研制更是勢(shì)在必行。

就目前而言，全自動(dòng)起重機(jī)還未真正進(jìn)入國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)，國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)起重機(jī)基本是以人工駕駛操作為主，起重機(jī)效率低、能耗高、噪音大，且現(xiàn)場(chǎng)駕駛操作員要求在現(xiàn)場(chǎng)駕駛室進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，不符合公司減員增效的方針。

1 我公司輔料/原煤聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)基本情況

我公司輔料/原煤聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)度為200m、寬度為30m、投料口高度為10.3m，目前使用了3臺(tái)（兩用一備）型號(hào)為QZ16t-31.5 m的人工手動(dòng)控制起重機(jī)進(jìn)行投取料工作，兩臺(tái)常用起重機(jī)中有一臺(tái)用于原煤取投料工作，另一臺(tái)用于石灰渣、濕粉煤灰、硫酸渣等輔材的投取料工作，聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)工藝布局圖如圖1所示。該類(lèi)起重機(jī)的駕駛室布置在起重機(jī)大車(chē)橫梁框架上，起重機(jī)工作時(shí)需要操作員進(jìn)入駕駛室進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境差、工作安全性不高、工作強(qiáng)度大。

2 全自動(dòng)起重機(jī)的控制方式與主要功能特點(diǎn)

2.1 控制方式

（1）手動(dòng)控制。操作員通過(guò)聯(lián)動(dòng)臺(tái)或儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控器（見(jiàn)圖2）操縱起重機(jī)完成移動(dòng)、抓斗升降、抓取、投料等動(dòng)作。檢修時(shí)，檢修人員在可通過(guò)手持按鈕式遙控器直接操作起重機(jī)，無(wú)需與控制人員配合，減少維護(hù)人員，且方便、快捷，避免配合失誤。

圖1 輔料/原煤聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)工藝布局圖

圖2 遠(yuǎn)程手動(dòng)操作遙控器

（2）高級(jí)半自動(dòng)控制。操作員判斷物料狀態(tài)及料位，選擇抓取和投放位置并輸入重復(fù)的次數(shù)，起重機(jī)自動(dòng)從泊車(chē)位置啟動(dòng)、移向抓取點(diǎn)，下降抓斗、抓取物料，提升抓斗、移向進(jìn)料口、稱(chēng)重計(jì)量、投料、返回泊車(chē)位置或重復(fù)動(dòng)作。具備從抓取、運(yùn)行、稱(chēng)重、投放、返回等整個(gè)工藝循環(huán)的自動(dòng)作業(yè)和自動(dòng)重復(fù)作業(yè)，并具有故障自動(dòng)診斷功能。

（3）全自動(dòng)控制。通過(guò)儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)激光料位掃描系統(tǒng)，對(duì)儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)物料的料位高度及堆放時(shí)間進(jìn)行判斷。當(dāng)抓斗放料倉(cāng)需要供料的信號(hào)傳來(lái)時(shí)，抓斗起重機(jī)自動(dòng)從泊車(chē)位置啟動(dòng)、移向抓取點(diǎn)、下降抓斗、抓取物料、提升抓斗、移向放料倉(cāng)、投料，然后重復(fù)動(dòng)作即投料或返回泊車(chē)位置。當(dāng)抓斗放料倉(cāng)附近的物料堆放達(dá)到一定高度后，自動(dòng)開(kāi)始倒料。從汽運(yùn)卸料入池后、至抓運(yùn)物料入放料倉(cāng)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控。

具有全自動(dòng)控制功能的行吊依然具有手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制功能，且在任何自動(dòng)控制方式下，均有手動(dòng)控制功能，且手動(dòng)最優(yōu)先，即在任何時(shí)候只要操作員觸動(dòng)聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作手柄，自動(dòng)控制方式即刻停止并轉(zhuǎn)入手動(dòng)狀態(tài)。見(jiàn)表1控制功能明細(xì)表。

表1 控制功能明細(xì)表

2.2 主要功能特點(diǎn)

2.2.1 控制方式

為使起重機(jī)完成上述工藝要求，電氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要求具有良好的調(diào)速性能。起升和大小車(chē)運(yùn)行可采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，另外，與作業(yè)區(qū)域保護(hù)配合，避免抓斗碰撞投料口等設(shè)備。通過(guò)觸摸屏點(diǎn)擊抓取和投料的位置，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、自動(dòng)重復(fù)完成投料和倒垛、自動(dòng)泊車(chē)等工藝流程。

在此過(guò)程中，大車(chē)、小車(chē)、起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的定位尤為關(guān)鍵，目前市場(chǎng)上使用較多的是采用斷電記憶功能編碼器進(jìn)行定位。如圖3所示，為某公司使用條碼對(duì)全自動(dòng)起重機(jī)小車(chē)運(yùn)行進(jìn)行定位，并運(yùn)用激光進(jìn)行讀碼。

圖3 小車(chē)條碼定位及激光讀碼

2.2.2 激光料位掃描定位系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自動(dòng)控制，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一是掌控儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)物料的堆放情況。目前市場(chǎng)上使用最多的方式是通過(guò)激光料位掃描將儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)物料的料位、堆放狀態(tài)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)焦た貦C(jī)內(nèi)的料位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)DCS給定料斗加料信號(hào)時(shí)，工控機(jī)控制起重機(jī)自動(dòng)從泊車(chē)位置啟動(dòng)、移向抓取點(diǎn)、下降抓斗、抓取物料、提升抓斗、移向料斗投料、返回泊車(chē)位置或重復(fù)動(dòng)作。

2.2.3 物料儲(chǔ)庫(kù)庫(kù)存管理

由于物料種類(lèi)及抓取要求不同，要求對(duì)物料庫(kù)存情況進(jìn)行全面管理。目前使用較多的方法是將存儲(chǔ)區(qū)采用矩陣分塊式劃分，以抓斗抓取范圍為一個(gè)基本矩陣單元，可以將多個(gè)基本矩陣單元編組形成大的工藝性存放區(qū)（如圖4所示）。根據(jù)生產(chǎn)指令，起重機(jī)前往相應(yīng)的工藝存放區(qū)抓取物料，投放到相應(yīng)的位置。分區(qū)可根據(jù)物料特性、料倉(cāng)構(gòu)造、工藝特點(diǎn)、抓斗尺寸等多種因素綜合考慮分幾個(gè)層、層內(nèi)分幾個(gè)區(qū)等。

圖4 存儲(chǔ)區(qū)矩陣分塊圖

2.2.4 現(xiàn)場(chǎng)與中控聯(lián)通

全自動(dòng)起重機(jī)主要有起重機(jī)運(yùn)行位置檢測(cè)信號(hào)、料倉(cāng)料位檢測(cè)信號(hào)、視頻監(jiān)控信號(hào)等。所有信號(hào)首先由各自的處理系統(tǒng)在起重機(jī)上處理，然后將遠(yuǎn)端控制需要的信號(hào)采集后，采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式傳輸?shù)狡鹬貦C(jī)的地面信號(hào)站，采用有線(xiàn)方式將起重機(jī)的地面信號(hào)站的信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)工作站，在中控室內(nèi)將起重機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)采集使用。

2.2.5 安全防護(hù)

（1）庫(kù)區(qū)地面防護(hù)。為了防止人員任意闖入聯(lián)合儲(chǔ)庫(kù)工作區(qū)域，導(dǎo)致發(fā)生意外事故，將庫(kù)區(qū)進(jìn)行物理隔離。在進(jìn)料口安裝柵欄道閘機(jī)或卷閘門(mén)（如圖5所示），庫(kù)區(qū)登機(jī)樓梯口安裝帶信號(hào)反饋的安全門(mén)，道閘機(jī)（卷閘門(mén)）和安全門(mén)開(kāi)閉狀態(tài)反饋到中控，并與該庫(kù)區(qū)起重設(shè)備進(jìn)行作業(yè)聯(lián)鎖。

圖5 進(jìn)料口安裝安全門(mén)

（2）行車(chē)防撞系統(tǒng)。在大車(chē)行走時(shí)，判斷起重設(shè)備軌道上安全范圍內(nèi)是否有其它起重設(shè)備至關(guān)重要，否則會(huì)出現(xiàn)直接碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致停機(jī)甚至人員傷亡事故。在起重設(shè)備兩個(gè)對(duì)角安裝激光傳感器（如圖6所示），激光測(cè)距限位指向大車(chē)行走方向。激光信號(hào)接入起重設(shè)備的PLC系統(tǒng)，激光測(cè)距限位可以檢測(cè)10m距離內(nèi)是否有其它起重設(shè)備，當(dāng)檢測(cè)到其它起重設(shè)備時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)減速停車(chē)。

圖6 視頻攝像頭與激光傳感器

3 我公司引進(jìn)該設(shè)備需重點(diǎn)解決的問(wèn)題

（1）目前市場(chǎng)上全自動(dòng)起重機(jī)抓取料較為單一，我公司儲(chǔ)庫(kù)內(nèi)需對(duì)多種物料進(jìn)行倒料、投料等工作，需要對(duì)其優(yōu)先級(jí)進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)定，這也需要起重機(jī)廠(chǎng)家對(duì)我公司現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)工藝有一定的了解。

（2）目前市場(chǎng)上對(duì)物料三維定位主要采用的是激光掃描，我公司抓取料基本為顆?；蚍勰┪锪希衄F(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵濃度過(guò)大，為避免影響激光掃描效果，激光掃描時(shí)間可能會(huì)延長(zhǎng)，對(duì)工作效率有一定的影響；同時(shí)若抓取原煤等光反射率較低的暗黑色物料，也會(huì)影響激光掃描的準(zhǔn)度與效率。

（3）對(duì)物料布置的定位精度要求較高，尤其是高點(diǎn)取料定位要求精準(zhǔn)，若定位偏差過(guò)大可能會(huì)使抓斗抓取斜坡處物料，導(dǎo)致抓斗受力不均使設(shè)備容易跳車(chē)。

（4）因全自動(dòng)控制需對(duì)抓斗防傾斜、抓斗開(kāi)閉到位等信號(hào)進(jìn)行采集。液壓抓斗斗體上部安裝液壓中心的筒體內(nèi)，方便安裝防傾斜裝置與抓斗開(kāi)閉到位限位開(kāi)關(guān)、電纜插頭等，且液壓抓斗本身就配置有抓斗供電和控制用的垂直電纜，都便于信號(hào)采集；機(jī)械抓斗采用鋼絲繩控制抓斗開(kāi)閉、升降，抓斗上控制抓斗開(kāi)閉的動(dòng)滑輪組占用抓斗空間比較大，在抓斗上安裝信號(hào)采集的開(kāi)關(guān)及信號(hào)傳輸裝置較為困難。但液壓抓斗采購(gòu)成本與后期維護(hù)成本均較高，若從成本角度考慮使用機(jī)械抓斗，需解決機(jī)械抓斗以上存在的缺陷。

（5）若引進(jìn)全自動(dòng)起重機(jī)存在以下需克服的問(wèn)題：①起重機(jī)由手動(dòng)控制改造為自動(dòng)控制后，同型號(hào)起重機(jī)生產(chǎn)率降低，起重機(jī)利用率需提高25%～35%，改造成自動(dòng)控制后要考慮是否能滿(mǎn)足生產(chǎn)率要求。②全自動(dòng)起重機(jī)的起升、大、小車(chē)運(yùn)行三機(jī)構(gòu)需變頻控制，若原起重機(jī)不是變頻控制，機(jī)械改造工作量較大，電控部分除電源電纜外其余需全部更換。③全自動(dòng)起重機(jī)采用變頻控制，PLC、變頻器等電氣設(shè)備對(duì)工作環(huán)境要求較高，起重機(jī)應(yīng)設(shè)置電控房，配置空調(diào)，需考慮原起重機(jī)是否有合適位置布置電控房。④起重機(jī)自動(dòng)控制需安裝位置檢測(cè)裝置及安全保護(hù)裝置，車(chē)輪、卷筒等需改造，且起重機(jī)的橋架走臺(tái)上需有足夠位置安裝位置檢測(cè)裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

目前我公司使用的起重機(jī)主要由專(zhuān)業(yè)操作人員在駕駛室中對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、摩擦式制動(dòng)器等落后的傳動(dòng)方式，存在控制精度差、能耗高、噪音大等缺點(diǎn)，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化程度在較低的水平。全自動(dòng)控制起重機(jī)采用變頻調(diào)速，增加了信號(hào)采集與自動(dòng)控制等技術(shù)。自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化，使得起重機(jī)使用更方便，解放勞動(dòng)力，減少勞動(dòng)力投入，降低人為操作帶來(lái)的安全隱患，從而增加了經(jīng)濟(jì)效益，保證了員工工作安全性與舒適性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察，全自動(dòng)起重機(jī)對(duì)我公司有一定的引進(jìn)價(jià)值。我公司目前使用的人工手動(dòng)控制起重機(jī)每套約100萬(wàn)元，若用全自動(dòng)控制起重機(jī)每套增加費(fèi)用100萬(wàn)元，但無(wú)需專(zhuān)業(yè)駕駛員在現(xiàn)場(chǎng)操作（中控操作員只需增加一個(gè)操作界面，在水泥生產(chǎn)中可順帶完成操作，無(wú)需額外增加人員），10年左右減少的人工成本可抵消設(shè)備改造增加的費(fèi)用。因此，條件成熟后可以考慮引進(jìn)該設(shè)備。