多功能行車無人化及其數(shù)字化管理系統(tǒng)應(yīng)用

王 冉，韓 棟

（新疆農(nóng)六師碳素有限公司，新疆 五家渠 831300）

經(jīng)濟(jì)在發(fā)展，社會(huì)在進(jìn)步，公眾的生活質(zhì)量不斷提升，生產(chǎn)企業(yè)高效能建設(shè)、自動(dòng)化運(yùn)營水平不斷提升，起重機(jī)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越重要，尤其是隨著工業(yè)化進(jìn)程深入推進(jìn)，在貨物搬運(yùn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、設(shè)備吊裝等多個(gè)領(lǐng)域越來越依靠起重機(jī)械設(shè)備的作用。雖然我們國家和國外發(fā)達(dá)國家相比，在技術(shù)力量、人員隊(duì)伍建設(shè)等方面還存在不小的差距，但隨著科技水平不斷提升，起重機(jī)械設(shè)備應(yīng)用和研究技術(shù)也將越來越向著縱深方向發(fā)展，為推動(dòng)工業(yè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)，提供強(qiáng)大的有力支撐。加強(qiáng)新形勢下自動(dòng)化技術(shù)在起重機(jī)械上的應(yīng)用和發(fā)展探索，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。無人天車技術(shù)應(yīng)用到車間生產(chǎn)中，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了勞動(dòng)成本，給企業(yè)帶來了長久的經(jīng)濟(jì)效益，在一些高危的行業(yè)裝備無人天車系統(tǒng)，避免了對(duì)人體造成傷害，生產(chǎn)更加安全。

碳素焙燒多功能行車的無人化技術(shù)是對(duì)提高鋁用陽機(jī)行業(yè)生產(chǎn)效率的一種相當(dāng)有效的技術(shù)，對(duì)人力成本的降低有很大幫助，可以保障生產(chǎn)過程的安全性。對(duì)此，在當(dāng)前陽極碳素塊需求量不斷增多，急需提高陽極碳素塊生產(chǎn)效率，促進(jìn)電解鋁行業(yè)安全性、經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)發(fā)展的背景下，有必要加強(qiáng)碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)及其應(yīng)用的研究，明確無人碳素行車技術(shù)發(fā)展方向，共同為我國電解鋁陽極事業(yè)優(yōu)化發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)化技術(shù)

自動(dòng)化技術(shù)是一個(gè)復(fù)合型的技術(shù)總體，在社會(huì)實(shí)踐中扮演著非常突出的作用。自動(dòng)化技術(shù)既融合了傳統(tǒng)的技術(shù)形態(tài)，同時(shí)也融合了先進(jìn)的信息技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等。比如在機(jī)械制造過程中，自動(dòng)化技術(shù)在應(yīng)用過程中，其控制技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制以及自動(dòng)化運(yùn)行，這在很大限度上提升了生產(chǎn)效率，也節(jié)省了人力資源的投入。碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)是一個(gè)復(fù)合型的綜合性管理系統(tǒng)，在無人碳素行車運(yùn)行過程中，應(yīng)該充分保障系統(tǒng)運(yùn)行的可靠與穩(wěn)定，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制行車，管理行車信息庫區(qū)信息等數(shù)字化管理功能，以此來整體保障碳素塊生產(chǎn)的高效與安全。因此，在碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)的運(yùn)行過程中，充分依托于自動(dòng)化技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)作用。在碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)中，自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全面監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)行車系統(tǒng)中存在的故障或者隱患，及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警進(jìn)行反饋。同時(shí)，依托于自動(dòng)化技術(shù)，還能夠根據(jù)碳素焙燒生產(chǎn)本身的作業(yè)流程，開發(fā)客戶端軟件對(duì)行車系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化管理。

2 自動(dòng)化技術(shù)在碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)中的應(yīng)用

2.1 PLC技術(shù)在無人碳素行車自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

PLC技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)中的一種，同時(shí)這種控制技術(shù)具有可編程的特點(diǎn)。因此將這種技術(shù)應(yīng)用于碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)的運(yùn)行過程中，對(duì)于提高行車系統(tǒng)本身的各個(gè)部分的指令控制具有更為精確的效果。而基于外部傳感器傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)采集、記錄、運(yùn)算等方面，也能大大提高控制精度。本系統(tǒng)PLC采用GE品牌中的PAC-Rx3i系列，通訊方式采用Profinet，這對(duì)于無人行車系統(tǒng)控制過程中的柔性操作、智能化操作等也會(huì)具有更為現(xiàn)實(shí)的意義。

2.2 傳感器技術(shù)在碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)中的應(yīng)用

根據(jù)碳素行車本身的作業(yè)流程，采用合適的傳感器來收集行車各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置信號(hào)，以及行車系統(tǒng)所需要反饋的各種點(diǎn)位信號(hào)，將這些外部信號(hào)接入PLC，通過編程來實(shí)現(xiàn)單步的自動(dòng)化控制。

3 工程案例

新疆農(nóng)六師碳素有限公司焙燒車間擁有包括裝爐、出爐、布料、吸料、焙燒等流程的完整碳素塊生產(chǎn)系統(tǒng)。公司期望通過信息化、智能化手段實(shí)現(xiàn)智能制造，達(dá)到安全生產(chǎn)管理、減員降本增效的目的。本項(xiàng)目所在庫區(qū)為碳素塊焙燒車間，該庫區(qū)為碳素塊生產(chǎn)區(qū)存放焙燒碳素原料塊。項(xiàng)目改造內(nèi)容包括：碳素塊區(qū)東西兩臺(tái)行車（含夾鉗）自動(dòng)化改造、WMS庫區(qū)管理系統(tǒng)創(chuàng)建、無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地面安全控制系統(tǒng)等。通過無人化行車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳素塊出入庫和庫管信息全自動(dòng)流轉(zhuǎn)。下面詳細(xì)介紹各系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)施和功能原理。

3.1 行車定位系統(tǒng)

3.1.1 大車定位

大車定位系統(tǒng)采用格雷母線或者P+F絕對(duì)編碼尺進(jìn)行定位，實(shí)時(shí)檢測大車在整個(gè)庫區(qū)的運(yùn)行位置（滿足定位精度小于±5mm），并將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)。大車格雷母線安裝在大車運(yùn)行軌道的一側(cè)，安裝條件良好，安裝位置如下圖所示。

圖2 小車格雷母線安裝位置

3.1.2 小車定位

小車定位系統(tǒng)采用格雷母線或者P+F絕對(duì)編碼尺進(jìn)行定位，實(shí)時(shí)檢測小車在整個(gè)庫區(qū)的運(yùn)行位置（滿足定位精度小于±2.5mm），并將位置數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)。小車格雷母線安裝在小車運(yùn)行軌道的一側(cè)，安裝條件良好，安裝位置如上圖所示。

3.1.3 夾具升降定位

夾具升降采用安裝絕對(duì)值編碼器或者拉繩編碼器進(jìn)行高度定位，將車上原有超速開關(guān)拆除，安裝絕對(duì)值編碼器，編碼器型號(hào)為堡盟EAM580-SC0.7YPT.14160.A，Profinet通訊，將當(dāng)前夾具的實(shí)際高度發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，安裝位置如下圖。

圖3 夾具絕對(duì)值編碼器安裝位置

圖4 夾具高度限制器安裝位置

PLC控制夾具升降變頻器上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾具在高度方向的精準(zhǔn)定位，定位誤差小于10mm 。安裝位置如上圖。夾具高度方向原車設(shè)有減速限位和極限限位，該功能保留。

3.1.4 吸料管升降定位

在吸料管卷筒上增設(shè)高度限制器并安裝絕對(duì)值編碼器，實(shí)現(xiàn)吸料管的高度測量，編碼器選型為堡盟EAM580-SC0.7YPT.14160.A，Profinet通訊，將編碼器數(shù)值發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，在程序中轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)。采用高度限制器限制高度，安裝位置如下圖。

圖5 吸料管絕對(duì)值編碼器安裝位置

圖6 吸料管高度限制器安裝位置

PLC控制吸料管驅(qū)動(dòng)變頻器，實(shí)現(xiàn)吸料管高度方向閉環(huán)定位，定位精度10mm。

3.1.5 布料管升降定位

在布料管卷筒上增設(shè)高度限制器并安裝絕對(duì)值編碼器，實(shí)現(xiàn)吸料管的高度測量，編碼器選型為堡盟EAM580-SC0.7YPT.14160.A，Profinet通訊，將編碼器數(shù)值發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，在程序中轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)。采用高度限制器限制高度，安裝位置如下圖。

圖7 布料管絕對(duì)值編碼器安裝位置

圖8 布料管高度限制器安裝位置

PLC控制布料管驅(qū)動(dòng)變頻器，實(shí)現(xiàn)吸料管高度方向閉環(huán)定位，定位精度10mm。

3.1.6 夾具開度檢測

直接在夾具低端安裝激光測距檢測夾具開度較為困難，因此采用間接測量的方式進(jìn)行檢測。在原夾具升降桿的延伸處安裝激光測距，檢測夾具動(dòng)作時(shí)升降桿的高度變化，再通過機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì)算夾具開度，實(shí)現(xiàn)夾具開度的檢測。

3.2 搖擺角測量

本行車的夾具采用卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩升降，設(shè)有固定導(dǎo)向支撐，行車運(yùn)行時(shí)夾具存在少需擺動(dòng)情況，行車停止時(shí)，夾具的擺動(dòng)角很小。在頂部通過4個(gè)接近開關(guān)測量夾具的偏離情況，當(dāng)擺動(dòng)時(shí)報(bào)警提醒操作工。無人行車的夾具的擺角測量通過激光測距來實(shí)現(xiàn)，拆除2個(gè)接近開關(guān)，增設(shè)激光測距和反光板，實(shí)現(xiàn)夾具分別在X方向和Y方向的精確距離測量，測量精度小于1mm。激光測距安裝位置如下圖：

圖9

系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測吊具、吸料管、布料管等升降機(jī)構(gòu)的搖擺角度，當(dāng)擺角偏大時(shí)，閉鎖機(jī)構(gòu)升降功能，確保行車的安全。

3.3 行車電控系統(tǒng)

3.3.1 行車PLC升級(jí)方案

行車上增加一套PLC控制箱與原行車的PLC控制系統(tǒng)通訊，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，傳輸指令已達(dá)到控制目的。CPU模塊采用RX3i系列的IC695CPE305，配有電源模塊，以太網(wǎng)通訊模塊，串口通訊模塊，以及數(shù)字量，模擬量輸入輸出模塊。機(jī)柜位置可布置在電氣間門邊墻壁上，與原行車的PLC控制系統(tǒng)采用Profinet通訊。

圖10

3.3.2 激光3D料口識(shí)別方案

本系統(tǒng)通過每臺(tái)行車上安裝2套SICK品牌LSM511系列3D激光掃描儀實(shí)現(xiàn)行車下方焙燒口的識(shí)別，主要示意圖如下：

圖11

行車在碚燒口上方定位后，通過LSM511系列3D激光掃描儀的數(shù)據(jù)確認(rèn)行車停車誤差，確保夾具升降的位置不發(fā)生碰撞。

兩臺(tái)LSM511系列3D激光掃描儀的安裝位置在兩臺(tái)夾具頂部的中間位置平臺(tái)上，向下掃描下方的碚燒口，如下圖：

圖12

3.3.3 與生料塊上料系統(tǒng)通訊

行車主控系統(tǒng)與生料塊系統(tǒng)通訊，接收存儲(chǔ)艙目標(biāo)碳素塊的位置信息以及目標(biāo)爐箱的位置信息，根據(jù)位置信息確定行車的運(yùn)動(dòng)軌跡。完成裝箱后，爐箱和存儲(chǔ)艙的碳素塊存儲(chǔ)狀態(tài)會(huì)反饋給上料系統(tǒng)，并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。然后另一臺(tái)行車會(huì)接收到布料指令，到該爐箱位置進(jìn)行布料。布料完成后的狀態(tài)也會(huì)反饋給上料系統(tǒng)，并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3.3.4 與熟料塊系統(tǒng)通訊

行車主控系統(tǒng)與熟料塊系統(tǒng)通訊，接收目標(biāo)爐箱的位置信息以及存儲(chǔ)艙的位置信息，根據(jù)位置信息確定行車的運(yùn)動(dòng)軌跡。行車運(yùn)動(dòng)之前，另一臺(tái)行車會(huì)接收到吸料指令，到目標(biāo)爐箱位置進(jìn)行吸料，吸料完成后的狀態(tài)會(huì)反饋給上料系統(tǒng)，并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。完成熟料塊上料后，爐箱和存儲(chǔ)艙的碳素塊存儲(chǔ)狀態(tài)會(huì)反饋給上料系統(tǒng)，并存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3.4 行車調(diào)度系統(tǒng)

3.4.1 無人化調(diào)度功能系統(tǒng)架構(gòu)

圖13 無人化調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)圖

無人化調(diào)度系統(tǒng)主要包括庫存管理及行車調(diào)度兩大主體部分，對(duì)接L1設(shè)備層和L3生產(chǎn)管理層，實(shí)現(xiàn)設(shè)備離散分布，集中調(diào)度、控制、展示。

庫存管理系統(tǒng)（WMS系統(tǒng)）包括計(jì)劃接口、庫區(qū)信息、系統(tǒng)配置、歷史查詢、數(shù)據(jù)備份等功能，提供人機(jī)交互界面，方便人工干預(yù)。根據(jù)需求，提供各類報(bào)表、曲線、餅圖、柱狀圖等實(shí)時(shí)、歷史作業(yè)量統(tǒng)計(jì)功能。同時(shí)，WMS系統(tǒng)記錄了本車間各爐室、料箱的空間尺寸，也包含物料的生產(chǎn)焙燒情況記錄，實(shí)時(shí)反應(yīng)生成狀態(tài)。

行車調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)已有計(jì)劃信息、設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行自動(dòng)搬運(yùn)，完成生塊入庫、熟塊出庫、吸料、布料功能。路徑規(guī)劃，針對(duì)人機(jī)交互安全策略，保障人工作業(yè)區(qū)域內(nèi)不進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)。（圖14）。

圖1 大車格雷母線安裝位置

圖14 路徑規(guī)劃示意圖

3.4.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖15 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

AutoWMS主服務(wù)器為系統(tǒng)核心，連接設(shè)備，提供數(shù)據(jù)服務(wù)、Web Server、對(duì)內(nèi)對(duì)外接口，作為系統(tǒng)服務(wù)端，提供人機(jī)客戶端數(shù)據(jù)源。同時(shí)，視頻監(jiān)控由視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)，獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行高清視頻展示。最終，數(shù)字化管理系統(tǒng)、人機(jī)交互、視頻監(jiān)控界面均通過現(xiàn)場大屏展示。

3.4.3 大屏展示

大屏展示由視頻監(jiān)控、人機(jī)交互、數(shù)字化管理系統(tǒng)組成，最終通過大屏顯示。

圖16 視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

人機(jī)交互界面位于主控室，操作前需進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證，可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場庫存狀態(tài)、設(shè)備信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)。下圖作為示意圖，后期根據(jù)現(xiàn)場尺寸、設(shè)備等進(jìn)行1：1還原。（圖17）。

圖17 人機(jī)交互示意圖

可對(duì)具體設(shè)備（如行車）進(jìn)行狀態(tài)查詢、遠(yuǎn)程控制。

圖18 行車遠(yuǎn)程控制示意圖

數(shù)字化管理系統(tǒng)可進(jìn)行在線組態(tài)，根據(jù)需求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備測點(diǎn)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史信息查詢、數(shù)據(jù)圖標(biāo)駕駛艙等。

圖19 數(shù)字化管理系統(tǒng)

關(guān)鍵信號(hào)監(jiān)控測點(diǎn)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線查詢。

圖20 實(shí)時(shí)曲線查看

圖21 歷史曲線查看

可對(duì)班組、天、月、年進(jìn)行產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)。

同時(shí)，具備外部接口的情況下，也可進(jìn)行銷量等車間級(jí)信息展示。

圖22 出入庫信息統(tǒng)計(jì)

圖23 出入庫信息統(tǒng)計(jì)

圖24 銷量信息示意圖

4 結(jié)語

綜上，新疆農(nóng)六師碳素有限公司焙燒車間多功能行車已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝爐、出爐、吸料及布料等功能，并通過客戶端軟件進(jìn)行作業(yè)調(diào)度。包括計(jì)劃接口、庫區(qū)信息、系統(tǒng)配置、歷史查詢、數(shù)據(jù)備份等功能，提供人機(jī)交互界面，方便人工干預(yù)，同時(shí)包含物料的生產(chǎn)焙燒情況記錄，實(shí)時(shí)反應(yīng)生成狀態(tài)。該行車的無人化很大程度上提高了焙燒多功能天車的效率，保障了行車操作的安全性，使一人同時(shí)控制多臺(tái)行車不再是難點(diǎn)，大大節(jié)省了人力資源。

碳素焙燒多功能行車無人化技術(shù)已經(jīng)擁有比較成熟的技術(shù)支撐，不僅可以提高焙燒車間工作效率，還可以提高鋁用陽極生產(chǎn)過程的安全性，減少人力成本。所以，新疆農(nóng)六師碳素有限公司焙燒多功能行車的無人化技術(shù)在鋁用陽極及其他相似行業(yè)發(fā)揮的作用是非常巨大的，可以推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)企業(yè)長久發(fā)展。