基于機器視覺技術(shù)的鋼卷智能裝車系統(tǒng)

孫 星 宋文宇 史紀錄 哲江龍 姚天富

1寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 石嘴山 753001 2寧夏天地奔牛銀起設備有限公司 銀川 750000

0 引言

鋼廠在搬運鋼卷時，通常采用人工的方式，這種操作方式需要橋式起重機（以下簡稱橋機）司機與地面指揮人員緊密配合，工人勞動強度大，定位精度依靠工人目測與經(jīng)驗判斷，導致鋼卷需放置的位置定位不準確，經(jīng)常會出現(xiàn)放置不到位，夾鉗夾傷鋼卷的情況，存在安全隱患。

針對這些問題，有必要開發(fā)一種無人化鋼卷搬運智能控制系統(tǒng)，通過機器視覺自動定位鋼卷運輸車輛鞍座位置精確定位，無需人為手動操作，實現(xiàn)鋼卷從庫區(qū)移動至鋼卷運輸車上。

1 總體方案設計

1.1 需求分析

鋼廠鋼卷搬運過程需要鋼廠、鋼卷庫、運輸車輛、橋機密切配合才能完成鋼卷的搬運作業(yè)，多數(shù)鋼廠的操作流程為運輸車司機將鋼卷運輸車輛停靠在帶運輸鋼卷庫區(qū)的車輛?？奎c，橋機司機在司機室根據(jù)現(xiàn)場指揮人員指揮操作橋機大小車行走機構(gòu)、起升機構(gòu)的運行及電動臥卷夾鉗的開閉，從而把鋼卷從庫區(qū)夾取、運輸?shù)戒摼磉\輸車的鞍座上。若要改變現(xiàn)有操作方式，自動完成鋼卷自動搬運到運輸車輛上，自動裝車系統(tǒng)應需要以下幾個要求：

1）為了保證夾取、放置鋼卷位置正確，橋機需具有定位、搖擺控制功能；

2）能自動識別運輸車輛鞍座位置，并將位置發(fā)送給橋機控制器；

3）能在中控制實現(xiàn)對橋機的遠程控制；

4）為了便于監(jiān)控橋機運行狀況，在中控室上位機能夠?qū)驒C工作狀態(tài)、鞍座位置信息等實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)監(jiān)控，能在中控室實現(xiàn)對橋機運行畫面監(jiān)控；

5）具有鋼卷庫的庫區(qū)管理，實現(xiàn)鋼卷歷史信息記錄、查詢、鋼卷盤點功能；

6）鋼卷夾鉗通過橋機控制命令，自動實現(xiàn)夾取、放置和旋轉(zhuǎn)等動作。

1.2 自動裝車工藝流程

結(jié)合目前鋼廠的操作流程，根據(jù)實現(xiàn)自動裝車的需求，本文制定了以下自動裝車流程：系統(tǒng)開始后，庫區(qū)管理系統(tǒng)生成運輸工單，工單包括車輛需要運輸?shù)匿摼硇吞?、質(zhì)量等信息；同時庫區(qū)管理系統(tǒng)將待搬運鋼卷的庫區(qū)位置信息通過無線通訊的方式發(fā)送給控制系統(tǒng)PLC控制器；運輸車輛司機接到庫區(qū)管理軟件生成的工單后將車開至車輛?？繀^(qū)，在車輛停靠區(qū)域設置車輛到位確認按鈕，車輛停靠到位后，運輸車輛司機按下確認按鈕確認到達車輛?？繀^(qū)；位于車輛工業(yè)相機接到控制系統(tǒng)識別位置信息信號，識別車輛輪廓、車輛相對于水平方向的偏轉(zhuǎn)角度、鞍座相對于車輛的平面位置信息及高度信息；識別后的信息通過無線通訊的方式發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)PLC控制器記錄識別信息為鋼卷放置做準備，控制系統(tǒng)PLC控制器根據(jù)獲得庫區(qū)管理系統(tǒng)將待搬運鋼卷的庫區(qū)位置信息控制變頻驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動起重機大車機構(gòu)、小車機構(gòu)、起升機構(gòu)到達庫區(qū)待取鋼卷位置；與起升機構(gòu)相連接的電動臥卷夾鉗裝置到位后，控制系統(tǒng)控制夾鉗夾取鋼卷，并根據(jù)夾鉗上到位檢測開關完成夾取動作；控制系統(tǒng)PLC控制器根據(jù)之前工業(yè)相機識別的車輛及鞍座位置信息，控制變頻驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動起重機大車機構(gòu)、小車機構(gòu)、起升機構(gòu)到達車輛鞍座位置，通過控制起升機構(gòu)上下運行監(jiān)測鋼卷是否放置到位；當鋼卷放置到鞍座后，控制系統(tǒng)控制夾鉗打開，起重機回歸系統(tǒng)設置的初始位置，自動完成從庫區(qū)取鋼卷到將鋼卷放置到運輸車輛上的整個過程。

2 系統(tǒng)功能介紹

系統(tǒng)以西門子PLC作為主控制器，配合旋轉(zhuǎn)編碼器、變頻器、觸摸屏、工控機配合相應網(wǎng)卡、視覺識別設備、電動臥卷夾鉗組成。為了完成鋼卷自動裝車工藝流程，需要各個功能進行技術(shù)支撐。

2.1 橋機定位、搖擺控制

圖1 鋼卷自動裝車工藝流程

橋機定位控制采用位置傳感器實時檢測大小車、起升機構(gòu)的位置信息，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信息做閉環(huán)控制來控制橋機到達位置，橋機搖擺控制采用變頻器防搖卡，變頻器可根據(jù)速度信息通過內(nèi)部控制模型自動實現(xiàn)搖擺控制。

2.2 運輸車輛鞍座位置識別

鞍座位置識別采用視覺識別技術(shù)，通過工業(yè)相機采集鞍座圖像，利用快速特征識別算法識別圖像特征，并提取像素坐標，然后相機將像素坐標轉(zhuǎn)換為實際坐標。通過對實際坐標值運算，得到與PLC控制器通訊所需信息。最后將所需信息排列為通訊協(xié)議規(guī)定內(nèi)容，將格式化結(jié)果發(fā)送給PLC控制器。鞍座識別位置流程見圖2。

圖2 視覺識別鞍座功能流程圖

2.3 中控室遠程控制及橋機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)

無線遠程控制功能采用無線傳輸技術(shù)，通過無線傳輸設備將中控室操作數(shù)據(jù)傳輸給橋機控制器，在中控室實現(xiàn)遠程控制橋機。同時，中控室也可通過無線傳輸設備將橋機控制器數(shù)據(jù)發(fā)送至中控室，在中控室實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)監(jiān)測。如圖3所示，上位機監(jiān)測包括用戶登錄、用戶注銷、主界面、物料管理、庫存信息、主鉤影像、定位影像、大小車起升機構(gòu)趨勢圖、故障報警等界面。

圖3 中控室上位機遠程控制及橋機狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控圖

2.4 橋機運行畫面中控制監(jiān)控

橋機運行畫面監(jiān)控主要是主鉤的監(jiān)控，設置在大車兩個端梁之間。視頻監(jiān)控圖像在司機室和中控室分別顯示。司機室設置有硬盤錄像機可以實時顯示主鉤狀況及過去近半個月的錄像回放。在中控室同樣可以實時顯示主鉤監(jiān)控畫面，數(shù)據(jù)的傳輸采用一對無線網(wǎng)橋完成無線通訊。功能原理如圖4所示。

圖4 視頻無線傳輸原理圖

2.5 鋼卷庫庫區(qū)管理

鋼卷庫管理系統(tǒng)通過可以實現(xiàn)鋼卷出入庫區(qū)物料的記錄，系統(tǒng)具有庫區(qū)物料的盤點，自動存儲搬運物體位置數(shù)據(jù)，自動規(guī)劃搬運路徑，庫區(qū)管理系統(tǒng)見圖5。

圖5 鋼卷庫庫區(qū)管理系統(tǒng)界面

2.6 智能電動臥卷夾鉗

智能電動臥卷夾鉗主要由吊架裝置、橫梁、左右平移機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、自鎖機構(gòu)、鉗腿、支撐底座、液壓潤滑系統(tǒng)、電纜卷升裝置和電氣及控制系統(tǒng)等組成。智能電動臥卷夾鉗可以實現(xiàn)根據(jù)橋機的控制命令自動實現(xiàn)鋼卷的夾取與放置，當夾取或放置鋼卷有角度要求時，旋轉(zhuǎn)夾鉗自動旋轉(zhuǎn)到需要的角度再實現(xiàn)張開或閉合動作，實現(xiàn)智能夾取。夾鉗還設置有多重檢測和保護開關，如夾緊限位、開度限位、旋轉(zhuǎn)限位，鋼卷防夾傷限位等。

3 結(jié)論

在中國制造 2025 與智能工廠發(fā)展變革的大背景下，伴隨著鋼鐵行業(yè)處在產(chǎn)能過剩、同質(zhì)化競爭激烈、盈利能力下降的情況下，鋼鐵企業(yè)必然向降本增效的智能化方向發(fā)展。通過現(xiàn)場應用與人工操作相比，本控制系統(tǒng)優(yōu)點為：

1）真正實現(xiàn)了無人控制下鋼卷自動搬運到運輸車輛鞍座流程，節(jié)省了人力資源；

2）基本消除了搬運過程中鋼卷搖擺現(xiàn)象，定位準確；

3）降低了鋼卷作業(yè)的安全風險性、提高了作業(yè)效率；

4）實現(xiàn)了鋼卷庫的信息管理、提高了鋼廠的信息化水平。