5G+無(wú)人行車(chē)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

供 稿/ 施耐德電氣

IACS無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)是施耐德電氣為鋼鐵行業(yè)打造的全自動(dòng)起重及智能庫(kù)區(qū)管理解決方案。2021年2月，施耐德電氣發(fā)布了5G+無(wú)人行車(chē)白皮書(shū)，并宣布將與中國(guó)移動(dòng)、華為攜手推進(jìn)5G在鋼鐵行業(yè)的商用，助力鋼鐵工廠的智能化改造。

據(jù)悉，2020年中國(guó)累計(jì)建成5G基站將近72萬(wàn)座，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域的連續(xù)覆蓋。據(jù)2021年全國(guó)工業(yè)和信息化工作會(huì)議信息，2021年中國(guó)將新建60萬(wàn)個(gè)以上的5G基站。

作為全球能源管理和自動(dòng)化領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的專(zhuān)家，施耐德電氣基于自身業(yè)務(wù)發(fā)展方向，甄選出10個(gè)5G在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，涵蓋了工業(yè)智能制造、起重制造、市政水務(wù)、倉(cāng)儲(chǔ)物流等諸多領(lǐng)域?；诠I(yè)控制領(lǐng)域的趨勢(shì)方向，10個(gè)場(chǎng)景可以分為五大類(lèi)：離散制造行業(yè)的柔性生產(chǎn)、起重運(yùn)輸?shù)纳偃嘶療o(wú)人化控制、運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)景的無(wú)線化、OT和IT網(wǎng)絡(luò)融合以及廣域工業(yè)控制系統(tǒng)的無(wú)線物聯(lián)。施耐德電氣針對(duì)每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的行業(yè)趨勢(shì)、典型應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)要求及挑戰(zhàn)，以及應(yīng)用5G的驅(qū)動(dòng)力四個(gè)方面給出了解讀。

IACS無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)(Integrated Autonomous Crane System) 是施耐德電氣為鋼鐵行業(yè)打造的全自動(dòng)起重機(jī)及智能庫(kù)區(qū)管理解決方案。2021年2月24日，施耐德電氣出席了中國(guó)移動(dòng)在世界移動(dòng)通信大會(huì)（MWC）期間舉辦的2021年GTI國(guó)際產(chǎn)業(yè)峰會(huì)，發(fā)布了5G+無(wú)人行車(chē)白皮書(shū)，介紹了在推進(jìn)鋼鐵行業(yè)智慧化改造中的思考和實(shí)踐，并宣布將與中國(guó)移動(dòng)、華為攜手推進(jìn)5G在鋼鐵行業(yè)的商用。

無(wú)人行車(chē)在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景

一、智能制造為鋼鐵行業(yè)賦能

當(dāng)前，我國(guó)雖然已建成全球產(chǎn)業(yè)鏈最完整的鋼鐵工業(yè)體系，但鋼鐵產(chǎn)業(yè)仍面臨產(chǎn)能過(guò)剩、降本增效、節(jié)能減排、創(chuàng)新發(fā)展能力不足等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來(lái)，我國(guó)鋼鐵工業(yè)將進(jìn)入結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)為主的發(fā)展階段。如何利用智能技術(shù)打造“互聯(lián)網(wǎng)+”的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)體系，推動(dòng)信息化和工業(yè)化深度融合，構(gòu)建全流程智能制造系統(tǒng)，力促行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，成為鋼鐵企業(yè)關(guān)注的核心。

鋼鐵企業(yè)開(kāi)展智能制造具有先天優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)數(shù)字化對(duì)鋼鐵企業(yè)降本增效也有重要意義。首先，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程長(zhǎng)，涉及設(shè)備量大，是大數(shù)據(jù)產(chǎn)生及應(yīng)用的典型行業(yè)；其次，鋼鐵行業(yè)流程制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化具有廣泛實(shí)施的可復(fù)制性；最后，鋼鐵行業(yè)具備較為廣泛的自動(dòng)化基礎(chǔ)，具有良好的抓手。智能制造的實(shí)施有助于鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)全流程降本，提高企業(yè)的生產(chǎn)、管理、研發(fā)能力，助力企業(yè)形成核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G 為代表的新一代信息技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，鋼鐵企業(yè)正在向以智能工廠為載體、以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心、以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)通互聯(lián)為支撐的智能制造模式轉(zhuǎn)型?！捌渲?，無(wú)人行車(chē)與庫(kù)區(qū)的智能化建設(shè)，成為鋼鐵行業(yè)智能工廠建設(shè)極具代表性的一項(xiàng)技術(shù)?！笔┠偷码姎夤I(yè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)部起重行業(yè)架構(gòu)師曹偉在于5月26日舉辦的中國(guó)鋼鐵工業(yè)數(shù)字化解決方案高峰論壇上表示，“借助行業(yè)領(lǐng)先的全自動(dòng)起重及智能庫(kù)區(qū)管理解決方案，鋼鐵行業(yè)能夠利用最新技術(shù)實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)的智能管理、自主決策、自動(dòng)執(zhí)行和實(shí)時(shí)跟蹤，讓庫(kù)區(qū)運(yùn)行更加安全、可靠、高效?！?/p>

施耐德電氣工業(yè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)部起重行業(yè)架構(gòu)師曹偉解讀全自動(dòng)起重及智能庫(kù)區(qū)管理解決方案

二、無(wú)人行車(chē)在鋼鐵工廠的應(yīng)用

1．鋼鐵企業(yè)庫(kù)區(qū)運(yùn)行現(xiàn)狀及管理難點(diǎn)

庫(kù)區(qū)作為鋼鐵生產(chǎn)流程中物流銜接和生產(chǎn)節(jié)奏控制的重要樞紐，是工廠無(wú)人化和智能化建設(shè)的基礎(chǔ)，而行車(chē)則是庫(kù)區(qū)最重要的執(zhí)行單元。

在傳統(tǒng)的行車(chē)吊運(yùn)工作中，一臺(tái)行車(chē)如果要完成一次鋼卷吊運(yùn)，需要一位機(jī)組操作室通過(guò)對(duì)講機(jī)和吊運(yùn)計(jì)劃單傳遞吊運(yùn)信息，需要一名行車(chē)工操控行車(chē)，一名庫(kù)位工找準(zhǔn)庫(kù)位。流程不僅繁復(fù)而且存在人員需求量大、信息丟失、危險(xiǎn)系數(shù)高等一系列難題。起重機(jī)作為特種設(shè)備，安全和效率至關(guān)重要，每年仍然有大量的起重行業(yè)相關(guān)的安全事故，造成重大的人員傷亡，設(shè)備損傷和生產(chǎn)損失。

此外，鋼鐵行業(yè)作為勞動(dòng)密集型行業(yè)，大量的崗位依靠人工，尤其是在庫(kù)區(qū)內(nèi)。而人員長(zhǎng)時(shí)間疲勞作業(yè)，效率低，安全隱患也高。中國(guó)人口老齡化以及人工成本不斷增長(zhǎng)，給企業(yè)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的壓力，促使企業(yè)逐步使用智能化技術(shù)來(lái)替代人工操作。

2.庫(kù)區(qū)智能化發(fā)展成為趨勢(shì)

隨著數(shù)字化和信息化技術(shù)成熟，智能化的庫(kù)區(qū)綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了IT/OT融合，使庫(kù)區(qū)離散化的信息實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。庫(kù)區(qū)智能化發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)階段：

階段一：基于CLTS（Crane Location Track System）的庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)，即庫(kù)區(qū)投入倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)WMS，再通過(guò)行車(chē)的手動(dòng)吊運(yùn)完成生產(chǎn)作業(yè)，解決了庫(kù)區(qū)內(nèi)物料信息需要大量人員手動(dòng)維護(hù)的問(wèn)題。

階段二：基于智能行車(chē)的庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)，即在投入WMS系統(tǒng)后，對(duì)行車(chē)的自動(dòng)化進(jìn)行智能化改造，使整個(gè)庫(kù)區(qū)的作業(yè)實(shí)現(xiàn)完全無(wú)人化，解決了CLTS系統(tǒng)行車(chē)還需人員操作的問(wèn)題。

隨著智能行車(chē)庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)的發(fā)展，行車(chē)操作人員和地面管理人員不再需要在庫(kù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理，部分人員會(huì)在中控室對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控和管理?；谶@種方式，大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻畫(huà)面信息需要回傳到中控室，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定性提出了更高要求。同時(shí)，為方便物料搬運(yùn)管理，自動(dòng)化移動(dòng)設(shè)備正在增多，也推動(dòng)部署無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的訴求增多。

3. IACS無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)及其架構(gòu)

IACS無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)是行業(yè)領(lǐng)先的全自動(dòng)起重機(jī)及智能庫(kù)區(qū)管理解決方案，其組成可以概括為：1個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)——施耐德電氣EcoStruxure?物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與平臺(tái)，4大核心系統(tǒng)——庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)WMS、行車(chē)自動(dòng)化控制系統(tǒng)SCAS(Smart Crane Automation System) 、地面控制系統(tǒng)GSC （Ground Control System）、行車(chē)監(jiān)控及預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng) - EHE （EcoStruxure? Hoisting Expert）。

IACS將行車(chē)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)（WMS）有機(jī)整合起來(lái)，與客戶的生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MES、ERP等）對(duì)接，自動(dòng)生成作業(yè)任務(wù)，根據(jù)人工智能規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)行車(chē)智能調(diào)度、垛位合理分配、危險(xiǎn)區(qū)域自動(dòng)避讓及路徑優(yōu)化等功能，自主完成入庫(kù)、出庫(kù)和倒庫(kù)等工作，達(dá)到智能管理、自主決策、自動(dòng)執(zhí)行、實(shí)時(shí)跟蹤為一體的信息流與實(shí)物流高度一致，提升物流和運(yùn)營(yíng)效率。整個(gè)系統(tǒng)更加可靠，并且易于后期維護(hù)，同時(shí)縮短了車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的改造時(shí)間，使項(xiàng)目能夠更快速投入使用。

全自動(dòng)行車(chē)和庫(kù)區(qū)智能管理系統(tǒng)的投入，將實(shí)現(xiàn)行車(chē)的無(wú)人運(yùn)行，在車(chē)間經(jīng)過(guò)智能改造后，只需要編制好生產(chǎn)計(jì)劃、轉(zhuǎn)庫(kù)駁運(yùn)計(jì)劃，系統(tǒng)就能自動(dòng)分配任務(wù)并設(shè)定行車(chē)行駛路線完成吊運(yùn)作業(yè)，并可24小時(shí)不間斷運(yùn)行，提高吊運(yùn)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化和連續(xù)運(yùn)行作業(yè)效率，降低因人為因素造成的停機(jī)時(shí)間、往返路程、搜尋時(shí)間和倒庫(kù)次數(shù)，同時(shí)，減少地面工作人員安全隱患。參見(jiàn)表1。

表1 IACS無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)解決鋼鐵企業(yè)行車(chē)運(yùn)行維護(hù)難題

三、5G在無(wú)人行車(chē)的應(yīng)用

1. 行車(chē)的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)

行車(chē)作為鋼廠生產(chǎn)車(chē)間的主要搬運(yùn)設(shè)備，安全性和可靠性至關(guān)重要，其作業(yè)效率將直接影響產(chǎn)能。復(fù)雜的地面情況給設(shè)備的運(yùn)行帶來(lái)很多安全問(wèn)題，每年都會(huì)因行車(chē)操作方面的問(wèn)題，導(dǎo)致不同程度的事故，如造成地面機(jī)組設(shè)備損壞，甚至造成人身安全問(wèn)題。通信網(wǎng)絡(luò)作為行車(chē)控制架構(gòu)中的一部分，尤其是在無(wú)人行車(chē)庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)中，起到至關(guān)重要的作用，不僅關(guān)系著系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性，還決定了整個(gè)項(xiàng)目的穩(wěn)定性和安全性。

基于這樣的要求，鋼鐵廠無(wú)人行車(chē)應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)具有一定的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)：

一是控制信號(hào)的優(yōu)先級(jí)配置或隔離。基于傳統(tǒng)的工業(yè)Wi-Fi的方案，考慮無(wú)人行車(chē)的安全性和可靠性，將部署兩套Wi-Fi，一套用于自動(dòng)化控制，另一套用于CCTV（Closed-Circuit Television）遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)這樣的方式隔離了控制和監(jiān)視的通道，避免網(wǎng)絡(luò)通道占用而影響控制信號(hào)的實(shí)時(shí)性。

二是無(wú)線通信的高可靠性和低時(shí)延。行車(chē)作為特種生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求也較高。當(dāng)行車(chē)吊運(yùn)板坯移動(dòng)時(shí)，不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)將造成行車(chē)急停，產(chǎn)生極大安全隱患。同時(shí)在地面突發(fā)安全事故前，需要在庫(kù)區(qū)內(nèi)或中控室快速中止行車(chē)運(yùn)行，確保在事故發(fā)生前停止行車(chē)運(yùn)行，避免更多事故發(fā)生?；谶@樣的業(yè)務(wù)訴求，中控室PLC與行車(chē)PLC之間通信時(shí)延應(yīng)小于50ms，連續(xù)丟包小于3個(gè)，平均丟包率小于1%。緊急制動(dòng)IO與中控室安全PLC之間時(shí)延要求10ms。

三是較高的上行速率要求。行車(chē)視頻攝像頭通常有2～4個(gè)，用于特殊情況下的遠(yuǎn)程操控，故單個(gè)無(wú)人行車(chē)上行帶寬速率要求達(dá)到10Mbps以上。

2.應(yīng)用5G的驅(qū)動(dòng)力

行車(chē)控制系統(tǒng)與地面各系統(tǒng)的通訊可采用有線通訊方式、光通訊或者無(wú)線通訊。 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)作為成熟技術(shù)，已經(jīng)在多個(gè)無(wú)人行車(chē)項(xiàng)目中投入使用，也保障了項(xiàng)目的可靠運(yùn)行。具有可控的干擾協(xié)同能力，更容易實(shí)現(xiàn)無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)方案的標(biāo)準(zhǔn)化以及現(xiàn)場(chǎng)快速部署。此外，5G網(wǎng)絡(luò)具有更佳的可靠性和低時(shí)延能力，基于5G切片功能能支持一張網(wǎng)一套設(shè)備服務(wù)控制和監(jiān)控兩套系統(tǒng)的要求，這些都更好地適配了無(wú)人行車(chē)應(yīng)用的需求。

3.5G無(wú)人行車(chē)典型應(yīng)用場(chǎng)景

鋼鐵廠熱軋車(chē)間的板坯庫(kù)是無(wú)人行車(chē)應(yīng)用的典型場(chǎng)景。以某鋼鐵廠為例，為滿足其計(jì)劃年產(chǎn)450萬(wàn)噸新建工程，擬在板坯庫(kù)設(shè)計(jì)并建設(shè)一套無(wú)人全自動(dòng)行車(chē)控制系統(tǒng)IACS（Integrated Autonomous Crane System），對(duì)庫(kù)內(nèi)復(fù)雜的物料進(jìn)行有效管理，提高物流流通效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)內(nèi)行車(chē)吊運(yùn)環(huán)節(jié)的信息化與自動(dòng)化，保證物流與信息流的一致性。這既做到了減員增效，又大大減少了物料流轉(zhuǎn)過(guò)程中人工失誤的概率。

據(jù)悉，施耐德電氣、中國(guó)移動(dòng)與華為聯(lián)合開(kāi)展了基于施耐德電氣ModBus TCP協(xié)議的控制PLC 5G方案聯(lián)合驗(yàn)證工作。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此聯(lián)合5G解決方案在設(shè)備控制層的無(wú)線傳輸具有低延時(shí)、可靠性高、安全靈活的特點(diǎn)，可滿足現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通訊的需求。后續(xù)三方將在鋼企生產(chǎn)基地實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

隨著今后幾年無(wú)人行車(chē)的發(fā)展、庫(kù)區(qū)智能化的不斷推進(jìn)，不僅僅是實(shí)現(xiàn)單個(gè)橋式起重機(jī)的無(wú)人化控制和單個(gè)庫(kù)區(qū)不同設(shè)備間的協(xié)同控制，而是整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)基地的所有板坯庫(kù)、鋼卷庫(kù)區(qū)與大物流系統(tǒng)的全鏈條協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化工廠。

圖1 5G+IACS無(wú)人行車(chē)架構(gòu)