智能無(wú)人抓斗吊天車在有色金屬行業(yè)的應(yīng)用

鄧 君

（湖南天橋嘉成智能科技有限公司，湖南株洲 412000）

某有色金屬冶煉股份有限公司用于銅冶煉渣處理的精礦倉(cāng)配料車間，車間廠房長(zhǎng)210m，改造一臺(tái)純手動(dòng)抓斗吊，實(shí)現(xiàn)行車加料的全自動(dòng)運(yùn)行。為了解決該配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，結(jié)合企業(yè)智能制造和智慧工廠建設(shè)整體戰(zhàn)略，對(duì)該工序的物料轉(zhuǎn)運(yùn)及上料作業(yè)進(jìn)行智能化及相關(guān)配套改造，是非常具有現(xiàn)實(shí)積極意義的。對(duì)此，文章以智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)為案例，重點(diǎn)就其在該企業(yè)精礦倉(cāng)配料車間中智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應(yīng)用作了分析，希望能達(dá)到減人增效、降低設(shè)備故障、提升操作管理水平和效率、提升工序整體自動(dòng)化和信息化水平的目的。

1 智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)概述

此項(xiàng)目配料車間抓斗起重機(jī)智能化系統(tǒng)是基于可編程控制器（PLC）、變頻器和傳感器的控制系統(tǒng)以及機(jī)器識(shí)別、計(jì)算機(jī)、通信等信息技術(shù)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的智能調(diào)度與控制算法，實(shí)現(xiàn)抓斗起重機(jī)無(wú)人操作模式下的自動(dòng)化運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)智能化系統(tǒng)以及客戶對(duì)于天車作業(yè)自動(dòng)化的各項(xiàng)功能目標(biāo)，智能抓斗天車系統(tǒng)一般需要配備多個(gè)功能技術(shù)模塊，一般主要包含：無(wú)人天車電控系統(tǒng)，定位及防搖系統(tǒng)、智能識(shí)別系統(tǒng)、地面輔助及安全系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，中控系統(tǒng)。

2 配料車間智能無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 智能無(wú)人抓斗天車電控系統(tǒng)

無(wú)人天車電控系統(tǒng)主要由車載PLC 系統(tǒng)、各機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變頻器、傳感器以及相關(guān)控制軟件組成。車載PLC 采用西門子S7-1500系列。抓斗的起升及開(kāi)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用高性能變頻器控制，速度精度及力矩精度高，適合起重機(jī)電機(jī)控制。

2.1.1 智能抓斗天車電控系統(tǒng)（抓斗控制）的關(guān)鍵技術(shù)

湖南天橋嘉成智能科技有限公司智能無(wú)人天車抓斗設(shè)計(jì)為自立型重型上部雙股四繩防纏繞結(jié)構(gòu)。雙股四繩防纏繞設(shè)計(jì)、高性能PLC 及變頻器的選型配置以及公司獨(dú)創(chuàng)的四繩同步控制技術(shù)（三閉環(huán)同步控制系統(tǒng)），使得抓斗動(dòng)作平穩(wěn)、精準(zhǔn)，有效防止鋼絲繩松弛、纏繞、磨損，是防止抓斗漏料，保證作業(yè)效率和滿斗率等關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于人工操作的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1.2 智能無(wú)人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

智能無(wú)人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 智能無(wú)人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 自動(dòng)定位及防搖擺系統(tǒng)

天車自動(dòng)定位實(shí)現(xiàn)原理：起重機(jī)三維位置檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)起重機(jī)的三維位置，通過(guò)PLC 的調(diào)度子程序，向起重機(jī)發(fā)送目標(biāo)位置。車載PLC 接受到該位置后，控制各機(jī)構(gòu)變頻器驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)電機(jī)向目標(biāo)位置運(yùn)行，通過(guò)一定優(yōu)化算法，當(dāng)起重機(jī)停止時(shí)，剛好達(dá)到目標(biāo)位置，有效提高定位效率。

2.2.1 大、小車定位系統(tǒng)

如圖2所示，大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)（X、Y 方向）采用激光測(cè)距儀對(duì)位置信息進(jìn)行檢測(cè)。激光測(cè)距儀帶有標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET 接口，可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式直接將實(shí)時(shí)位置信息傳輸給PLC 控制器，定位準(zhǔn)確，精度可達(dá)±2 mm。

圖2 激光測(cè)距儀的技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)

大、小車定位系統(tǒng)通過(guò)激光在發(fā)射器與反射板之間的反射與接收，利用時(shí)間飛行函數(shù)計(jì)算，得出大小車在軌道上的距離位置信息。

定位系統(tǒng)的具體方案應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)布局、工作環(huán)境、精度要求、安裝維護(hù)、可靠性、投資性價(jià)比等因素進(jìn)行綜合選型和配置。

本項(xiàng)目中的大、小車定位系統(tǒng)也可考慮采用絕對(duì)值編碼器+RFID 磁釘校準(zhǔn)定位技術(shù)。

2.2.2 抓斗起升、開(kāi)閉定位

智能無(wú)人抓斗天車起升機(jī)構(gòu)（Z 方向）及抓斗開(kāi)閉位置檢測(cè)采用絕對(duì)值編碼器，其集成的PROFINET接口可以實(shí)現(xiàn)與S7-1500PLC 的完美融合和數(shù)據(jù)傳輸。其多圈高分辨率的計(jì)數(shù)特點(diǎn)，完全能夠滿足客戶高精度定位的要求，特別是高強(qiáng)度的防護(hù)等級(jí)，具有強(qiáng)抗沖擊和抗震動(dòng)能力，適用于惡劣工業(yè)環(huán)境。

（1）行車起升機(jī)構(gòu)（Z 軸方向）通過(guò)在升降卷筒端部安裝多圈絕對(duì)值編碼器來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量Z 軸的位置。

（2）抓斗開(kāi)閉卷筒端部安裝多圈絕對(duì)值編碼器來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量抓斗開(kāi)閉狀態(tài)。

（3）抓斗上方配置的稱重傳感裝置能夠判斷物料抓取情況，同時(shí)輔助進(jìn)行抓斗觸底判斷。

2.2.3 電子防搖

防搖控制原理：利用軟測(cè)量技術(shù)估計(jì)吊鉤偏擺角，采用狀態(tài)反饋的方法對(duì)橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度控制同時(shí)抑制吊鉤擺角，基于軟測(cè)量技術(shù)擺角檢測(cè)方法無(wú)需加裝任何傳感器，只需要變頻器內(nèi)部加入軟件算法即可，防搖算法采用狀態(tài)方程和狀態(tài)反饋的方法，實(shí)時(shí)估算吊鉤的擺角，然后調(diào)整大小車的加減速度。

2.3 機(jī)器識(shí)別系統(tǒng)

供料車間煤倉(cāng)抓斗起重機(jī)智能化系統(tǒng)中的機(jī)器識(shí)別主要包括車輛識(shí)別（含車牌號(hào)、進(jìn)場(chǎng)與離場(chǎng)判斷）、堆場(chǎng)物料狀態(tài)識(shí)別、煤臺(tái)加料倉(cāng)料位識(shí)別。

2.3.1 車輛識(shí)別

運(yùn)輸卡車進(jìn)入煤倉(cāng)作業(yè)區(qū)前，作業(yè)區(qū)車輛入口處的車牌識(shí)別及智能道閘系統(tǒng)，識(shí)別車牌號(hào)，車牌信息進(jìn)入智能天車中控系統(tǒng)。

智能天車中控系統(tǒng)核對(duì)車輛車牌信息，若符合，則道閘自動(dòng)開(kāi)啟，車輛駛?cè)搿?/p>

智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛入庫(kù)信號(hào)，將行車工作范圍進(jìn)行鎖定，確保卸車時(shí)的作業(yè)安全。

司機(jī)按照卸車規(guī)則完成卸料后，駛離作業(yè)區(qū)，智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛出庫(kù)信號(hào)，對(duì)智能行車進(jìn)行解鎖。

若客戶已部署TMS（運(yùn)輸管理系統(tǒng)），則智能天車中控系統(tǒng)還能通過(guò)系統(tǒng)對(duì)接，獲取運(yùn)單及物料信息。

2.3.2 堆場(chǎng)及煤臺(tái)料倉(cāng)物料識(shí)別

在起重機(jī)主梁下安裝二維激光掃描儀，大車移動(dòng)至堆場(chǎng)上方對(duì)該區(qū)域進(jìn)行來(lái)回移動(dòng)數(shù)次掃描。上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)掃描工控機(jī)獲取的3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的圖像及數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)時(shí)計(jì)算出堆場(chǎng)物料邊界、高度等狀態(tài)信息。

2.4 地面輔助及安全系統(tǒng)

由于智能無(wú)人抓斗天車處于無(wú)人駕駛狀態(tài)，自動(dòng)化程度高，運(yùn)輸卡車等地面設(shè)備必然需要與無(wú)人天車系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制功能。

（1）部署就地電控系統(tǒng)，車輛司機(jī)可通過(guò)就地電控系統(tǒng)按鈕或人機(jī)交互界面輸入“卸車請(qǐng)求、緊急停止、繼續(xù)卸車”等信號(hào)，系統(tǒng)也可向司機(jī)發(fā)出語(yǔ)音提示、聲光報(bào)警等信號(hào)。

（2）就地電控系統(tǒng)也可部署于遠(yuǎn)程中控室內(nèi)，司機(jī)的操作則相應(yīng)由中控室值守人員完成。

（3）裝車請(qǐng)求處部署網(wǎng)絡(luò)電話機(jī)，便于地面人員和控制中心人員溝通。中控臺(tái)上安裝網(wǎng)絡(luò)尋呼話筒，同時(shí)具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)通話功能。

（4）天車上安裝功放擴(kuò)音器，可以利用中控臺(tái)上的網(wǎng)絡(luò)尋呼話筒對(duì)天車作業(yè)區(qū)域進(jìn)行廣播喊話，如滯留人員的驅(qū)離等，進(jìn)一步強(qiáng)化天車自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)的安全。

（5）部署帶有人體闖入偵測(cè)和滯留偵測(cè)的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，當(dāng)自動(dòng)化作業(yè)區(qū)域有人員滯留，或是卡車司機(jī)停留在司機(jī)室等非安全區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)能進(jìn)行有效識(shí)別并輸出告警或停車。

（6）作業(yè)區(qū)出入口通道設(shè)置電子圍欄，當(dāng)自動(dòng)化作業(yè)期間有人、車異常闖入時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)停車或發(fā)出聲光或語(yǔ)音告警。

（7）作業(yè)區(qū)域設(shè)置物理圍欄進(jìn)行隔離。

（8）現(xiàn)場(chǎng)安裝一臺(tái)室外型LED 雙色顯示大屏幕，可滾動(dòng)顯示的內(nèi)容包括：①行車當(dāng)前運(yùn)行模式和狀態(tài)。②運(yùn)輸車輛是否?？康轿坏男畔⒎答?。③人員安全注意事項(xiàng)告知。④中控室的人機(jī)界面編輯的其他內(nèi)容。

注：地面輔助及安全系統(tǒng)功能，視客戶方生產(chǎn)條件以及對(duì)自動(dòng)化程度要求等實(shí)際情況，可以安裝部署上述（1）～（8）中的一種或多種功能配置。其中（1）和（2）為必選配置，其他6項(xiàng)均為可選配置。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為使得在中控機(jī)房能夠看到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況，方便相關(guān)人員對(duì)智能起重機(jī)的抓渣上料及卸車等作業(yè)進(jìn)行人工干預(yù)和指揮，提升現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控管理水平，需要在天車及現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)位置安裝部署網(wǎng)絡(luò)攝像頭，視頻畫(huà)面通過(guò)庫(kù)區(qū)無(wú)線和有線通信系統(tǒng)回傳至中控機(jī)房顯示并可接入全廠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，為滿足天車工能在中控室可進(jìn)行遠(yuǎn)程連續(xù)操控作業(yè)的要求，視頻系統(tǒng)的布置還應(yīng)在遠(yuǎn)程操控的畫(huà)面清晰度、視角、覆蓋范圍、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等方面進(jìn)行合理配置。

2.6 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

本項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)包括有線和無(wú)線兩大部分。其中有線數(shù)據(jù)通信主要負(fù)責(zé)地面與中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無(wú)線數(shù)據(jù)通信主要負(fù)責(zé)天車現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線覆蓋。

本網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用的工業(yè)無(wú)線局域網(wǎng)具備5G網(wǎng)絡(luò)接口功能，后期可與運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)接，5G網(wǎng)絡(luò)部署后，可實(shí)現(xiàn)中控室超遠(yuǎn)距離控制。

現(xiàn)場(chǎng)匯聚交換機(jī)至中控室核心交換機(jī)之間采用光纖傳輸，且為雙線制，最大限度避免主干網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)故障，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)全線停車的問(wèn)題。

所配置的高性能網(wǎng)橋采用5.8G 頻段，頻率高，信道相對(duì)純凈，傳輸帶寬大。適合對(duì)數(shù)據(jù)傳輸要求較高的場(chǎng)景使用。傳輸帶寬為450 Mbps 以上，在2公里的距離下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸帶寬實(shí)測(cè)200 Mbps 以上。

2.7 智能無(wú)人抓斗天車中控系統(tǒng)

2.7.1 中控系統(tǒng)——硬件

①系統(tǒng)服務(wù)器和上位機(jī)。

②核心交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及視頻后臺(tái)處理設(shè)備。

③遠(yuǎn)程操控終端及自動(dòng)作業(yè)監(jiān)控管理終端，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及自動(dòng)作業(yè)監(jiān)控管理操作。④中控設(shè)備配電及UPS 備電系統(tǒng)。⑤服務(wù)器柜及網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜。

2.7.2 中控系統(tǒng)——軟件

無(wú)人天車軟件系統(tǒng)主要用于抓斗智能天車的調(diào)度與管理，承接上位機(jī)系統(tǒng)或MES 系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)兼顧庫(kù)區(qū)的激光掃描、車輛識(shí)別管理系統(tǒng)、安全、視頻監(jiān)控等設(shè)備的協(xié)同智能化管理，建立多系統(tǒng)非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)最優(yōu)算法，通過(guò)計(jì)劃排程、設(shè)備調(diào)度、路徑規(guī)劃和提供多用戶、智能化、模塊化的控制系統(tǒng)，達(dá)到減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高物料信息與設(shè)備安全、提升庫(kù)區(qū)運(yùn)行效率等目標(biāo)，是整個(gè)智能無(wú)人天車系統(tǒng)中的核心組成部分。

3 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)人工模式下精礦倉(cāng)配料車間的物料操作管理方法相比，引入智能化無(wú)人化的抓斗吊天車系統(tǒng)，不但能夠減輕人工管理成本，還能解決配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題?；诖耍阅秤猩饘僖睙捁煞萦邢薰镜木V倉(cāng)配料車間中經(jīng)過(guò)智能化改造的無(wú)人化抓斗吊天車系統(tǒng)為例，在介紹該系統(tǒng)作業(yè)流程、功能模塊的基礎(chǔ)上，著重介紹了其各個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，希望能為實(shí)現(xiàn)該企業(yè)行車加料的智能化全自動(dòng)運(yùn)行而有所幫助。