鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

韓志勇，郭正剛

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

安全生產(chǎn)是鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展的重要保證，在鋼廠生產(chǎn)流程中，鋼包安全起吊是保證企業(yè)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。鋼包起吊具有高強(qiáng)度、高頻次的特點(diǎn)，雖然事故發(fā)生頻率 （事故數(shù)/起吊數(shù)）低，可一旦發(fā)生，便是重大惡性事故。目前，國(guó)內(nèi)鋼廠主要通過(guò)人工目視實(shí)現(xiàn)鋼包起吊操作，由于現(xiàn)場(chǎng)光線不足、大量粉塵遮擋視線以及遠(yuǎn)距離觀察不清等原因，在鋼包起吊系統(tǒng)中雙鉤不同步情況下起吊鋼包，易造成鋼包傾覆的重大事故［1-2］。因此，有必要開發(fā)一個(gè)能及時(shí)準(zhǔn)確辨識(shí)鋼包起吊異常且可靠易用的鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，降低鋼包起吊操作事故率，保證安全生產(chǎn)。

1 鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)起重機(jī)兩個(gè)吊鉤姿態(tài)的同步性檢測(cè)，結(jié)合兩個(gè)吊鉤吊重差異，形成可否起吊的決策。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由雙吊鉤姿態(tài)感應(yīng)子系統(tǒng)、“重量+位置”決策子系統(tǒng)和AB重時(shí)序決策子系統(tǒng)組成。三個(gè)子系統(tǒng)均獨(dú)立形成起吊決策，交叉驗(yàn)證后形成最終的起吊決策，保證起吊決策的準(zhǔn)確性。

1.1.1 雙吊鉤姿態(tài)感應(yīng)子系統(tǒng)

雙吊鉤姿態(tài)感應(yīng)子系統(tǒng)由雙鉤姿態(tài)檢測(cè)模塊、工控機(jī)等構(gòu)成，見圖1。雙吊鉤姿態(tài)感應(yīng)子系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)姿態(tài)感應(yīng)裝置，分別安裝在兩個(gè)吊鉤的合適位置，見圖2。

圖1 雙吊鉤姿態(tài)感應(yīng)子系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of Posture-sensing Subsystem for Double Hanging Hook

圖2 姿態(tài)感應(yīng)裝置安裝位置Fig.2 Installation Position for Posture-sensing Equipment

通過(guò)內(nèi)部傳感器檢測(cè)每個(gè)吊鉤的實(shí)時(shí)姿態(tài)，通過(guò)Zigbee通訊將實(shí)時(shí)姿態(tài)傳輸至控制室中的主機(jī)接收裝置，主機(jī)將接收到的雙鉤姿態(tài)信息進(jìn)行處理后，比較判斷雙鉤是否處于同步狀態(tài)，將判斷結(jié)果通過(guò)聲光報(bào)警形式輸出。

1.1.2 “重量+位置”決策子系統(tǒng)

“重量+位置”決策子系統(tǒng)中的“重量”指的是雙鉤起吊鋼包的重量；“位置”指的是起吊的空間位置。該子系統(tǒng)首先進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)得到安全起吊鋼包的重量和位置數(shù)據(jù)集，然后通過(guò)系統(tǒng)自學(xué)習(xí)功能得到安全起吊的決策函數(shù)，形成決策能力。在該子系統(tǒng)工作中，從天車控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取吊重?cái)?shù)據(jù)和起吊位置數(shù)據(jù)，通過(guò)訓(xùn)練得到的決策函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，判別該次起吊是否安全。

1.1.3 AB重時(shí)序決策子系統(tǒng)

AB重時(shí)序決策子系統(tǒng)需要分別采集A吊鉤和B吊鉤的實(shí)時(shí)起重重量，并加入時(shí)間維度進(jìn)行時(shí)序分析。該子系統(tǒng)首先收集以往天車控制系統(tǒng)中的起吊數(shù)據(jù)形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，然后分析安全起吊的數(shù)據(jù)模式，形成安全起吊模式邊界，進(jìn)而形成起吊決策能力。

1.2 系統(tǒng)信息處理層次

鋼包起吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息處理層次圖見圖3。

圖3 鋼包起吊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息處理層次圖Fig.3 Hierarchical Diagram for Information Processing of Ladle Hoisting Monitoring System

第一層為數(shù)據(jù)獲取層。系統(tǒng)由兩個(gè)姿態(tài)感應(yīng)模塊獲取吊鉤姿態(tài)原始信息，由天車控制系統(tǒng)獲取吊重、位置等信息。

第二層為數(shù)據(jù)傳輸層。吊鉤姿態(tài)原始信息通過(guò)無(wú)線方式送入工控機(jī)；吊重、位置等信息通過(guò)有線方式送入工控機(jī)。

第三層為算法層。由于平動(dòng)加速度、沖擊等干擾，吊鉤姿態(tài)原始信息并不能直接作為吊鉤姿態(tài)數(shù)據(jù)使用，需通過(guò)卡爾曼濾波、數(shù)據(jù)融合機(jī)器學(xué)習(xí)等算法處理，形成確切的吊鉤姿態(tài)數(shù)據(jù)；該層還為“重量+位置”決策子系統(tǒng)和AB重時(shí)序決策子系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)算法支持，以進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練并形成決策函數(shù)和模式邊界。

第四層為決策層。根據(jù)各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)，給出起吊決策。

第五層為輸出層。根據(jù)決策層形成的決策，輸出層完成屏幕顯示、聲光報(bào)警、開關(guān)量等信息的輸出。

2 吊鉤姿態(tài)檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)解析

鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中吊鉤姿態(tài)檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)解析對(duì)于及時(shí)準(zhǔn)確的獲取吊鉤姿態(tài)數(shù)據(jù)具有重要意義［3-4］。

2.1 姿態(tài)檢測(cè)傳感器的選擇

選擇使用一款高精度姿態(tài)檢測(cè)傳感器是設(shè)計(jì)可靠性較高的鋼包吊裝姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。傳感器需要集成卡爾曼濾波模塊，具有成本低、體積小、功耗低和可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及普遍適用性和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的傳感器主要部件性能參數(shù)如表1所示，傳感器姿態(tài)角精度如表2所示。

表1 傳感器主要部件的性能參數(shù)Table 1 Parameters for Main Components of Sensor

表2 傳感器姿態(tài)角精度Table 2 Precision of Sensor Posture Angle

鋼包吊裝姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象的加速度范圍為±8 g，表1中加速度計(jì)的測(cè)量范圍為±16g，所選傳感器滿足系統(tǒng)加速度測(cè)量范圍要求。鋼包吊裝姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)角度的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度要求為0.5°，由表2可見，滾轉(zhuǎn)角與俯仰角的動(dòng)態(tài)精度符合要求且無(wú)漂移現(xiàn)象，而偏航角存在一定的漂移現(xiàn)象，長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定性會(huì)略差。因此，選擇俯仰角作為系統(tǒng)測(cè)量吊鉤角度的敏感方向，而滾轉(zhuǎn)角及偏航角作為傳感器與吊鉤安裝偏差的修正參考參數(shù)。

2.2 傳感器俯仰角的數(shù)據(jù)解析

（1） 主要任務(wù)

使用STM32單片機(jī)UART3讀取姿態(tài)檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，提取模塊十六進(jìn)制的俯仰角數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的角度值，然后通過(guò)STM32單片機(jī)USART1將解析后的數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī)。

（2）傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)組成：數(shù)據(jù)頭/數(shù)據(jù)ID/數(shù)據(jù)長(zhǎng)度/數(shù)據(jù)/校驗(yàn)和。

數(shù)據(jù)頭（3 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)）：0×59、0×49、0×53

數(shù)據(jù)ID（2個(gè)十六進(jìn)制數(shù)）：變化的值

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（1個(gè)十六進(jìn)制數(shù)）：0×78

數(shù)據(jù)（120個(gè)十六進(jìn)制數(shù)）：由8個(gè)數(shù)據(jù)包組成

校驗(yàn)和（1 個(gè)十六進(jìn)制數(shù)）：0×78

一個(gè)完整的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為（127個(gè)2位十六進(jìn)制數(shù)組成）：3+2+1+120+1=127。其中，俯仰角數(shù)據(jù)由第 79、80、81和 82的 2位十六進(jìn)制數(shù)組成；在STM32單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析時(shí)，數(shù)據(jù)俯仰角由USART3_RX_BUF數(shù)組中的第USART3_RX_BUF[78]、USART3_RX_BUF[79]、USART3_RX_BUF[80]和USART3_RX_BUF[81]的數(shù)組元素表示，這4個(gè)數(shù)組元素都是由2位十六進(jìn)制數(shù)組成 （由于數(shù)組有第0位數(shù)組元素）。俯仰角的數(shù)據(jù)格式如圖4所示，按照?qǐng)D4的數(shù)據(jù)格式編程，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)姿態(tài)檢測(cè)傳感器俯仰角的數(shù)據(jù)解析。

圖4 俯仰角的數(shù)據(jù)格式Fig.4 Data Format for Angle of Pitch

3 應(yīng)用實(shí)踐

鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。起重機(jī)模擬了一個(gè)完整的運(yùn)輸作業(yè)，包括起吊、撞鉤、正常掛鉤以及非正常掛鉤，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到雙吊鉤都正常勾住鋼包的兩個(gè)耳軸時(shí)，可進(jìn)行鋼包起吊作業(yè)；反之，上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信息，停止鋼包的起吊作業(yè)。圖5為鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。

圖5 鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用Fig.5 Application of Intelligent Monitoring System for Ladle Hoisting

起重機(jī)吊鉤作業(yè)較為緩慢平穩(wěn)，一個(gè)工作周期大約為16 min，系統(tǒng)設(shè)定采樣頻率為2 Hz，連續(xù)采樣一個(gè)周期，吊鉤姿態(tài)角度和姿態(tài)角度差分別如圖6和圖7所示，圖6和圖7中的同一狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)同一時(shí)間段。

圖6 吊鉤姿態(tài)角度數(shù)據(jù)Fig.6 Data for Posture Angle of Hanging Hook

圖7 吊鉤姿態(tài)角度差數(shù)據(jù)Fig.7 Data for Posture Angle Difference of Hanging Hook

該系統(tǒng)設(shè)定撞鉤的正方向?yàn)榈蹉^姿態(tài)角正方向，吊鉤自然懸垂?fàn)顟B(tài)的姿態(tài)角度為0°，吊鉤角度預(yù)警值設(shè)為-5°。由起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)可知，吊鉤的姿態(tài)角度無(wú)法穩(wěn)定在正方向，因此上位機(jī)即可設(shè)定-5°～0°為正常掛鉤。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，狀態(tài)1表示當(dāng)起重機(jī)靠近鋼包，吊鉤A、B姿態(tài)角度均為0°，此時(shí)雙吊鉤為自然懸垂?fàn)顟B(tài)。狀態(tài)2表示起重機(jī)撞擊鋼包耳軸，吊鉤往復(fù)運(yùn)動(dòng)模擬鉤尖勾住鋼包耳軸，所以吊鉤角度有較大的振動(dòng)，此時(shí)無(wú)法吊起鋼包。狀態(tài)3表示起重機(jī)的兩個(gè)吊鉤都用鉤尖掛住鋼包耳軸，姿態(tài)角度差為0°，但姿態(tài)角為-6°，超過(guò)吊鉤的預(yù)警值，若此時(shí)起吊，起重機(jī)小車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊足以使鋼包從雙吊鉤上脫落，造成嚴(yán)重事故。狀態(tài)4表示起重機(jī)兩個(gè)吊鉤都正常的勾住鋼包耳軸，此時(shí)吊鉤的姿態(tài)角與正常懸垂時(shí)的姿態(tài)角相同，都為0°，上位機(jī)提示可以起吊。狀態(tài)5表示吊鉤A正常勾住鋼包耳軸，而吊鉤B只是鉤尖勾住鋼包耳軸，吊鉤AB的角度差為6°，超過(guò)吊鉤的預(yù)警值，若此時(shí)起吊，吊鉤B會(huì)受到?jīng)_擊而與該側(cè)的鋼包耳軸脫離，導(dǎo)致鋼包傾覆事故。狀態(tài)6表示雙吊鉤正常勾住鋼包耳軸，與狀態(tài)4完全相同。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)感知吊鉤的姿態(tài)角度變化，并能及時(shí)準(zhǔn)確判斷雙吊鉤的掛鉤狀態(tài)。但是若用原始數(shù)據(jù)作為判據(jù)會(huì)有許多高峰突變值，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生誤報(bào)，后續(xù)可將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后與閾值比較，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。

進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)以監(jiān)測(cè)姿態(tài)感應(yīng)裝置的電池用電量，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，一次充滿電后，姿態(tài)感應(yīng)裝置在中等強(qiáng)度的工作條件下，電池電量可以使用180 d。生產(chǎn)實(shí)踐中，信號(hào)無(wú)線傳輸誤碼率小于1‰，由于系統(tǒng)采用了通信數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法，未出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)鋼包起吊過(guò)程中人工目視操作受現(xiàn)場(chǎng)光線不足、大量粉塵遮擋視線以及遠(yuǎn)距離觀察不清等客觀條件的影響，雙鉤不同步情況下起吊鋼包，易引發(fā)鋼包傾覆重大安全事故的問(wèn)題，基于吊鉤姿態(tài)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)了鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由雙吊鉤姿態(tài)感應(yīng)子系統(tǒng)、“重量+位置”決策子系統(tǒng)及AB重時(shí)序決策子系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了吊鉤姿態(tài)的檢測(cè)及姿態(tài)數(shù)據(jù)的解析。實(shí)踐表明，鋼包起吊智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鋼包起吊異常情況，降低鋼包起吊操作事故的發(fā)生率，保證生產(chǎn)安全。