鑄造起重機智能化發(fā)展展望

周 繼 焦志強

太原重工股份有限公司技術(shù)中心 太原 030024

0 引言

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的全面實施，鋼鐵行業(yè)正在逐步調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局，推動智能化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。2019年召開的中國鋼鐵協(xié)會年會確定了下一階段重點發(fā)展目標(biāo)為將智能制造融入冶金工業(yè)流程。寶鋼、鞍鋼、首鋼等鋼企均將建設(shè)智慧鋼廠作為后續(xù)發(fā)展目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)對智能化的需求不斷加大。鑄造起重機是吊運液態(tài)熔融金屬的關(guān)鍵設(shè)備，是煉鋼工藝中的重要組成部分，實現(xiàn)鑄造起重機智能化轉(zhuǎn)型，是智慧鋼廠最終落地的重要前提條件[1]。鑄造起重機工作環(huán)境惡劣、工作級別高，發(fā)生事故所造成的危害特別嚴重。提高鑄造起重機智能化水平，可改善工人的工作環(huán)境、降低勞動強度、提高設(shè)備整體管理水平；并通過減少人員干預(yù)降低事故發(fā)生率，提升生產(chǎn)安全性；同時，還能提高轉(zhuǎn)爐、連鑄、吊運等多個部門之間的工藝協(xié)同能力，優(yōu)化煉鋼工藝步驟之間的銜接，提高生產(chǎn)效率[1]。

本文針對鋼廠鑄造起重機智能化實際應(yīng)用需求，探索鑄造起重機智能化重點發(fā)展的幾個方向，以提高我國鑄造起重機智能化轉(zhuǎn)型的質(zhì)量。

1 遠程集控

遠程集控是鑄造起重機智能化中不可缺少的部分，可通過安裝在遠程操作室內(nèi)的操作臺，遠程操作所連接的鑄造起重機。遠程集控的重要作用之一是承接自動控制部分的手工介入功能。在起重機自動運行過程中，當(dāng)碰到一些需要手動介入確認的步驟時，安裝在起重機上的自動控制功能PLC 會向遠程集控系統(tǒng)發(fā)出遠程介入請求，遠程集控系統(tǒng)服務(wù)器在接收到來自起重機自動化模塊的手動介入請求后，會通過任務(wù)池確定由哪一臺遠程操作臺連接到起重機去處理起重機的手動介入任務(wù)。當(dāng)任務(wù)發(fā)送到響應(yīng)的操作臺后，屏幕會提示司機需要進行何種操作任務(wù)或確認步驟，使司機快速處理手動介入任務(wù)。當(dāng)手動任務(wù)處理完成后，自動模塊返回到自動模式繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。這種以自動模塊作為流程管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可最大限度地提高工作效率，減少人工介入的時間，增加手動操作的便利性。

采用遠程集中控制的方式，使1名起重機司機監(jiān)管控制多臺起重機運行成為可能，改善了起重機司機的工作環(huán)境, 降低了起重機司機的工作強度，提高了起重機的工作效率。今后的發(fā)展方向是如何充分利用視覺識別技術(shù)和任務(wù)調(diào)度技術(shù)，進一步提高起重機司機遠程操作效率。通過一人對多機遠程集控系統(tǒng)的開發(fā)，在起重機自動或半自動運行的狀態(tài)下盡可能提高司機操作監(jiān)控的可靠性與安全性，保證車間工藝流程高效運行，滿足現(xiàn)場使用需求。

2 自動運行

自動運行是鑄造起重機智能化的核心部分。根據(jù)鑄造起重機的工藝特點，自動運行中的關(guān)鍵模塊包括自動巡航、自動掛鉤及自動坐包。

自動巡航是指起重機接到來自鐵鋼包物流系統(tǒng)的調(diào)度指令后，按照設(shè)定的最優(yōu)安全路徑自動運行到指定位置。起重機自動巡航依托于行車三維定位系統(tǒng)、智能自動防搖、防碰撞、天地互通等技術(shù)[1]，要求各個工位坐標(biāo)已知且精度滿足要求。自動巡航由安裝在起重機上的PLC執(zhí)行。

自動掛鉤是指起重機接到來自鐵鋼包物流系統(tǒng)的調(diào)度指令后，根據(jù)鋼（鐵）水包與吊鉤的相對位置，自動完成吊鉤掛住鋼（鐵）水包耳軸并確認掛好。自動掛鉤技術(shù)是鑄造起重機自動運行最大的難點。該技術(shù)主要包括2部分，一是起重機各機構(gòu)的聯(lián)動運行，二是吊鉤和耳軸相對位置的確認及反饋。起重機各機構(gòu)的聯(lián)動運行依托于三維定位系統(tǒng)、智能自動防搖、天地互通及自動控制等技術(shù)，在當(dāng)前的技術(shù)條件下能夠?qū)崿F(xiàn)。難點在于吊鉤和耳軸相對位置的確認及反饋。由于吊鉤與鋼包的工作環(huán)境及工作模式無法加裝傳感器，只能采用智能感知的方式獲取該信息。

自動坐包是指起重機接到來自鐵鋼包物流系統(tǒng)的調(diào)度指令后，根據(jù)鋼（鐵）水包與座包位的相對位置，自動巡航到座包位放下鋼水包、完成自動脫鉤任務(wù)并確認吊鉤與鋼（鐵）水包耳軸脫離。自動坐包技術(shù)同自動掛鉤技術(shù)具有相同的技術(shù)要求構(gòu)成，其難點在于吊鉤與鋼包耳軸脫離后的確認及反饋。

為了降低作業(yè)人員干預(yù)度和作業(yè)強度，真正意義上實現(xiàn)行車一鍵式自動巡航和工序接力，需在動態(tài)運行中實現(xiàn)高精度三維空間精準定位。但是由于整個冶煉過程中需要參與的設(shè)備眾多，某些設(shè)備（如鋼包）在現(xiàn)有工藝條件及設(shè)備運行條件下，無法提供準確的三維空間定位信息，因此，如何獲得準確的三維空間信息對于現(xiàn)有設(shè)備智能化改造十分必要。

3 智能感知

智能感知是解決鑄造起重機智能化難點的有效手段。智能感知是人工智能的一個發(fā)展方向，是指將物理世界的信號通過攝像頭、麥克風(fēng)或其他傳感器的硬件設(shè)備，借助語音識別、圖像識別等前沿技術(shù)，映射到數(shù)字世界，再將這些數(shù)字信息進一步提升至可認知的層次。即通過感知設(shè)備實現(xiàn)視覺、聽覺、和觸覺等感知能力。人和動物都是被動感知的，而機器可以主動感知紅外雷達、微波雷達、激光雷達等。

可利用智能感知中的機器視覺解決自動運行中自動脫掛鉤識別、獲取設(shè)備三維空間位置信息等難題。機器視覺又主要分為2D視覺和3D視覺。煉鋼廠環(huán)境條件惡劣復(fù)雜，溫度高、光線差、粉塵多，通過實際測試，2D視覺（圖像識別）無法滿足煉鋼廠惡劣環(huán)境下的可靠識別；3D視覺技術(shù)則可通過無線探測技術(shù)適應(yīng)煉鋼車間多粉塵的環(huán)境。今后的發(fā)展方向和研究重點有2個，一是通過優(yōu)化算法，提高自動脫掛鉤的識別成功率；二是通過硬件及軟件的融合優(yōu)化，提高位置識別精度，以保證起重機自動運行的可靠性。

4 智能監(jiān)測

鑄造起重機常常存在著某些非健康的“病態(tài)”影響因素，如金屬結(jié)構(gòu)的塑性變形、疲勞破壞、脆性斷裂、整體或局部失穩(wěn)等危險狀態(tài)；機構(gòu)或設(shè)備由于磨損、斷裂、變形（畸變）、腐蝕（氣蝕）導(dǎo)致出現(xiàn)異常狀態(tài)；電控設(shè)備由于觸頭粘連、觸點磨損、元器件老化和腐蝕等出現(xiàn)異常狀態(tài)；安全防護裝置失靈也會導(dǎo)致起重作業(yè)出現(xiàn)超載、碰撞、過卷揚等不安全行為狀態(tài)。這些損傷、異常、不安全行為等“病態(tài)”問題，若不加以排除并及時維護管理，到達一定程度就會轉(zhuǎn)化為失效、故障、失誤等“嚴重疾病”，必將引發(fā)或?qū)е轮卮蟀踩鹿省?/p>

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對鑄造起重機這一復(fù)雜系統(tǒng)，開展健康狀態(tài)方面的深層次“病態(tài)”機理研究，通過系統(tǒng)健康狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理得到綜合評價方法將是今后的重點發(fā)展方向。

5 人機交互

起重機司機在操作過程中往往注意力全集中在起吊過程中。為提高起重機運行安全性和使用效率，增加語音交互功能是很有必要的。司機在操作過程中，通過語音進行指令下達，操作起重機完成常規(guī)任務(wù)。同時，在發(fā)生緊急情況時，通過語音報警提醒司機當(dāng)前起重機面臨的問題，可大大提高起重機的安全性。故語音交互功能的研究也是今后的一個重要發(fā)展方向。

6 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術(shù)是將具體的物理產(chǎn)品進行數(shù)字化表達，方便用戶通過數(shù)字化產(chǎn)品來觀察實際產(chǎn)品可能發(fā)生的情況。通過仿真模型參數(shù)將其傳遞到按產(chǎn)品制作的三維模型，能實時、動態(tài)地評估產(chǎn)品當(dāng)前及后續(xù)壽命期間的功能和性能。而在產(chǎn)品使用過程中，收集傳感器及其他相連接裝置的數(shù)據(jù)，并加以分析利用，就能在早期產(chǎn)品設(shè)計時，將生產(chǎn)制造和運營維護需求融入進去，從而完成智能優(yōu)化改進。

將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在鑄造起重機上，有助于把控設(shè)備的實時狀態(tài)、有助于實現(xiàn)對設(shè)備實體物理特征的精準分析、有助于指導(dǎo)鑄造起重機整個壽命過程的運行維護[5]。今后的重點發(fā)展方向：一是建立鑄造起重機數(shù)字孿生模型，二是增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在鑄造起重機數(shù)字孿生模型中的應(yīng)用，實現(xiàn)在線數(shù)字化的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型同步映射。

7 結(jié)語

作為鋼鐵冶煉中不可缺少的設(shè)備，鑄造起重機智能化關(guān)鍵技術(shù)的研究，將引領(lǐng)鑄造起重機智能化的發(fā)展方向，為我國建設(shè)智慧鋼廠夯實基礎(chǔ)，助力我國傳統(tǒng)制造業(yè)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展。