隨著《中國(guó)制造 2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的全面實(shí)施，鋼鐵行業(yè)在產(chǎn)能結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面都做了相應(yīng)的布局和調(diào)整，積極推進(jìn)智能轉(zhuǎn)型工作，推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展。在 2019 年中國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)年會(huì)中，將大力發(fā)展適用于大冶金工業(yè)流程的智能制造列為了鋼鐵工業(yè)下一階段的重點(diǎn)工作。國(guó)內(nèi)多個(gè)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)均提出了建設(shè)智慧鋼廠的目標(biāo)，智能化示范工廠建設(shè)的需求不斷加大。鑄造起重機(jī)作為液態(tài)金屬搬運(yùn)的核心設(shè)備，是煉鋼生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高鑄造起重機(jī)的智能化水平，是建設(shè)智慧鋼廠的必要前提。鑄造起重機(jī)工作級(jí)別高、工作環(huán)境惡劣、事故危害性大，實(shí)現(xiàn)鑄造起重機(jī)智能化的目標(biāo)，可以降低崗位人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備安全管控水平，減少生產(chǎn)線上人員干預(yù)，降低事故率，同時(shí)提高轉(zhuǎn)爐、連鑄、吊運(yùn)多部門間的橫向工藝協(xié)同能力，優(yōu)化工藝流程，提高作業(yè)效率。

文中針對(duì)國(guó)內(nèi)鑄造起重機(jī)的智能化需求，結(jié)合多年的專業(yè)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，以提高鑄造起重機(jī)智能化水平、降低人員干預(yù)度、提高生產(chǎn)效率為目標(biāo)，在起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行與智能維護(hù)方面做了大量的研究工作，開發(fā)出具有智能化概念的 250 t 鑄造起重機(jī)。

1. 設(shè)備主要性能及創(chuàng)新點(diǎn)

250 t 鑄造起重機(jī)具有多項(xiàng)領(lǐng)先技術(shù)和功能。該起重機(jī)電氣采用“上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī) +PLC+ 基礎(chǔ)變頻傳動(dòng)”組成的三級(jí)系統(tǒng)控制方式：上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為綜合監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控整車的運(yùn)行和故障狀態(tài)，PLC 實(shí)現(xiàn)整車運(yùn)行的時(shí)序邏輯控制，變頻傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)行。采用先進(jìn)可靠的三維定位傳感器技術(shù)輔助操作人員實(shí)現(xiàn)精確定位，基于無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可將起重機(jī)與地面集控室有效連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，此外在運(yùn)維保養(yǎng)方面，該起重機(jī)也更加智能化，設(shè)備主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下方面。

（1）無(wú)人自動(dòng)巡航與安全路徑

起重機(jī)接收上層控制平臺(tái)的工作指令信息，基于三維定位系統(tǒng)，進(jìn)行坐標(biāo)變換，經(jīng)過“一鍵確認(rèn)”后起重機(jī)可自動(dòng)巡航至工作面的目標(biāo)位置，在巡航過程中，起重機(jī)將實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前位置與安全路徑的關(guān)系，自動(dòng)避開非安全區(qū)域，從而提高作業(yè)效率，減少操作人員的工作量。

（2）操作權(quán)限管理功能

起重機(jī)控制系統(tǒng)中預(yù)存操作人員的指紋信息，當(dāng)操作人員對(duì)起重機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，首先需要進(jìn)行指紋識(shí)別，當(dāng)識(shí)別通過后，方可操作起重機(jī)運(yùn)行。起重機(jī)的控制系統(tǒng)可將操作人員的身份信息和操作信息記錄并保存，實(shí)現(xiàn)責(zé)任到人。

（3）基于全工廠的智能化控制

傳統(tǒng)的起重機(jī)是作為單一個(gè)體獨(dú)立控制，文中起重機(jī)作為全工廠智能化控制的一個(gè)對(duì)象，接收地面的控制命令，參與到工廠智能化的生產(chǎn)當(dāng)中；此外，起重機(jī)的狀態(tài)信息也將發(fā)送到地面中控室內(nèi)，參與地面設(shè)備的控制。

（4）雙向視頻監(jiān)控功能

在起重機(jī)關(guān)鍵位置安裝攝像頭，用于狀態(tài)監(jiān)視，在主梁端部安裝多個(gè)攝像頭，用于監(jiān)控吊點(diǎn)。此外特別地，起重機(jī)上還能根據(jù)需要顯示地面相關(guān)工位的視頻圖像，起重機(jī)也能夠根據(jù)需要將機(jī)上的圖像發(fā)送到地面控制室。

2. 與國(guó)外同類型產(chǎn)品技術(shù)性能比較

根據(jù)國(guó)外調(diào)研反饋，國(guó)外鑄造起重機(jī)目前仍為人工本地操作，雖然起重機(jī)上各子系統(tǒng)的自動(dòng)化水平比較高，但是整機(jī)的智能化程度并不高?？颇岷偷埋R格起重機(jī)在整機(jī)的智能化和遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)方面具有一系列市場(chǎng)化的解決方案，主要是集中在港口、汽車生產(chǎn)和廢物再生能源領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)冶金起重機(jī)的智能化研究主要集中在鋼卷庫(kù)智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)配套的夾鉗起重機(jī)，鑄造起重機(jī)的智能

化開發(fā)尚處于起步發(fā)展階段。

3. 解決關(guān)鍵技術(shù)的具體措施和技術(shù)方案

250 t智能鑄造起重機(jī)集成了目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)最先進(jìn)、成熟的機(jī)械、電氣技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理自重輕、安裝維護(hù)方便、運(yùn)行平穩(wěn)、故障可追溯、使用安全可靠、簡(jiǎn)單便利等優(yōu)點(diǎn)。

橋架為四梁四軌鉸接型式，由兩根外主梁、兩根副主梁、端梁鉸及連桿組成。鉸接式端梁橋架，解除了結(jié)構(gòu)中的多余約束，變超靜定結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)，使橋架的端梁和主梁頭部不承受水平彎曲應(yīng)力，避免了結(jié)構(gòu)過早出現(xiàn)疲勞裂紋的可能性，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)壽命。

（1）多傳動(dòng)全變頻調(diào)速系統(tǒng)

主起升系統(tǒng)采用差動(dòng)行星減速器布置，并配專用高溫強(qiáng)制油液冷卻循環(huán)系統(tǒng)，油溫控制在 60℃以下，油冷循環(huán)泵采用一用一備配置，當(dāng)一臺(tái)潤(rùn)滑泵出現(xiàn)故障能切換至另一路繼續(xù)工作。采用差動(dòng)行星減速器的優(yōu)點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)采用兩臺(tái)電機(jī)，當(dāng)一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障，另一臺(tái)電機(jī)可以在滿載情況下長(zhǎng)期半速運(yùn)行。

電氣驅(qū)動(dòng)方面起升采用雙電動(dòng)機(jī)、雙脈沖編碼器、雙驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成 2 套完整的、獨(dú)立的傳動(dòng)系統(tǒng)。采用“整流回饋裝置 + 逆變器”的多傳動(dòng)變頻調(diào)速方案，調(diào)速采用矢量閉環(huán)控制方式。通過司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上的主卷選擇開關(guān)選擇單、雙電機(jī)運(yùn)行，兩臺(tái)電機(jī)和兩套逆變裝置形成兩組獨(dú)立的控制系統(tǒng)。主起升的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)在一臺(tái)電動(dòng)機(jī)故障的狀態(tài)下，另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)仍能在滿載情況下長(zhǎng)期工作。保證事故狀態(tài)下盛滿液態(tài)鋼水的鋼包安全放置于地面或者需要的地方。電動(dòng)機(jī)軸端安裝超速開關(guān)，提供超速保護(hù)。此外，工作制動(dòng)器采用雙接觸器串聯(lián)控制方式，防止接觸器觸頭粘連情況的發(fā)生。

副起升機(jī)構(gòu)在逆變器出現(xiàn)故障的情況下，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的一套逆變器可作為副起升機(jī)構(gòu)備用裝置繼續(xù)使用，運(yùn)行一個(gè)工作循環(huán)。大車、主小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用兩套控制系統(tǒng)，當(dāng)一套逆變器或一臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，可由另一套逆變器控制另兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行。副小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，主小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的一套逆變器可作為副小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)備用裝置使用，繼續(xù)運(yùn)行一個(gè)工作循環(huán)。整流回饋裝置 + 逆變器的多傳動(dòng)變頻系統(tǒng)單線圖見圖 1。

圖 1 整流回饋裝置 + 逆變器的多傳動(dòng)變頻系統(tǒng)單線圖

（2）起重機(jī)三維定位系統(tǒng)及安全路徑

根據(jù)起重機(jī)不同機(jī)構(gòu)運(yùn)行特點(diǎn)，考慮到鑄造起重機(jī)工作在高溫、高粉塵和強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境的特點(diǎn)，起重機(jī)采用了多種不同的位置檢測(cè)方法以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性，其中起升機(jī)構(gòu)采用在卷筒軸端安裝絕對(duì)值編碼器來測(cè)量起升高度，大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用格雷母線，主、副小車采用激光測(cè)距儀。為了保證測(cè)量精確，每個(gè)機(jī)構(gòu)都增加高度或者位置校正開關(guān)，避免累計(jì)誤差出現(xiàn)。

由于廠房的結(jié)構(gòu)限制，起重機(jī)在某些區(qū)域需要進(jìn)行避讓，為此在人機(jī)界面上設(shè)置有需要避讓區(qū)域的坐標(biāo)，在起重機(jī)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)將當(dāng)前位置坐標(biāo)與避讓區(qū)域所設(shè)置的坐標(biāo)相比較，當(dāng)起重機(jī)接近所圈定的危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，相應(yīng)機(jī)構(gòu)能夠停止運(yùn)行，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。同時(shí)通過程序邏輯判斷起重機(jī)是否能合理避讓這些區(qū)域，如果可以就通過改變起升高度及主副小車位置來避讓該區(qū)域。安全路徑可以在 CMS 畫面上設(shè)置，分臨時(shí)設(shè)置路徑和固定設(shè)置路徑。

（3）大車糾偏系統(tǒng)的傳感器檢測(cè)與電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)

通過在大車一側(cè)端梁設(shè)置四個(gè)傳感器，檢測(cè)軌道車輪的相對(duì)位置，將實(shí)際位置信息傳至糾偏控制器，糾偏控制器根據(jù)位置偏差結(jié)合算法來改變大車兩側(cè)電機(jī)變頻器的驅(qū)動(dòng)速度及加速度來調(diào)整大車運(yùn)行的軌跡，控制大車車輪輪緣與運(yùn)行軌道的間隙，防止車輪啃軌，提高車輪使用壽命。

（4）網(wǎng)絡(luò)配置與組態(tài)

為了實(shí)現(xiàn)地面與車上的數(shù)據(jù)通訊，起重機(jī)在地面鋼水接收跨安裝若干套無(wú)線通訊 AP 模塊，在起重機(jī)上設(shè)置有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)客戶端，使得起重機(jī)與地面集控室之間通過無(wú)線局域網(wǎng)有效結(jié)合到一起。起重機(jī)內(nèi)部主控制部分的 PLC，采用冗余雙網(wǎng)絡(luò)配置；與第三方外設(shè)之間采用Y-LINK 組件進(jìn)行連接，起重機(jī)上配置有起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程客戶端，地面設(shè)置有服務(wù)器。起重機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖 2。

圖 2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（5）智能潤(rùn)滑系統(tǒng)

主要包括主控柜（S7-200PLC, 觸摸屏）、油泵站（壓力表）、智能分油箱（控制板、容積式流量計(jì)，電磁給油器）構(gòu)成，主控柜和油泵站及智能分油箱之間采用載波電纜通訊采集壓力容量信號(hào)。在 CMS 上位機(jī)上可以進(jìn)行潤(rùn)滑系統(tǒng)的顯示及設(shè)置。

根據(jù)實(shí)際潤(rùn)滑點(diǎn)數(shù)及分布距離，油泵站和分油箱的個(gè)數(shù)可靈活配置。油泵站上安裝有壓力表，一個(gè)油泵站可給多個(gè)智能分油箱供油。智能分油箱上有 5 個(gè)電磁給油器，每個(gè)電磁給油器上都安裝有容積式流量計(jì)，從每個(gè)電磁給油器流出的油容量可計(jì)數(shù)。自動(dòng)供油時(shí)，從第1 個(gè)點(diǎn)開始潤(rùn)滑，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間或者油量進(jìn)行供油操作，當(dāng)打到預(yù)定的時(shí)間或油量時(shí)，停止供油，開始第 2點(diǎn)的潤(rùn)滑，直到所有潤(rùn)滑點(diǎn)都完成，然后等待下一個(gè)供油循環(huán)。潤(rùn)滑時(shí)可根據(jù)設(shè)定的潤(rùn)滑容量或者潤(rùn)滑時(shí)間來打油，到時(shí)即停，潤(rùn)滑過程中可實(shí)時(shí)檢測(cè)各潤(rùn)滑點(diǎn)的狀態(tài)，比如漏油或者堵塞等。

（6）操作權(quán)限管理

起重機(jī)系統(tǒng)中預(yù)存了 5 個(gè)操作人員的指紋信息，當(dāng)操作人員對(duì)起重機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，首先需要進(jìn)行指紋識(shí)別，當(dāng)識(shí)別通過后，方可操作起重機(jī)運(yùn)行，當(dāng)起重機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)在 10 min 內(nèi)沒有任何操作動(dòng)作，主令系統(tǒng)將失效。操作人員將通過輸入指紋再次激活起重機(jī)的操作，起重機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)可記錄操作權(quán)限登錄信息，有助于加強(qiáng)起重機(jī)操作管理的信息化水平。

（7）雙向視頻監(jiān)控

為了能在起重機(jī)上顯示地面不同工位狀態(tài)信息，為視頻系統(tǒng)設(shè)置了一路獨(dú)立的圖像傳輸無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道：在起重機(jī)的操作室內(nèi)安裝兩個(gè)視頻顯示器，一路顯示車上的視頻信息，一路顯示地面工位視頻信息。起重機(jī)上與地面集控室各自設(shè)置有硬盤錄像機(jī)，兩個(gè)硬盤錄像機(jī)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，通過硬盤錄像機(jī)上的輸入信號(hào)切換顯示畫面。

（8）智能維護(hù)與管理

上位機(jī)內(nèi)安裝有基于 WINCC 軟件平臺(tái)開發(fā)的起重機(jī)專用信息管理系統(tǒng)。PLC 采集電動(dòng)機(jī)、減速器溫度和振動(dòng)信號(hào)、電氣室和高壓室溫度信號(hào)等。信息管理系統(tǒng)與起重機(jī)的 PLC 可編程控制器、潤(rùn)滑系統(tǒng)控制器等通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，通過內(nèi)嵌的故障分析軟件，可以為運(yùn)維保養(yǎng)提供設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表以及故障預(yù)警和電氣元件壽命評(píng)估等。

4. 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

起重機(jī)以高起點(diǎn)、高性能、高效率和高可靠性為前提，在設(shè)備匹配、結(jié)構(gòu)原理、性能等方面均有較大創(chuàng)新；在參數(shù)確定、方案設(shè)計(jì)、原材料選擇、工藝設(shè)計(jì)、外購(gòu)配套件選型、質(zhì)量控制等方面均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。相關(guān)技術(shù)可推廣應(yīng)用至其他類型起重機(jī)產(chǎn)品，有助于增強(qiáng)我國(guó)起重機(jī)的核心技術(shù)水平，提高起重機(jī)制造企業(yè)產(chǎn)品利潤(rùn)率，增強(qiáng)企業(yè)效益。智能化鑄造起重機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，對(duì)我國(guó)鋼鐵行業(yè)推廣節(jié)能高效、綠色環(huán)保和建設(shè)智能化鋼廠具有十分重要的意義，有助于制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

5. 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目是鑄造起重機(jī)在智能化研發(fā)上的一次新嘗試，所開發(fā)的起重機(jī)自 2018 年投入使用后，在提高運(yùn)行效率和降低操作人員工作強(qiáng)度方面起到了預(yù)期效果。受限于現(xiàn)有的科技水平和出于安全可靠性的考慮，鑄造起重機(jī)在無(wú)人化操作研究方面進(jìn)展較慢。相信隨著研發(fā)工作的持續(xù)進(jìn)行，以及 AI 技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，鑄造起重機(jī)的智能化水平將會(huì)有更大提升。