1 庫區(qū)概況

廠房共設(shè)5個(gè)區(qū)，其中2個(gè)為線材庫，3個(gè)為棒材庫。庫容設(shè)計(jì)為1.5×10⁵t，年吞吐量為2.0×10⁶t，每個(gè)庫內(nèi)設(shè)置2臺(tái)起重機(jī)。物料運(yùn)輸采用汽車運(yùn)輸?shù)姆绞?，?dāng)汽車載貨到庫區(qū)裝卸工位后，起重機(jī)將汽車上的貨物逐次吊運(yùn)下來，并擺放到指定垛位。當(dāng)需要將庫區(qū)內(nèi)的貨物運(yùn)輸出去時(shí)，空車停到庫區(qū)裝卸工位，起重機(jī)將庫區(qū)內(nèi)貨物吊運(yùn)到汽車上，再由汽車運(yùn)輸出去。庫區(qū)基本規(guī)劃如圖1所示。

圖1 庫區(qū)基本規(guī)劃

2 智能化應(yīng)用

目前，雖然國內(nèi)的系統(tǒng)集成商和設(shè)備制造商落地的智能化產(chǎn)品逐步增多，可應(yīng)用于各種特殊場景，但對(duì)智能化系統(tǒng)在鋼鐵冶煉領(lǐng)域的應(yīng)用還處在研究探索階段，尤其是幾大核心系統(tǒng)的突破。在現(xiàn)有的自動(dòng)化基礎(chǔ)上，智能起重機(jī)最核心的系統(tǒng)主要包括機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)、三維空間定位系統(tǒng)、防搖擺系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)以及無線通信系統(tǒng)等。精確識(shí)別、準(zhǔn)確定位、高效防搖、穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)以及安全監(jiān)控保護(hù)，每一項(xiàng)內(nèi)容都是智能起重機(jī)的基本要求。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，智能起重機(jī)借助智能控制技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息化技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，形成了一套完整的起重機(jī)智能化管控平臺(tái)。

（1）機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)

在智能化應(yīng)用場景中，各種貨物信息的識(shí)別、檢驗(yàn)以及反饋是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自動(dòng)吊裝的關(guān)鍵。準(zhǔn)確識(shí)別車輛、物料、垛位等，不僅決定著起重機(jī)工作的可靠性，而且為起重機(jī)的控制系統(tǒng)提供了有效的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和目的地等重要的空間坐標(biāo)參數(shù)。本項(xiàng)目的機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)采用當(dāng)前相對(duì)成熟的3D掃描儀系統(tǒng)構(gòu)建。利用成熟的激光飛行原理和多重回波技術(shù)實(shí)現(xiàn)非接觸檢測，能夠準(zhǔn)確檢測到物體邊沿幾何尺寸和空間距離。在庫區(qū)頂部和起重機(jī)橫梁上安裝3D掃描儀，分別對(duì)庫區(qū)垛位、裝卸工位、車輛意見貨品的幾何尺寸和位置坐標(biāo)進(jìn)行分析定位，可為起重機(jī)控制系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。起重機(jī)系統(tǒng)根據(jù)掃描儀反饋的空間參數(shù)，并結(jié)合接收到的目標(biāo)指令進(jìn)行貨品的抓取等作業(yè)。3D掃描抗干擾能力強(qiáng)（通過內(nèi)部濾波和多重回波），測量距離遠(yuǎn)（約60 m），能夠根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置掃描區(qū)域等。車輛及貨品掃描圖像如圖2所示。

（a） 車輛掃描圖像

（b） 貨物掃描圖像

圖2 車輛及貨品掃描圖像

（2）三維空間定位系統(tǒng)

起重機(jī)三維定位系統(tǒng)的精確度不僅影響起重機(jī)工作的安全性，也影響防搖擺系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目采用編碼尺和編碼器相結(jié)合的方式對(duì)起重機(jī)的大車（X 方向）、小車（Y 方向）以及升降（Z 方向）進(jìn)行測距和定位。其中，大小車采用編碼尺方式，升降采用多圈絕對(duì)值編碼器方式。編碼尺選用不銹鋼材質(zhì)，沿著大車和小車的運(yùn)行軌道鋪設(shè)，與軌道保持相同的水平度和高低差。起升高度定位采用絕對(duì)值編碼器，其安裝在卷筒尾部，通過編碼器記錄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，進(jìn)而換算為起升高度，數(shù)值準(zhǔn)確可靠。為減少鋼絲繩拉長和減速機(jī)嚙合帶來的誤差，每次起升到位后使用接近開關(guān)重新標(biāo)定編碼器零點(diǎn)，確保誤差始終處于可控范圍內(nèi)。定位系統(tǒng)設(shè)備與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）之間采用ProfiNet總線通信，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠。三維定位示意圖如圖 3所示。

圖3 三維定位示意圖

（3）防搖擺系統(tǒng)

吊物通過鋼絲繩與起重機(jī)連接，其運(yùn)動(dòng)總是落后于起重機(jī)，導(dǎo)致起重機(jī)與吊物之間總是存在一個(gè)夾角。在起重機(jī)加減速的過程中，吊物在重力作用下會(huì)出現(xiàn)來回?fù)u擺的現(xiàn)象，難以快速穩(wěn)定就位。所以，防搖擺技術(shù)一直是智能起重機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)起重機(jī)的平穩(wěn)、高效運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。隨著技術(shù)的研發(fā)和升級(jí)，電氣防搖擺系統(tǒng)成為當(dāng)前使用頻率最高、防搖擺效率最好且對(duì)起重機(jī)本身機(jī)械結(jié)構(gòu)沖擊最小的系統(tǒng)。本次項(xiàng)目采用的電氣防搖擺系統(tǒng)，其大小車和起升機(jī)構(gòu)本身附帶專業(yè)防搖卡的變頻器控制，然后結(jié)合PLC組成防搖擺系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。

本次項(xiàng)目采用當(dāng)前最常用、最經(jīng)濟(jì)高效的開環(huán)控制防搖擺系統(tǒng)，無須角度測量反饋裝置，直接通過控制算法實(shí)現(xiàn)防搖效果。起重機(jī)大車、小車的走行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用變頻器驅(qū)動(dòng)，并在大車機(jī)構(gòu)、小車機(jī)構(gòu)以及起升裝置上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器來分別測量大車速度、小車速度以及起升裝置的實(shí)時(shí)高度。根據(jù)起重機(jī)的作業(yè)指令、實(shí)際運(yùn)行速度以及擺繩長度等數(shù)據(jù)計(jì)算角度變化，再通過鐘擺模型計(jì)算當(dāng)前所需要的大小車速度值。PLC將處理后的給定值發(fā)送給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)調(diào)整給定的加速值或減速值來抵消和限制擺動(dòng)角度，在起重機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)停止調(diào)整并實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)靜止。防搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 防搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

防搖擺系統(tǒng)調(diào)試完成后，起重機(jī)整體運(yùn)行噪聲降低，減少擺動(dòng)幅度約94%，生產(chǎn)效率提高約34%，且在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了精確定位，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

狀態(tài)監(jiān)控是起重機(jī)無人化系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行工況監(jiān)測和視頻監(jiān)控，有助于實(shí)時(shí)掌握起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和操作情況。相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，從而實(shí)現(xiàn)行車與地面的信息同步。工況監(jiān)測主要是保證起重機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控。通過搭建無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，將起重機(jī)的大車、小車以及起升裝置的空間位置、質(zhì)量、限位、制動(dòng)器狀態(tài)、相鄰起重機(jī)的安全距離、聯(lián)鎖保護(hù)裝置狀態(tài)以及故障報(bào)警等信息傳輸?shù)降孛娴闹锌厥译娔X端，并生成記錄曲線，以便主控人員和運(yùn)維人員評(píng)估起重機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)起重機(jī)運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)一方面要第一時(shí)間通過報(bào)警鈴聲和畫面警示的方式提醒中控人員，另一方面要快速生成應(yīng)對(duì)方案供維檢人員參考，以快速解決問題。起重機(jī)工況監(jiān)測畫面如圖5所示。

圖5 起重機(jī)工況監(jiān)測畫面

視頻監(jiān)控是為了實(shí)時(shí)查看起重機(jī)的工作情況。在起重機(jī)端梁兩側(cè)的小車等位置安裝多個(gè)具有400萬像素的高清攝像機(jī)，對(duì)起重機(jī)大車運(yùn)行的兩側(cè)，小車運(yùn)行的軌道、吊具、司機(jī)室，起重機(jī)走道以及電氣室內(nèi)部等位置進(jìn)行視頻監(jiān)控，方便主控人員隨時(shí)掌握起重機(jī)周邊、本體、電氣室、吊具、吊物以及地面的實(shí)時(shí)情況，避免無關(guān)人員誤入庫區(qū)、軌道或通廊。攝像機(jī)將視頻信號(hào)采集到起重機(jī)的硬盤錄像機(jī)，同時(shí)將實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸回地面的視頻服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和監(jiān)視。

（5）無線通信系統(tǒng)

為了確保起重機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，無線傳輸系統(tǒng)采用專網(wǎng)專用的方式。每臺(tái)起重機(jī)上均設(shè)有兩套無線系統(tǒng)，一套用于起重機(jī)控制系統(tǒng)及工況監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，另一套用于視頻系統(tǒng)信號(hào)傳輸。起重機(jī)本體控制系統(tǒng)與地面服務(wù)器以及上層倉庫管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）數(shù)據(jù)交換所需的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收器件，采用西門子的漏波電纜傳輸方案。其不僅能夠在覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制和設(shè)定，而且傳輸過程無接觸，避免了磨損問題，還解決了傳統(tǒng)拖纜和滑線通信數(shù)據(jù)有限、投資高、易損壞以及傳統(tǒng)無線傳輸閃斷、延遲、可靠性低等問題。漏波電纜傳輸設(shè)備由 SCALANCE W 無線接入點(diǎn)、RCoax漏波電纜、光電轉(zhuǎn)換模塊以及電源模塊等組成，每根RCoax 漏波電纜長度不超過 200 m。無線接入點(diǎn)統(tǒng)一采用W788-2 M12雙無線網(wǎng)卡的IWLAN接入點(diǎn)，帶有6個(gè)N型接口，可自由選擇 2.4 GHz/5 GHz 的工業(yè)無線局域網(wǎng)，傳輸速率最高可達(dá)到450 Mb/s。

在大車軌道一側(cè)鋪設(shè)漏波電纜，通過柔性饋線進(jìn)入每段漏波電纜終端的控制信號(hào)接線箱，進(jìn)而接入無線接入點(diǎn)?？刂茻o線信號(hào)通過電/光轉(zhuǎn)換模塊輸出光纖進(jìn)入軌道一側(cè)的控制集中接線箱，再利用光纖傳輸?shù)降孛嬷锌叵到y(tǒng)。信號(hào)接進(jìn)安裝在廠房內(nèi)的無線接入點(diǎn)，無線接入點(diǎn)經(jīng)光纖同地面中控系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)。起重機(jī)及中控室可通過無線裝置進(jìn)行交互，兩者之間的通信連接滿足安全、高效的設(shè)計(jì)需求，且?guī)捵銐蚨嗯_(tái)設(shè)備同時(shí)使用。它的漏波電纜傳輸方案如圖 6 所示。

圖6 漏波電纜傳輸方案

3. 結(jié)語

本次項(xiàng)目的探討和研究具有重要的理論意義和實(shí)踐意義，為現(xiàn)代化智能工廠的實(shí)現(xiàn)提供了一條有效的技術(shù)途徑。庫區(qū)無人化作業(yè)后，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)和低碳高效運(yùn)行。智能化行車雖然前期投資較大，但帶來了可觀的效益。第一，所有設(shè)備均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，基本不存在機(jī)械沖擊，能夠有效延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命。第二，完善的設(shè)備生命周期管理和監(jiān)控系統(tǒng)能夠有針對(duì)性地提高起重機(jī)的性能，并保證起重機(jī)的安全運(yùn)行。第三，自動(dòng)點(diǎn)檢和潤滑系統(tǒng)能夠確保設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行，大幅降低運(yùn)維費(fèi)用。第四，采用自動(dòng)化操作可避免人工操作失誤情況的發(fā)生，降低設(shè)備故障率。第五，通過遠(yuǎn)程監(jiān)測和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的預(yù)防性維修，避免設(shè)備故障耽誤工作進(jìn)度而帶來的經(jīng)濟(jì)損失。第六，對(duì)專業(yè)的起重機(jī)操作員需求減少，節(jié)約了人力成本。第七，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，減少了震動(dòng)、抖動(dòng)以及沖擊現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步降低了車間噪聲，創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境。目前，該智能車處于調(diào)試試用階段，后續(xù)將持續(xù)跟進(jìn)和研究智能起重機(jī)在棒線材庫區(qū)的使用情況。