龔 強(qiáng)，歐陽(yáng)建

（1.中冶賽迪重慶信息技術(shù)有限公司，重慶401122；2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400013）

在智能制造的大背景下，自動(dòng)化系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的邏輯控制，還要讓機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主控制、設(shè)備間的協(xié)作控制，從而有效降低操作人員的參與度，實(shí)現(xiàn)工廠的少人化或無(wú)人化［1-4］。

在使用產(chǎn)品或物料的狀態(tài)（主要指鋼管位置）來(lái)觸發(fā)機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程中，通常的做法是在固定位置安裝檢測(cè)元件來(lái)判斷物料是否到達(dá)，這種方式雖然安全可靠，但是受到檢測(cè)器安裝和檢測(cè)技術(shù)的限制，加上既無(wú)法區(qū)分檢測(cè)器是否誤判也無(wú)法反饋物料的實(shí)時(shí)狀態(tài)，都極大地限制了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制和追溯能力。而采用計(jì)算機(jī)跟蹤技術(shù)可以有效解決上述問(wèn)題，并且通過(guò)此技術(shù)可以將實(shí)際產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)虛擬空間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行一一映射，附著在虛擬產(chǎn)品上的數(shù)據(jù)代替真實(shí)產(chǎn)品給出觸發(fā)指令，可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)控制與設(shè)備協(xié)作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，構(gòu)成大數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文提出一種鋼管實(shí)時(shí)物料跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)想，對(duì)各個(gè)機(jī)械設(shè)備所驅(qū)動(dòng)的鋼管動(dòng)作建立仿真模型，以傳感器反饋的設(shè)備實(shí)際位置作為初始值輸入，預(yù)測(cè)鋼管的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。一個(gè)精確的跟蹤系統(tǒng)需要充分體現(xiàn)物料的慣性動(dòng)作、碰撞等，且鋼管在生產(chǎn)過(guò)程中相比較一般的剛性物體而言，其物理運(yùn)動(dòng)屬性中存在大量的圓周滾動(dòng)動(dòng)作，增加了鋼管運(yùn)行過(guò)程的不確定性。最終跟蹤系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的契合度，取決于各個(gè)設(shè)備仿真模型的準(zhǔn)確性，由于現(xiàn)場(chǎng)外部條件的復(fù)雜性，僅依靠復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型達(dá)到還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的技術(shù)條件還不是非常成熟，故擬使用簡(jiǎn)化的物理模型配合檢測(cè)器修正誤差的方式，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高準(zhǔn)確性。

1 跟蹤系統(tǒng)技術(shù)路線

鋼管實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的構(gòu)想受到“數(shù)字化雙胞胎”（Digital Twin）技術(shù)的啟發(fā)［5］，但由于最終目的不同，所以側(cè)重點(diǎn)不同，實(shí)現(xiàn)方式也略有區(qū)別。該構(gòu)想中的仿真，在技術(shù)上不追求實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的完整鏡像，強(qiáng)調(diào)的是設(shè)備狀態(tài)對(duì)鋼管物理位置的影響。

鋼管實(shí)時(shí)位置跟蹤的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)當(dāng)前鋼管所處區(qū)域內(nèi)機(jī)械設(shè)備的實(shí)時(shí)動(dòng)作和基本運(yùn)動(dòng)物理規(guī)律對(duì)鋼管位置進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，通過(guò)毫秒級(jí)掃描周期的實(shí)時(shí)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)物料位置的實(shí)時(shí)刷新，由于采用了簡(jiǎn)化的物理模型，所以需要在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)物料檢測(cè)器來(lái)修正計(jì)算與實(shí)物運(yùn)行的偏差。從大的方面看，物料跟蹤功能塊由兩個(gè)輸入、一個(gè)輸出組成，兩個(gè)輸入分別輸入的是當(dāng)前設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)及檢測(cè)器的狀態(tài)，輸出的是物料的實(shí)時(shí)位置。

由于仿真的概念常用于設(shè)備狀態(tài)的模擬，為了區(qū)別，現(xiàn)將設(shè)備動(dòng)作造成的物料位置變化，定義為跟蹤系統(tǒng)。

控制、跟蹤和仿真系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，在系統(tǒng)中加入各個(gè)機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作仿真，可以使系統(tǒng)具備閉環(huán)仿真測(cè)試功能?？刂剖强刂破鲗?duì)機(jī)械設(shè)備控制邏輯的體現(xiàn)，跟蹤為機(jī)械設(shè)備對(duì)軋件控制邏輯的結(jié)果預(yù)測(cè)，而仿真功能是系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)的合理模擬，控制、跟蹤和仿真三者相輔相成。

圖1 控制、跟蹤和仿真系統(tǒng)構(gòu)成示意

2 跟蹤信息的存儲(chǔ)

2.1 跟蹤單元的劃分

實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是鋼管的運(yùn)動(dòng)，如果簡(jiǎn)單地將每臺(tái)設(shè)備或執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)鋼管的影響建立數(shù)學(xué)模型，由于前后設(shè)備之間的動(dòng)作關(guān)聯(lián)，需要額外地增加存儲(chǔ)空間用于管理設(shè)備動(dòng)作接口，如果以整條生產(chǎn)線上所有機(jī)械設(shè)備為目標(biāo)，則在更新設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備位置時(shí)消耗大量的計(jì)算資源用于檢索；因此對(duì)于前后緊密關(guān)聯(lián)的設(shè)備進(jìn)行合理劃分，有利于提高程序的執(zhí)行效率?，F(xiàn)將連續(xù)輸送機(jī)械設(shè)備劃分成的小跟蹤區(qū)域定義為跟蹤單元。

鋼管跟蹤單元的劃分遵循以下原則：

（1）軸向和徑向運(yùn)行的設(shè)備劃分在不同跟蹤單元。鋼管生產(chǎn)線上鋼管輸送方向大致可以分為兩類：一類是鋼管沿軸線運(yùn)行，如輸送輥道；另一類是鋼管沿徑向運(yùn)行，如斜臺(tái)架等。以此為依據(jù)將生產(chǎn)線劃分為若干個(gè)跟蹤單元，而鋼管的運(yùn)行可以簡(jiǎn)化為一維方向平面運(yùn)動(dòng)。

（2）具有鋼管暫存功能的設(shè)備劃分為一個(gè)獨(dú)立跟蹤單元。跟蹤單元內(nèi)能存儲(chǔ)的鋼管支數(shù)不宜過(guò)多，鋼管冷床、暫存臺(tái)架等設(shè)備為最小單元，無(wú)法繼續(xù)細(xì)分。

2.2 鋼管跟蹤信息

鋼管跟蹤信息以鋼管號(hào)（ID）作為唯一識(shí)別代碼，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織檢索和更新。除此之外，它還包含物料的基本屬性信息，如鋼管外徑、長(zhǎng)度、頭尾位置信息或者軋制信息等［6］。進(jìn)入跟蹤單元的所有物料都需要生成一條跟蹤信息，存儲(chǔ)在控制器中，存儲(chǔ)區(qū)的大小取決于跟蹤區(qū)內(nèi)能夠存在的最大物料數(shù)。

鋼管號(hào)和鋼管的基本屬性承接自上級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或上位機(jī)，而鋼管的位置信息需要在生產(chǎn)線或是跟蹤區(qū)域內(nèi)定義一個(gè)基點(diǎn)和正方向，用于標(biāo)定設(shè)備和鋼管的位置。

2.3 設(shè)備動(dòng)作信息

建立通用的設(shè)備類型庫(kù)，實(shí)例化以后配置包含當(dāng)前設(shè)備的位置、運(yùn)行速度、極限狀態(tài)等特征屬性，一些特殊設(shè)備如升降擋板，當(dāng)擋板升起時(shí)輥道運(yùn)行，鋼管的位置不累加等。

從跟蹤的準(zhǔn)確性上來(lái)說(shuō)，應(yīng)以反映設(shè)備連續(xù)的運(yùn)行反饋信號(hào)作為設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)的判斷依據(jù)，如編碼器、位移傳感器等，但工程實(shí)際中，僅采用接近開關(guān)做到位檢測(cè)也很常見，此時(shí)以到位信號(hào)作為設(shè)備動(dòng)作基準(zhǔn)位，其余無(wú)位置反饋時(shí)間以驅(qū)動(dòng)器輸出進(jìn)行邏輯判斷。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)無(wú)反饋信號(hào)，采用驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)作為設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)的判斷依據(jù)。

3 跟蹤信息的更新

3.1 連續(xù)輥道上鋼管的跟蹤

鋼管軸線運(yùn)行中輥道輸送是一種最常見的類型。在簡(jiǎn)化的物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律中忽略輥道與鋼管之間的相對(duì)滑動(dòng)，認(rèn)為輥道與鋼管的接觸點(diǎn)上具有同樣的線速度。鋼管的線速度可以通過(guò)變頻裝置反饋的鋼管輥道電機(jī)轉(zhuǎn)速、減速比和V型輥的開口度及鋼管外徑換算得到。鋼管接觸點(diǎn)V型輥直徑如圖2所示。

圖2 鋼管接觸點(diǎn)V型輥直徑示意

輥道運(yùn)輸直徑DT：

β=（180-α）/2。

式中Dt——V型輥輥喉直徑，mm；

D——鋼管外徑，mm。

輥道線速度VT為：

式中i——減速比；

nT——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

鋼管的長(zhǎng)度（Tube_Len）與鋼管的頭部位置（HE_Pos）和尾部位置（TL_Pos）之間的關(guān)系為：

如果鋼管頭部和尾部的位置分別依據(jù)當(dāng)前所在輥道的速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，可能會(huì)因?yàn)榍昂筝伒篱g速度不一致而造成鋼管的長(zhǎng)度發(fā)生改變，這顯然與實(shí)際情況不符［7］。此處簡(jiǎn)化處理，以鋼管1/2處所在的輥道速度作為當(dāng)前鋼管的速度。

3.2 斜臺(tái)架上鋼管的跟蹤

鋼管在斜臺(tái)架上是處于滾動(dòng)狀態(tài)，忽略阻力時(shí)，在水平方向上的滾動(dòng)位移可以通過(guò)水平加速度經(jīng)過(guò)兩次積分得到。斜臺(tái)架上鋼管位置如圖3所示。

水平加速度a為：

圖3 斜臺(tái)架上鋼管位置示意

鋼管在斜臺(tái)架上運(yùn)行時(shí)，僅朝傾斜方向運(yùn)行且存在運(yùn)行邊界。斜臺(tái)架上的碰撞處理簡(jiǎn)化為：鋼管運(yùn)動(dòng)到運(yùn)行邊界時(shí)，速度降為0。臺(tái)架上已有鋼管時(shí)，鋼管的運(yùn)行邊界使用簡(jiǎn)化公式（5）：

其中，Table_Len為臺(tái)架的總寬度，n為停留在斜臺(tái)架末端的鋼管支數(shù)。

3.3 旋轉(zhuǎn)臂上鋼管的跟蹤

鋼管在旋轉(zhuǎn)臂上無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臂的水平位移即為鋼管的位移。旋轉(zhuǎn)臂上鋼管位置如圖4所示。旋轉(zhuǎn)臂的水平位移通過(guò)臂長(zhǎng)和編碼器的角度反饋直接進(jìn)行換算得到，接料、放料時(shí)的觸料角度即為鋼管的運(yùn)行邊界。

圖4 旋轉(zhuǎn)臂上鋼管位置示意

3.4 步進(jìn)式冷床上鋼管的跟蹤

步進(jìn)式冷床分為靜梁和動(dòng)梁，分別有若干齒槽，鋼管進(jìn)入齒槽以后會(huì)有一點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，落入齒窩中。步進(jìn)式冷床上鋼管位置如圖5所示。

圖5 步進(jìn)式冷床上鋼管位置示意

步進(jìn)式冷床主要是用于鋼管的冷卻，其能存儲(chǔ)的鋼管數(shù)量可能有數(shù)百支之多?？紤]到計(jì)算能力的限制，取消水平翻滾動(dòng)作的實(shí)時(shí)計(jì)算，每次觸料后，直接增減水平距離。但是需要對(duì)觸料后的前進(jìn)和后退做出精準(zhǔn)判斷，避免冷床未按照預(yù)設(shè)距離走行而造成鋼管所處齒位的誤判。

4 跟蹤信息的呈現(xiàn)

鋼管跟蹤信息以鋼管號(hào)（ID）作為唯一識(shí)別代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，鋼管隨著跟蹤位置的變化，在各個(gè)跟蹤單元間流轉(zhuǎn)。物料位置的變化只與流入的鋼管相關(guān)，避免重復(fù)檢索鋼管位置。

為了實(shí)現(xiàn)更高效的、基于跟蹤單元內(nèi)的鋼管檢索效率，對(duì)鋼管按位置先后進(jìn)行排序，降低檢索范圍。在實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上可以建立相關(guān)計(jì)算機(jī)可視化界面，完成鋼管的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 跟蹤信息的修正

鋼管在輥道上運(yùn)行的位置是通過(guò)輥道線速度積分預(yù)測(cè)得到的，但是由于相對(duì)滑動(dòng)情況的存在可能使實(shí)際的鋼管位置存在偏差，需要通過(guò)傳感器對(duì)位置進(jìn)行校正。

設(shè)定以檢測(cè)器所在位置為中心的一個(gè)窗口區(qū)間，鋼管頭部或者尾部在檢測(cè)器所在窗口范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)到的開關(guān)量上升沿和下降沿來(lái)糾正鋼管的頭部位置和尾部位置。為了去除檢測(cè)過(guò)程中的間斷抖動(dòng)，需要將檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行一定延時(shí)以濾除干擾信號(hào)，所以通常對(duì)頭部位置進(jìn)行修正，尾部位置為頭部位置減去鋼管長(zhǎng)度；對(duì)尾部停位有特殊要求時(shí)才考慮對(duì)尾部位置進(jìn)行修正。

鋼管跟蹤修正示例如圖6所示，鋼管的頭部位置計(jì)算公式為：

式中Xn——當(dāng)前掃描周期鋼管位置，m；

Xn-1——上一掃描周期鋼管位置，m；

Vn——當(dāng)前輥道速度，m/s；

dt——掃描周期時(shí)間，s。

圖6 鋼管跟蹤修正示例

（1）當(dāng)實(shí)時(shí)計(jì)算的結(jié)果，鋼管頭部已經(jīng)越過(guò)X1點(diǎn)但位置在所設(shè)窗口范圍時(shí)，檢測(cè)器1才檢測(cè)到鋼管，此時(shí)將鋼管的位置修正為X1；

（2）當(dāng)實(shí)時(shí)計(jì)算的結(jié)果，鋼管頭部未到達(dá)X2點(diǎn)但位置在所設(shè)窗口范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)器2已檢測(cè)到鋼管，此時(shí)將鋼管的位置修正為X2；

（3）當(dāng)實(shí)時(shí)計(jì)算的結(jié)果，鋼管頭部未到達(dá)X3點(diǎn)但位置在所設(shè)窗口范圍內(nèi)時(shí)，檢測(cè)器3已觸發(fā)，此時(shí)認(rèn)為是檢測(cè)器誤動(dòng)作，不修正鋼管的位置。

6 物料信息的申領(lǐng)、分配、識(shí)別與容錯(cuò)

鋼管的實(shí)時(shí)跟蹤是基于鋼管上一時(shí)刻的狀態(tài)，所以通常在鋼管被首次檢測(cè)到的時(shí)候建立鋼管的初始信息。此初始化過(guò)程也是建立鋼管實(shí)物與物料信息的映射過(guò)程，以檢測(cè)到的實(shí)體鋼管向系統(tǒng)申領(lǐng)鋼管信息，由計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)分配鋼管信息，同時(shí)通過(guò)檢測(cè)器位置對(duì)鋼管位置進(jìn)行初始化。

在鋼管跟蹤的過(guò)程中，對(duì)鋼管的識(shí)別校驗(yàn)必不可少，此處的識(shí)別專門指鋼管號(hào)的識(shí)別。通過(guò)鋼管的識(shí)別，可以對(duì)進(jìn)入跟蹤區(qū)內(nèi)的鋼管重新進(jìn)行位置初始化，修正上一個(gè)跟蹤區(qū)可能存在的跟蹤故障。

為了達(dá)到少人化、無(wú)人化的最終目的，構(gòu)想的鋼管實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)不再過(guò)多地考慮跟蹤錯(cuò)誤的人工修正，解決跟蹤錯(cuò)誤的策略主要是進(jìn)行系統(tǒng)性修復(fù)，方法主要集中在以下三個(gè)方面：

（1）對(duì)跟蹤模型進(jìn)行必要地升級(jí)迭代，使其正確地反映設(shè)備動(dòng)作和鋼管位置的關(guān)系；

（2）對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行必要地改造，避免出現(xiàn)跟蹤模型無(wú)法模擬的鋼管運(yùn)行狀態(tài)；

（3）以上兩項(xiàng)都不奏效的情況下，增加鋼管的標(biāo)記和設(shè)備設(shè)施，規(guī)避無(wú)法模型化的跟蹤區(qū)。

7 跟蹤方案舉例

以鋼管在輥道上的跟蹤功能塊為例進(jìn)行說(shuō)明：

（1）初始化。為了增加程序的通用性，將存儲(chǔ)區(qū)域的數(shù)量在功能塊外部進(jìn)行配置，初始化時(shí)讀取存儲(chǔ)數(shù)組的上、下邊界。

（2）接收新物料信息至存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的末尾。

（3）進(jìn)入緩存區(qū)的鋼管，依據(jù)鋼管頭部位置的前后排序。

（4）讀取系統(tǒng)的時(shí)間以獲得掃描周期時(shí)差。積分時(shí)差=當(dāng)前周期系統(tǒng)時(shí)間-上一周期系統(tǒng)時(shí)間。

（5）實(shí)時(shí)位置更新。以軋輥的位置為界，將其前后區(qū)域劃分為不同的形變區(qū)。頭尾處在同一段形變區(qū)時(shí)，頭尾速度采用鋼管中部所處的區(qū)域速度，整個(gè)過(guò)程中鋼管長(zhǎng)度不能增加；頭尾處在不同的形變區(qū)時(shí)，頭尾速度分布按照鋼管頭尾所在的區(qū)域速度且該區(qū)域速度不能為0，鋼管長(zhǎng)度增加。

（6）檢測(cè)器修正。當(dāng)鋼管運(yùn)行的頭部位置處于窗口區(qū)時(shí)檢測(cè)器檢測(cè)到上升沿，鋼管修正到檢測(cè)器的安裝位置。

（7）鋼管移出存儲(chǔ)區(qū)。鋼管運(yùn)行離開邊界范圍時(shí)，移出緩存區(qū)。

（8）整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)清空。該功能主要是為了提供快速?gòu)?fù)位功能。

（9）輥道分組內(nèi)的鋼管數(shù)量計(jì)算。

8 結(jié) 語(yǔ)

目前成熟的鋼管生產(chǎn)過(guò)程的跟蹤系統(tǒng)，是對(duì)物料進(jìn)行逐個(gè)工位的離散跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從使用效果上來(lái)說(shuō)，已經(jīng)基本可以滿足生產(chǎn)管理的需要［8-10］。但是由于鋼管位置的判定條件單一，容易發(fā)生跟蹤錯(cuò)亂的情況，且離散的工位跟蹤無(wú)法很好地呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，而構(gòu)想的鋼管實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)正好彌補(bǔ)這些不足。