鄧 君

（湖南天橋嘉成智能科技有限公司，湖南株洲 412000）

某有色金屬冶煉股份有限公司用于銅冶煉渣處理的精礦倉配料車間，車間廠房長210m，改造一臺純手動抓斗吊，實現(xiàn)行車加料的全自動運行。為了解決該配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣，人工勞動強度大，作業(yè)效率低，設(shè)備維護費用高等問題，結(jié)合企業(yè)智能制造和智慧工廠建設(shè)整體戰(zhàn)略，對該工序的物料轉(zhuǎn)運及上料作業(yè)進行智能化及相關(guān)配套改造，是非常具有現(xiàn)實積極意義的。對此，文章以智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)為案例，重點就其在該企業(yè)精礦倉配料車間中智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應(yīng)用作了分析，希望能達到減人增效、降低設(shè)備故障、提升操作管理水平和效率、提升工序整體自動化和信息化水平的目的。

1 智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)概述

此項目配料車間抓斗起重機智能化系統(tǒng)是基于可編程控制器（PLC）、變頻器和傳感器的控制系統(tǒng)以及機器識別、計算機、通信等信息技術(shù)，并開發(fā)相應(yīng)的智能調(diào)度與控制算法，實現(xiàn)抓斗起重機無人操作模式下的自動化運行。

為實現(xiàn)智能化系統(tǒng)以及客戶對于天車作業(yè)自動化的各項功能目標(biāo)，智能抓斗天車系統(tǒng)一般需要配備多個功能技術(shù)模塊，一般主要包含：無人天車電控系統(tǒng)，定位及防搖系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)、地面輔助及安全系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，中控系統(tǒng)。

2 配料車間智能無人化抓斗吊天車系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 智能無人抓斗天車電控系統(tǒng)

無人天車電控系統(tǒng)主要由車載PLC 系統(tǒng)、各機構(gòu)驅(qū)動變頻器、傳感器以及相關(guān)控制軟件組成。車載PLC 采用西門子S7-1500系列。抓斗的起升及開閉電機驅(qū)動采用高性能變頻器控制，速度精度及力矩精度高，適合起重機電機控制。

2.1.1 智能抓斗天車電控系統(tǒng)（抓斗控制）的關(guān)鍵技術(shù)

湖南天橋嘉成智能科技有限公司智能無人天車抓斗設(shè)計為自立型重型上部雙股四繩防纏繞結(jié)構(gòu)。雙股四繩防纏繞設(shè)計、高性能PLC 及變頻器的選型配置以及公司獨創(chuàng)的四繩同步控制技術(shù)（三閉環(huán)同步控制系統(tǒng)），使得抓斗動作平穩(wěn)、精準(zhǔn)，有效防止鋼絲繩松弛、纏繞、磨損，是防止抓斗漏料，保證作業(yè)效率和滿斗率等關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于人工操作的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1.2 智能無人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓撲圖。

智能無人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 智能無人抓斗天車電氣系統(tǒng)拓撲圖

2.2 自動定位及防搖擺系統(tǒng)

天車自動定位實現(xiàn)原理：起重機三維位置檢測系統(tǒng)能實時檢測起重機的三維位置，通過PLC 的調(diào)度子程序，向起重機發(fā)送目標(biāo)位置。車載PLC 接受到該位置后，控制各機構(gòu)變頻器驅(qū)動各機構(gòu)電機向目標(biāo)位置運行，通過一定優(yōu)化算法，當(dāng)起重機停止時，剛好達到目標(biāo)位置，有效提高定位效率。

2.2.1 大、小車定位系統(tǒng)

如圖2所示，大小車運行機構(gòu)（X、Y 方向）采用激光測距儀對位置信息進行檢測。激光測距儀帶有標(biāo)準(zhǔn)的PROFINET 接口，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式直接將實時位置信息傳輸給PLC 控制器，定位準(zhǔn)確，精度可達±2 mm。

圖2 激光測距儀的技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)

大、小車定位系統(tǒng)通過激光在發(fā)射器與反射板之間的反射與接收，利用時間飛行函數(shù)計算，得出大小車在軌道上的距離位置信息。

定位系統(tǒng)的具體方案應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場布局、工作環(huán)境、精度要求、安裝維護、可靠性、投資性價比等因素進行綜合選型和配置。

本項目中的大、小車定位系統(tǒng)也可考慮采用絕對值編碼器+RFID 磁釘校準(zhǔn)定位技術(shù)。

2.2.2 抓斗起升、開閉定位

智能無人抓斗天車起升機構(gòu)（Z 方向）及抓斗開閉位置檢測采用絕對值編碼器，其集成的PROFINET接口可以實現(xiàn)與S7-1500PLC 的完美融合和數(shù)據(jù)傳輸。其多圈高分辨率的計數(shù)特點，完全能夠滿足客戶高精度定位的要求，特別是高強度的防護等級，具有強抗沖擊和抗震動能力，適用于惡劣工業(yè)環(huán)境。

（1）行車起升機構(gòu)（Z 軸方向）通過在升降卷筒端部安裝多圈絕對值編碼器來實時測量Z 軸的位置。

（2）抓斗開閉卷筒端部安裝多圈絕對值編碼器來實時測量抓斗開閉狀態(tài)。

（3）抓斗上方配置的稱重傳感裝置能夠判斷物料抓取情況，同時輔助進行抓斗觸底判斷。

2.2.3 電子防搖

防搖控制原理：利用軟測量技術(shù)估計吊鉤偏擺角，采用狀態(tài)反饋的方法對橋式起重機運行機構(gòu)進行速度控制同時抑制吊鉤擺角，基于軟測量技術(shù)擺角檢測方法無需加裝任何傳感器，只需要變頻器內(nèi)部加入軟件算法即可，防搖算法采用狀態(tài)方程和狀態(tài)反饋的方法，實時估算吊鉤的擺角，然后調(diào)整大小車的加減速度。

2.3 機器識別系統(tǒng)

供料車間煤倉抓斗起重機智能化系統(tǒng)中的機器識別主要包括車輛識別（含車牌號、進場與離場判斷）、堆場物料狀態(tài)識別、煤臺加料倉料位識別。

2.3.1 車輛識別

運輸卡車進入煤倉作業(yè)區(qū)前，作業(yè)區(qū)車輛入口處的車牌識別及智能道閘系統(tǒng)，識別車牌號，車牌信息進入智能天車中控系統(tǒng)。

智能天車中控系統(tǒng)核對車輛車牌信息，若符合，則道閘自動開啟，車輛駛?cè)搿?/p>

智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛入庫信號，將行車工作范圍進行鎖定，確保卸車時的作業(yè)安全。

司機按照卸車規(guī)則完成卸料后，駛離作業(yè)區(qū)，智能行車中控系統(tǒng)獲得道閘控制器中的車輛出庫信號，對智能行車進行解鎖。

若客戶已部署TMS（運輸管理系統(tǒng)），則智能天車中控系統(tǒng)還能通過系統(tǒng)對接，獲取運單及物料信息。

2.3.2 堆場及煤臺料倉物料識別

在起重機主梁下安裝二維激光掃描儀，大車移動至堆場上方對該區(qū)域進行來回移動數(shù)次掃描。上位機系統(tǒng)根據(jù)掃描工控機獲取的3D 點云數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的圖像及數(shù)據(jù)處理軟件，實時計算出堆場物料邊界、高度等狀態(tài)信息。

2.4 地面輔助及安全系統(tǒng)

由于智能無人抓斗天車處于無人駕駛狀態(tài)，自動化程度高，運輸卡車等地面設(shè)備必然需要與無人天車系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互，實現(xiàn)聯(lián)動控制功能。

（1）部署就地電控系統(tǒng)，車輛司機可通過就地電控系統(tǒng)按鈕或人機交互界面輸入“卸車請求、緊急停止、繼續(xù)卸車”等信號，系統(tǒng)也可向司機發(fā)出語音提示、聲光報警等信號。

（2）就地電控系統(tǒng)也可部署于遠程中控室內(nèi)，司機的操作則相應(yīng)由中控室值守人員完成。

（3）裝車請求處部署網(wǎng)絡(luò)電話機，便于地面人員和控制中心人員溝通。中控臺上安裝網(wǎng)絡(luò)尋呼話筒，同時具備點對點撥號通話功能。

（4）天車上安裝功放擴音器，可以利用中控臺上的網(wǎng)絡(luò)尋呼話筒對天車作業(yè)區(qū)域進行廣播喊話，如滯留人員的驅(qū)離等，進一步強化天車自動化運行時的安全。

（5）部署帶有人體闖入偵測和滯留偵測的智能網(wǎng)絡(luò)攝像機，當(dāng)自動化作業(yè)區(qū)域有人員滯留，或是卡車司機停留在司機室等非安全區(qū)域時，系統(tǒng)能進行有效識別并輸出告警或停車。

（6）作業(yè)區(qū)出入口通道設(shè)置電子圍欄，當(dāng)自動化作業(yè)期間有人、車異常闖入時，系統(tǒng)能自動停車或發(fā)出聲光或語音告警。

（7）作業(yè)區(qū)域設(shè)置物理圍欄進行隔離。

（8）現(xiàn)場安裝一臺室外型LED 雙色顯示大屏幕，可滾動顯示的內(nèi)容包括：①行車當(dāng)前運行模式和狀態(tài)。②運輸車輛是否?？康轿坏男畔⒎答仭＂廴藛T安全注意事項告知。④中控室的人機界面編輯的其他內(nèi)容。

注：地面輔助及安全系統(tǒng)功能，視客戶方生產(chǎn)條件以及對自動化程度要求等實際情況，可以安裝部署上述（1）～（8）中的一種或多種功能配置。其中（1）和（2）為必選配置，其他6項均為可選配置。

2.5 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為使得在中控機房能夠看到現(xiàn)場實時情況，方便相關(guān)人員對智能起重機的抓渣上料及卸車等作業(yè)進行人工干預(yù)和指揮，提升現(xiàn)場安全監(jiān)控管理水平，需要在天車及現(xiàn)場相應(yīng)位置安裝部署網(wǎng)絡(luò)攝像頭，視頻畫面通過庫區(qū)無線和有線通信系統(tǒng)回傳至中控機房顯示并可接入全廠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。同時，為滿足天車工能在中控室可進行遠程連續(xù)操控作業(yè)的要求，視頻系統(tǒng)的布置還應(yīng)在遠程操控的畫面清晰度、視角、覆蓋范圍、系統(tǒng)實時性等方面進行合理配置。

2.6 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

本項目網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)包括有線和無線兩大部分。其中有線數(shù)據(jù)通信主要負責(zé)地面與中控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，無線數(shù)據(jù)通信主要負責(zé)天車現(xiàn)場的無線覆蓋。

本網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用的工業(yè)無線局域網(wǎng)具備5G網(wǎng)絡(luò)接口功能，后期可與運營商實現(xiàn)技術(shù)對接，5G網(wǎng)絡(luò)部署后，可實現(xiàn)中控室超遠距離控制。

現(xiàn)場匯聚交換機至中控室核心交換機之間采用光纖傳輸，且為雙線制，最大限度避免主干網(wǎng)絡(luò)的單點故障，導(dǎo)致整個系統(tǒng)全線停車的問題。

所配置的高性能網(wǎng)橋采用5.8G 頻段，頻率高，信道相對純凈，傳輸帶寬大。適合對數(shù)據(jù)傳輸要求較高的場景使用。傳輸帶寬為450 Mbps 以上，在2公里的距離下，點對點傳輸帶寬實測200 Mbps 以上。

2.7 智能無人抓斗天車中控系統(tǒng)

2.7.1 中控系統(tǒng)——硬件

①系統(tǒng)服務(wù)器和上位機。

②核心交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及視頻后臺處理設(shè)備。

③遠程操控終端及自動作業(yè)監(jiān)控管理終端，用于實現(xiàn)遠程操控及自動作業(yè)監(jiān)控管理操作。④中控設(shè)備配電及UPS 備電系統(tǒng)。⑤服務(wù)器柜及網(wǎng)絡(luò)機柜。

2.7.2 中控系統(tǒng)——軟件

無人天車軟件系統(tǒng)主要用于抓斗智能天車的調(diào)度與管理，承接上位機系統(tǒng)或MES 系統(tǒng)生產(chǎn)計劃，同時兼顧庫區(qū)的激光掃描、車輛識別管理系統(tǒng)、安全、視頻監(jiān)控等設(shè)備的協(xié)同智能化管理，建立多系統(tǒng)非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計最優(yōu)算法，通過計劃排程、設(shè)備調(diào)度、路徑規(guī)劃和提供多用戶、智能化、模塊化的控制系統(tǒng)，達到減少人工勞動強度、提高物料信息與設(shè)備安全、提升庫區(qū)運行效率等目標(biāo)，是整個智能無人天車系統(tǒng)中的核心組成部分。

3 結(jié)束語

與傳統(tǒng)人工模式下精礦倉配料車間的物料操作管理方法相比，引入智能化無人化的抓斗吊天車系統(tǒng)，不但能夠減輕人工管理成本，還能解決配料車間生產(chǎn)環(huán)境惡劣，人工勞動強度大，作業(yè)效率低，設(shè)備維護費用高等問題?；诖?，以某有色金屬冶煉股份有限公司的精礦倉配料車間中經(jīng)過智能化改造的無人化抓斗吊天車系統(tǒng)為例，在介紹該系統(tǒng)作業(yè)流程、功能模塊的基礎(chǔ)上，著重介紹了其各個技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，希望能為實現(xiàn)該企業(yè)行車加料的智能化全自動運行而有所幫助。