無人行車技術(shù)特點及自主研發(fā)思路

謝 偉

（昆鋼信息中心）

1 前言

無人行車技術(shù)起源于韓國浦項制鐵，2002年第一部無人值守行車研發(fā)成功，在浦項制鐵正式投入生產(chǎn)。[1]

行車按機械結(jié)構(gòu)、操作控制方式，有多種分類。按操控方式分類，主要經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，第一代為手動駕駛、地面人工指揮調(diào)度；第二代為庫區(qū)自動化，車上有人駕駛、地面無人指揮調(diào)度，實現(xiàn)庫區(qū)自動化、信息化；第三代為無人駕駛行車，也稱智能行車，車上、地面均無人，智能化庫存管理系統(tǒng)（WMS）全自動調(diào)配行車，自動化、信息化程度高，工作效率高。這里主要研究雙梁式無人駕駛行車的技術(shù)特點及自主研發(fā)思路。

2 無人行車的操控方式

2.1 產(chǎn)品定位

目前國內(nèi)大部分鋼廠的行車駕駛?cè)圆捎脗鹘y(tǒng)的手動駕駛方式，無人行車因造價較高，產(chǎn)品涉及多項前沿技術(shù)，日常使用、維護中的技術(shù)要求也較高，國外應(yīng)用時間不是很長，國內(nèi)較廣泛應(yīng)用也是近幾年在技術(shù)裝備先進、自主研發(fā)創(chuàng)新能力較強的鋼廠才起步不久。

2.2 操控方式分析

單臺無人行車可實現(xiàn)全自動、半自動、HMI手動、現(xiàn)場手動等操作模式，操作人員可以根據(jù)生產(chǎn)、設(shè)備情況切換操控方式。

2.2.1 現(xiàn)場手動

操作人員在現(xiàn)場行車駕駛室控制行車動作，操作方法與普通行車相同，但設(shè)備動作控制由PLC程序?qū)崿F(xiàn)，因此速度控制、設(shè)備定位更靈活可靠，主要用于檢修后試車調(diào)試或日常點檢測試。

2.2.2 HMI手動

現(xiàn)場無人，操作人員在控制室通過HMI點擊指令按鈕，控制單臺行車完成大車運行、小車運行、電磁吊（或抓斗）升降、吸放物料（抓斗開閉）等單一動作，設(shè)備控制保持必要的機械、電氣安全連鎖，這種模式主要用于設(shè)備可靠性檢驗或臨時完成某種特定動作。

2.2.3 半自動

操作人員在HMI上設(shè)定好起始位、目標位、提升高度等參數(shù)，對單臺行車下達吊運指令，行車按程序自主完成提升、移位、下降、吸?。ㄗト。┪锪稀⒃偬嵘?、再移位、放置物料等操作，中間過程不需人為干預(yù)，主要用于系統(tǒng)局部故障或臨時完成某種特定動作。

2.2.4 全自動

操作人員向行車下達入庫或出庫任務(wù)，或直接由MES下達調(diào)度指令，行車通過信息系統(tǒng)、智能化檢測設(shè)備及算法分析，自動判斷物料位置，確定起始位、目標位、設(shè)備動作順序、移動路徑，完成物料搬運工作，這是無人行車正常工作時的主要運行模式。

2.2.5 多臺聯(lián)動

由操作人員下達工作任務(wù)，或由WMS、MES下達指令，多臺無人行車協(xié)同工作完成指定任務(wù)，實現(xiàn)聯(lián)動。

3 無人行車的設(shè)備組成架構(gòu)分析

設(shè)備組成架構(gòu)分解:單臺行車按控制功能及層次架構(gòu)，可分解成基礎(chǔ)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、防搖控制模塊、料面數(shù)據(jù)分析、行車精確定位、攝像監(jiān)控等模塊。其組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人行車功能架構(gòu)示意圖

3.1 基礎(chǔ)控制模塊

以PLC系統(tǒng)為控制核心，采集操作臺信號、傳感信號，采用現(xiàn)場總線串接編碼器、傳動設(shè)備，編程實現(xiàn)行車所有動作的程序控制，達到大小車運行、電磁吊（抓斗）升降、吸放物料（抓取、放置）的快速和精準化。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

通過地面有線、車載無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，連接行車PLC、工業(yè)PC、控制室操作站、工程師站，實現(xiàn)行車的遠程操作和控制。

3.3 防搖控制模塊

如圖2所示，防搖擺是智能行車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系行車運行的穩(wěn)定性和效率，通過行車運行各工況下最優(yōu)控制算法，實現(xiàn)行駛過程擺幅小、速度快的半自動控制。

無人行車系統(tǒng)與傳統(tǒng)行車相比，顯著特性是運行、加速、減速、停止整個過程中主鉤（或抓斗）擺幅小，運行平穩(wěn)，擺角可控，尤其是在取、放物料時，主鉤（或抓斗）擺角可控制在2度以內(nèi)，這為行車精確定位、安全取放物料提供了堅實的基礎(chǔ)，有效保障了物料在庫房里的精準碼放和搬運。行車擺角產(chǎn)生的原因主要是受物體慣性的影響，行車在變速運動過程中主鉤（或抓斗）速度變化滯后于大車和小車的速度變化，控制行車擺角就是消除這種速度變化的不同步。[2]

3.4 地面圖像（或料面數(shù)據(jù)）分析及行車精確定位模塊

采用格雷母線精確定位各行車大小車位置，激光掃描儀、相控陣雷達或工業(yè)攝像圖像分析檢測料面，數(shù)據(jù)通過搭建的有線和無線網(wǎng)絡(luò)傳入工業(yè)PC，通過數(shù)據(jù)分析和算法運算，繪制料面3D圖像，給出行車最佳動作路徑并將指令傳遞給車載PLC，實現(xiàn)行車的全自動控制。

3.5 攝像監(jiān)控模塊

圖2 防搖半自動系統(tǒng)組成架構(gòu)示意圖

為實現(xiàn)行車的遠程控制，需要實時掌握物料堆放及行車動作情況，現(xiàn)場加裝高清攝像頭，從不同角度監(jiān)控設(shè)備動作，視頻信號接入操作控制室，便于操作員HMI手動、半自動操作，以及全自動時對比3D模擬圖像，便于監(jiān)控和分析。

4 研發(fā)思路

4.1 研發(fā)的基本原則

提高自動化、智能化水平的最終目的，應(yīng)該體現(xiàn)出降本增效、提高勞動生產(chǎn)率、減輕工人勞動強度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終取得良好經(jīng)濟效益或重大社會效益。如果簡單追求技術(shù)上的“高、大、上”，投入巨大資金、人力、物力，而最終勞動生產(chǎn)率、質(zhì)量提升不明顯，或者使用效果不佳、運維水平達不到要求，經(jīng)濟效益反而下降的前沿技術(shù)、裝備可以暫緩，等待時機。

基于以上思路，可以選取投資成本不大、工作模式不太復(fù)雜、環(huán)境要求不太高的應(yīng)用場景研發(fā)無人行車，先易后難，等尖端技術(shù)產(chǎn)品價格下降、自身對各項技術(shù)掌握較熟練后，再研究復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。

4.2 應(yīng)用場景選擇

昆鋼目前在用行車，使用數(shù)量較多且工作模式相對固定的，主要在煉鐵煤焦庫、高爐沖渣池、煉鋼及成品庫等現(xiàn)場，用于物料搬運?；凇跋纫缀箅y、效益優(yōu)先”原則，可以考慮選擇煤焦庫或高爐沖渣池等雙梁抓斗式行車進行研發(fā)，再逐步推廣到其它應(yīng)用場景。

4.3 煤焦庫行車應(yīng)用現(xiàn)狀分析

煤焦庫是高爐生產(chǎn)所需燃料的重要轉(zhuǎn)運站，承擔(dān)著高爐冶金焦、噴吹煤的入庫儲存、出庫輸送任務(wù)。入庫、出庫物料搬運采用雙梁式行車抓取方式，通過人工在行車上的駕駛室操作，勞動強度大，現(xiàn)場粉塵濃度較高，刺鼻氣味較重，環(huán)境差。目前使用的行車型號老舊，配置簡單，電控部分采用切電阻方式進行調(diào)速，調(diào)速效果不理想，操作不便，且電控系統(tǒng)故障率高。

4.4 煤焦庫行車無人化改造的實施步驟及效益分析

4.4.1 實施步驟

根據(jù)目前高爐冶煉強度高、物料輸送任務(wù)繁重的現(xiàn)狀，煤焦庫系統(tǒng)首先要確保生產(chǎn)順行，因此每次只能改造一臺行車，待改造后的行車運行穩(wěn)定，日常操作維護正?；?，滿足生產(chǎn)要求后，才有條件改造下一臺，待全部行車單臺改造完成，再實現(xiàn)總體聯(lián)動控制。

按照當(dāng)前生產(chǎn)實際情況，第一步宜先完成1#行車單臺改造及1#行車遠程控制所必須的網(wǎng)絡(luò)平臺、操作監(jiān)控平臺搭建。

4.4.2 單臺行車改造步驟

按照投資收益最大化原則及控制功能層次結(jié)構(gòu)特點，單臺行車技術(shù)改造亦分三步進行。第一步，先進行基礎(chǔ)控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、視頻監(jiān)控模塊改造，完成后可以實現(xiàn)駕駛室、遠程兩地操作；第二步，在基礎(chǔ)控制模塊調(diào)試基本正常時研發(fā)防搖控制模塊，完成后可實現(xiàn)半自動方式操作；第三步，待半自動運行穩(wěn)定、工作效率達到熟練工操作水平后，開發(fā)全自動控制模塊。

料面數(shù)據(jù)分析及行車精確定位模塊（全自動）的開發(fā)，可以和生產(chǎn)交叉進行，因此，全自動功能開發(fā)可以和下一臺行車的第一步改造同步進行。

4.4.3 效益分析

對高爐煤焦庫現(xiàn)有行車系統(tǒng)進行升級改造，改變操控方式，一方面可以減輕工作人員勞動負荷，改善工作環(huán)境，另一方面可以滿足降本增效、提高勞動生產(chǎn)率的要求，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)語

鋼鐵企業(yè)無人行車的應(yīng)用作為智能制造的典型代表，集多項前沿技術(shù)于一身，國內(nèi)研發(fā)方興未艾，多種應(yīng)用場景還有待突破。目前昆鋼自動化、信息化水平與國內(nèi)先進鋼廠相比還有一定差距，對自主研發(fā)的難度和任務(wù)艱巨性要有充分的認識。同時，應(yīng)該抓住有利時機，自主研發(fā)，把先進技術(shù)掌握在自己手里。