刮板取料機(jī)實(shí)現(xiàn)無人值守3D掃描自動取料的研究與應(yīng)用

王文良 連武學(xué) 河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼有限公司物流公司設(shè)備動力科

一、改造簡介

邯鋼一料場作為邯鋼最大的一、二次料場，全料場為封閉料場，其中一次料場有4個料條，每個料條分為7個料倉。

整個料場的物流作業(yè)都需要操作人員在設(shè)備上進(jìn)行，不僅封閉料場環(huán)境惡劣，而且每臺設(shè)備至少要配備一名操作人員，整個料場的物流堆取作業(yè)都需要中控室通過對講機(jī)來統(tǒng)籌調(diào)度，料條的盤料也需要大量人工和長時間的工作進(jìn)行。這就使得料場物流運(yùn)營成本居高不下，生產(chǎn)效率低下?；谝陨显蛭覀冞M(jìn)行了4號料條6#刮板機(jī)的智能化改造項(xiàng)目。

針對上述問題，我們選用在刮板兩側(cè)安裝激光掃描儀，將料場數(shù)據(jù)采集到三位服務(wù)器中，服務(wù)器再通過數(shù)據(jù)算法計(jì)算出料堆的體積“體積”“重量”“邊界”等數(shù)據(jù)，在料場仿真系統(tǒng)中以三維的方式模擬仿真呈現(xiàn)。

二、改造過程

本改造的目的是通過激光掃描儀對料場的整個料堆進(jìn)行條形掃描；刮板取料機(jī)定位系統(tǒng)確定堆取料機(jī)的行程、卷揚(yáng)角度數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元會根據(jù)激光掃描出來的料場數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、對比，數(shù)據(jù)特征提取、計(jì)算，并將最終計(jì)算出來的作業(yè)切入點(diǎn)數(shù)據(jù)傳給圖像處理單元；圖像處理單元對激光掃描儀、定位數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成料堆的直觀三維圖像，并提供料堆重要邊界點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)；控制人員根據(jù)實(shí)際的作業(yè)任務(wù)建立作業(yè)計(jì)劃，初始化模型參數(shù)后下發(fā)作業(yè)指令，利用料堆模型和PLC模塊控制刮板取料機(jī)自動化作業(yè)。從而實(shí)現(xiàn)通過激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)對于刮板取料機(jī)的遠(yuǎn)程自動控制，降低操作人員的工作強(qiáng)度，改善其工作環(huán)境，確保刮板機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

本改造包括一臺工控機(jī)、一套激光掃描服務(wù)器、兩臺激光掃描儀、刮板取料機(jī)PLC控制系統(tǒng)、交換機(jī)、用于定位刮板取料機(jī)位置的大車編碼器、卷揚(yáng)編碼器、高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、刮板機(jī)的保護(hù)限位和一對無線通訊電臺。

所做的改造是通過對料場進(jìn)行測繪并建立料場坐標(biāo)系并將刮板機(jī)的編碼器數(shù)據(jù)與料場坐標(biāo)系相對應(yīng)；

在刮板機(jī)的刮板機(jī)構(gòu)兩側(cè)安裝兩臺激光掃描儀，并且將兩臺激光掃描儀的安裝位置也建立在料場的坐標(biāo)系中；

將料場進(jìn)行區(qū)域劃分，將每一個料場的區(qū)間坐標(biāo)建立數(shù)據(jù)庫；

將刮板機(jī)與中控室通過無線通訊電臺建立無線通訊；

在上位機(jī)種選擇作業(yè)的料場，服務(wù)器將料場區(qū)間坐標(biāo)發(fā)送給PLC，刮板機(jī)在這區(qū)間進(jìn)行料場掃描；

激光掃描服務(wù)器將采集上來的料場數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、對比分析、特征提取，計(jì)算出料堆的體積、重量、邊界等數(shù)據(jù)存儲到相應(yīng)料場的數(shù)據(jù)庫中；

自動取料作業(yè)時，通過對上位機(jī)進(jìn)行料場選擇，系統(tǒng)會讀取相應(yīng)料場數(shù)據(jù)庫的料堆數(shù)據(jù)，然后將料堆邊界、作業(yè)切入點(diǎn)等數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，從而實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)全自動作業(yè)。

本改造的積極效果是：通過實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)遠(yuǎn)程自動控制，可以大大降低操作人員的工作強(qiáng)度，改善操作人員的工作環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)一人同時控制多臺設(shè)備，大大降低了人工成本，同時規(guī)范了刮板機(jī)的作業(yè)流程，很好的降低了刮板機(jī)因人為暴力操作所帶來的設(shè)備損害，降低了設(shè)備的維修率，激光掃描系統(tǒng)還建立了完備的料場信息數(shù)據(jù)庫，相比于人工盤煤，基于激光掃描的刮板機(jī)控制系統(tǒng)可以做到實(shí)時盤煤，及時計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。

三、改造亮點(diǎn)

通過實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)遠(yuǎn)程自動控制，大大降低操作人員的工作強(qiáng)度，改善操作人員的工作環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)一人同時控制多臺設(shè)備，大大降低了人工成本，同時規(guī)范了刮板機(jī)的作業(yè)流程，很好的降低了刮板機(jī)因人為暴力操作所帶來的設(shè)備損害，降低了設(shè)備的維修率，激光掃描系統(tǒng)還建立了完備的料場信息數(shù)據(jù)庫，相比于人工盤煤，基于激光掃描的刮板機(jī)控制系統(tǒng)可以做到實(shí)時盤煤，及時計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，每年節(jié)約成本費(fèi)用85萬元。

四、技術(shù)研討

本改造需要先對料場進(jìn)行測繪，建立料場坐標(biāo)系，并確定料場的坐標(biāo)原點(diǎn)和刮板機(jī)在坐標(biāo)系中的位置，同時還要將刮板機(jī)編碼器數(shù)據(jù)和料場坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一；

堆料場進(jìn)行區(qū)域劃分，并且在服務(wù)器中根據(jù)料場劃分的區(qū)間位置建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫與上位機(jī)和激光掃描服務(wù)器進(jìn)行通訊，以便上位機(jī)和激光掃描服務(wù)器可以讀取數(shù)據(jù)庫；通過上位機(jī)對整個料場進(jìn)行掃描采集料場中料堆的數(shù)據(jù)信息，激光掃描服務(wù)器會將采集上來的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)料場劃分的區(qū)間對不同料場的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別計(jì)算和存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中：

料堆數(shù)據(jù)的計(jì)算：

激光掃描儀1位置數(shù)據(jù)，激光掃描儀2位置數(shù)據(jù)

通過特征提取算法，系統(tǒng)判定每個料場料堆最高點(diǎn)的高度為刮板機(jī)初次下放的角度，最高點(diǎn)所在的料場位置為刮板機(jī)的行走位置，這樣就可以讓刮板機(jī)自動定位目標(biāo)料堆的初始位置，再根據(jù)料堆的形狀提取料堆的邊界數(shù)據(jù)，便可以作為刮板機(jī)的取料邊界設(shè)定；

建立激光掃描服務(wù)器與PLC的Modbus Poll通訊連接，設(shè)置PLC的IP地址：192.168.0.1；

建立激光掃描服務(wù)器與料場數(shù)據(jù)庫的通訊連接；

對整個料場進(jìn)行自動盤煤，刮板機(jī)將刮板抬到最高位，從料場起點(diǎn)運(yùn)行到終點(diǎn)，并將料倉的“體積”“重量”以模擬量類型數(shù)據(jù)存儲，物料種類以狀態(tài)字的類型存儲在數(shù)據(jù)庫中。

通過讀取物料種類的狀態(tài)字，刮板機(jī)可以自動選擇料倉，選擇料倉后激光掃描系統(tǒng)會給出料堆邊界數(shù)據(jù)和刮板下放角度，刮板機(jī)接收到邊界數(shù)據(jù)和下放角度后，刮板機(jī)進(jìn)行自動取料；在PLC中編寫手動干預(yù)功能模塊，當(dāng)刮板機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時，可以保證設(shè)備在不停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行人工干預(yù)微調(diào)。

五、結(jié)束語

通過這次設(shè)計(jì)改造，大大節(jié)約人工維護(hù)成本，明顯降低職工勞動強(qiáng)度，每年節(jié)約人工費(fèi)用約85萬元，延長了刮板機(jī)的使用壽命。同時也鍛煉了自己，提高了對設(shè)備自動化知識的認(rèn)知能力，今后多學(xué)習(xí)專業(yè)知識，努力對設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新改造，貢獻(xiàn)自己的力量！