智能化技術(shù)在萊鋼型鋼原料場的應(yīng)用

亓建國，王偉剛

（山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104）

原料場作為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程的源頭，其高效穩(wěn)定順行是保障下道工序正常生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)。同時(shí)，占整個(gè)生產(chǎn)成本60%以上的生產(chǎn)原料需經(jīng)其存儲(chǔ)、加工、處理，所以管理好整個(gè)原料場的日常運(yùn)行，對整個(gè)鋼鐵企業(yè)極為重要。

萊鋼型鋼原料場包括265燒結(jié)一次料場、265燒結(jié)混勻料場、400燒結(jié)混勻料場、400燒結(jié)一次料場和塊礦料場五大部分。料場總占地面積約30萬平方米，封閉環(huán)保改造后共有12個(gè)料條，年受料總量約1200萬噸。

萊鋼原料場在環(huán)保改造同時(shí)，從智能化生產(chǎn)的戰(zhàn)略高度對原料物流貯存及輸送等整個(gè)生產(chǎn)管控系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化升級，建設(shè)數(shù)字化料場、無人化料場和智慧料場，實(shí)現(xiàn)整個(gè)原料場的智能化和可視化。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

萊鋼型鋼智能化料場系統(tǒng)包括數(shù)字化料場系統(tǒng)、堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)和智能物流集中管控系統(tǒng)和智能混勻配料系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)。

數(shù)字化料場系統(tǒng)采用激光掃描技術(shù)對料場區(qū)域進(jìn)行三維建模，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示料堆實(shí)景和數(shù)據(jù)。對料場進(jìn)行精細(xì)化管理，包含料場信息管理、原料全周期管理。完成原料的作業(yè)計(jì)劃管理、倉群信息管理、實(shí)績報(bào)表管理、作業(yè)報(bào)表編制、自動(dòng)盤庫等功能。

堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)利用料場實(shí)時(shí)三維建模信息及可靠的檢測傳感設(shè)備、高清視頻監(jiān)控等先進(jìn)技術(shù)，改造優(yōu)化設(shè)備的控制邏輯，建立與流程PLC一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及管控平臺，依據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃或操作員指令完成堆取料機(jī)的自動(dòng)作業(yè)。在整個(gè)堆取料作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)自動(dòng)對位、自動(dòng)堆料、自動(dòng)切入料堆、自動(dòng)取料、作業(yè)到量自動(dòng)停止、作業(yè)流量的自動(dòng)控制等功能。

智能物流集中管控系統(tǒng)將流程控制系統(tǒng)分為流程決策系統(tǒng)、流程控制系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)三個(gè)功能控制區(qū)域，三者之間通過指令傳遞、狀態(tài)廣播的方式來實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸流程的連鎖控制。流程決策系統(tǒng)建立了流程決策選擇模型，能自動(dòng)生成起點(diǎn)和終點(diǎn)間的所有輸送線路，并根據(jù)成本、能耗、時(shí)間、線路長度、生產(chǎn)計(jì)劃等策略動(dòng)態(tài)決策出最優(yōu)流程。流程控制系統(tǒng)建立路徑導(dǎo)航模型，實(shí)現(xiàn)流程運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)導(dǎo)航和料流信息的自動(dòng)跟蹤。設(shè)備控制系統(tǒng)對控制對象特性進(jìn)行抽象提煉，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化控制。

智能混勻配料系統(tǒng)自動(dòng)載入混勻配料計(jì)劃，根據(jù)目標(biāo)成分值推算各種原料所需的配比，自動(dòng)生成配槽計(jì)劃；系統(tǒng)能根據(jù)原料配比實(shí)時(shí)進(jìn)行混勻礦成分預(yù)測，采用等硅等鐵堆積算法進(jìn)行模型計(jì)算，確?；靹虻V成分穩(wěn)定。

智能化料場的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接入現(xiàn)有的料場系統(tǒng)，構(gòu)成完整的原料場基礎(chǔ)自動(dòng)化及智能化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)以太網(wǎng)將現(xiàn)有機(jī)上PLC系統(tǒng)、中控室的遠(yuǎn)程作業(yè)平臺等系統(tǒng)連接起來，并與現(xiàn)有控制系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)共享。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為三層，分別是L1控制網(wǎng)絡(luò)（主要傳輸控制信號）、L2信息網(wǎng)絡(luò)（主要傳輸信息和圖像信息），視頻網(wǎng)絡(luò)（主要傳遞視頻信號）。數(shù)字化料場服務(wù)器接入L1和L2網(wǎng)絡(luò)，用于圖像處理及給堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)提供堆形反饋；堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)服務(wù)器主要接入L1控制網(wǎng)絡(luò)，用于控制料場內(nèi)的堆取料設(shè)備，并與現(xiàn)有的料場基礎(chǔ)自動(dòng)化通信；智能流程集中管控系統(tǒng)服務(wù)器接入L1控制網(wǎng)絡(luò)，用于與現(xiàn)有料場的設(shè)備PLC通信，控制膠帶機(jī)的動(dòng)作。操作站都接入L1控制網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)作業(yè)的操作站還接入視頻網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)功能

2.1 數(shù)字化料場系統(tǒng)

數(shù)字化料場系統(tǒng)包括料場建模系統(tǒng)與自動(dòng)盤庫系統(tǒng)。

2.1.1 料場建模系統(tǒng)

通過堆取料機(jī)上的成像系統(tǒng)采集料堆的圖像數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取料堆動(dòng)態(tài)變化信息，實(shí)現(xiàn)對料場和料堆建模。結(jié)合動(dòng)態(tài)更新的料堆3D圖像數(shù)據(jù)，將料堆空間外形尺寸的變化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地通過3D顯示展示出來，形象生動(dòng)地反應(yīng)現(xiàn)場作業(yè)時(shí)料堆的變化。

（1）點(diǎn)云采集：堆取料機(jī)車載系統(tǒng)由3D激光成像系統(tǒng)、斗輪前端至料面距離檢測裝置、機(jī)身姿態(tài)檢測系統(tǒng)等構(gòu)成。車載前端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)3D掃描系統(tǒng)對原料場進(jìn)行掃描。3D掃描儀能對物體進(jìn)行高速高密度測量，輸出三維點(diǎn)云。

（2）點(diǎn)云處理：三維點(diǎn)云是在同一三維空間下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)記錄了三維實(shí)體采樣點(diǎn)的空間坐標(biāo)值、顏色值、強(qiáng)度值等，不包含采樣點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，降低數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求，節(jié)省存儲(chǔ)空間。

從點(diǎn)云文件中讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，首先構(gòu)造一個(gè)PCL點(diǎn)云對象。按照要求做濾波除噪、幾何擬合和數(shù)據(jù)精簡。把處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接得到一個(gè)完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，并存儲(chǔ)到一個(gè)新的點(diǎn)云對象中。對配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)格化，得到實(shí)物的網(wǎng)格模型并保存。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程中，濾波作為點(diǎn)云處理的第一步，對后續(xù)的處理操作影響很大。只有在濾波處理中，將噪聲點(diǎn)、離群點(diǎn)、孔洞、數(shù)據(jù)壓縮等按照后續(xù)處理定制，才能更加準(zhǔn)確的進(jìn)行配準(zhǔn)、特征提取、曲面重建、可視化等應(yīng)用處理。

由于測量設(shè)備視野上的限制和實(shí)物的遮攔，為了得到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)模型，需要從不同的視角對實(shí)物進(jìn)行多次測量得到多個(gè)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算出一個(gè)合適的坐標(biāo)變換矩陣，把從不同視角得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并到一個(gè)統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)拼接。為了建立點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面重建，準(zhǔn)備的表達(dá)完整的實(shí)物模型。圖1是數(shù)字化料場的軟件框架圖。

圖1 數(shù)字化料場的軟件框架結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 自動(dòng)盤庫系統(tǒng)

通過圖像切割，在料條中切割出單個(gè)料堆。系統(tǒng)對料堆的幾何特征進(jìn)行分析和提取，識別料堆的輪廓和特征點(diǎn)，通過下面的公式計(jì)算料堆的體積，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)盤庫。

其中，Ml,rel(x,y)表示第l號料堆的(x,y)坐標(biāo)的相對地面高度值，Ml,abs(x,y)表示第l號料堆的(x,y)坐標(biāo)的絕對高度值，Ml,0(x,y)表示第l號料堆的(x,y)坐標(biāo)的料場地面絕對高度值，V l表示第l號料堆的體積。

2.2 堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)

堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)作業(yè)和遠(yuǎn)程自動(dòng)作業(yè)功能。

（1）遠(yuǎn)程手動(dòng)堆取料操作。遠(yuǎn)程手動(dòng)堆取料操作即為操作員在主控室內(nèi)利用操作站鍵盤及鼠標(biāo)結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行堆取料作業(yè)，其具備的功能如下。①由上位操作界面（HMI）實(shí)現(xiàn)堆/取料機(jī)行走、回轉(zhuǎn)、俯仰控制，以及堆/取料機(jī)皮帶的遠(yuǎn)程控制。②由上位操作界面（HMI）實(shí)現(xiàn)堆/取料機(jī)正常運(yùn)行所需的其他機(jī)構(gòu)控制功能。

（2）遠(yuǎn)程自動(dòng)堆料操作。遠(yuǎn)程自動(dòng)堆料是指堆料機(jī)按照設(shè)定的堆料計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對位、自動(dòng)移位、自動(dòng)遛垛等動(dòng)作，在保留人工干預(yù)功能的前提下盡量減少人工的操作。

自動(dòng)堆料具有的功能如下：①堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)服務(wù)器接收人機(jī)交互界面下發(fā)的堆料作業(yè)計(jì)劃（堆料起始位置，堆高和堆間距等信息）。②分析堆料作業(yè)計(jì)劃內(nèi)容，確定堆料模式，生成大機(jī)的堆料控制指令。③主控畫面顯示堆料作業(yè)控制指令，進(jìn)行參數(shù)修正（包括走行、回旋和俯仰值）。④堆料控制指令下發(fā)到大機(jī)PLC系統(tǒng)。⑤堆取料機(jī)收到堆料作業(yè)指令，進(jìn)行正式作業(yè)前的調(diào)整工作。⑥堆取料機(jī)走行到計(jì)劃堆料區(qū)域的起始地址，大機(jī)各機(jī)構(gòu)作業(yè)準(zhǔn)備完畢。⑦地面流程啟動(dòng)，大機(jī)具備啟動(dòng)條件后開始自動(dòng)堆料作業(yè)。⑧自動(dòng)堆料過程的控制。⑨堆取料機(jī)未到達(dá)堆積終止地址但物料已堆積完成或堆料作業(yè)到達(dá)堆積終止地址，堆取料機(jī)自動(dòng)完成堆料作業(yè)的處理（含作業(yè)完成預(yù)警）。⑩堆料接近結(jié)束時(shí)，自動(dòng)遛垛處理。

（3）遠(yuǎn)程自動(dòng)取料操作。遠(yuǎn)程自動(dòng)取料是指取料機(jī)按照設(shè)定的取料計(jì)劃，自動(dòng)對位、自動(dòng)換層、換槽時(shí)自動(dòng)停止取料及取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)調(diào)度等，達(dá)到盡量減少人工參與取料過程的運(yùn)行。其主要具備的功能如下：①作業(yè)計(jì)劃的設(shè)定與執(zhí)行。②按照設(shè)定參數(shù)自動(dòng)對位、開層、換層。③垛尖、垛邊處理的效率優(yōu)化。④底層取料的效率優(yōu)化。⑤塌垛、悶斗及其他特殊情況的處理控制。⑥斗輪過載處理控制。⑦穩(wěn)定料流優(yōu)化控制。⑧在特殊情況下，人工可以隨時(shí)在中控遠(yuǎn)程手動(dòng)操作。

2.3 智能流程集中管控系統(tǒng)

（1）流程選擇決策。流程選擇決策控制采用最佳路徑算法，根據(jù)原料運(yùn)輸計(jì)劃信息、膠帶機(jī)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息、終點(diǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)信息、設(shè)備故障信息、設(shè)備檢修計(jì)劃以及各種監(jiān)視信息等，自動(dòng)檢索系統(tǒng)中起點(diǎn)設(shè)備和終點(diǎn)設(shè)備之間的所有可用流程，并綜合考慮各流程的屬性，流程選擇決策模型根據(jù)生產(chǎn)的需要，動(dòng)態(tài)生成當(dāng)前請求作業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)流程設(shè)備組，并下發(fā)至流程PLC進(jìn)行流程控制。

（2）智能流程控制。智能流程控制系統(tǒng)可根據(jù)智能物流集中管控及優(yōu)化的結(jié)果，按照操作指令，可完成流程啟動(dòng)、流程順停、流程緊停、清除緊停、起點(diǎn)切換、終點(diǎn)切換、路徑切換、流程合流、開始給料、停止給料、流程復(fù)位、流程預(yù)約等控制功能。

2.4 智能混勻配料系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)概述。將混勻配料系統(tǒng)整體納入到原料場中控主工藝系統(tǒng)，統(tǒng)一操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和過程數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。智能混勻配料管控系統(tǒng)軟硬件設(shè)備與智能流程集中管控系統(tǒng)共用。

（2）系統(tǒng)功能。智能混勻配料管控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控配料過程數(shù)據(jù)，依靠模型計(jì)算數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圓盤給料機(jī)運(yùn)行。其主要功能如下：①混勻計(jì)劃管理。②混勻計(jì)劃自動(dòng)載入執(zhí)行。③混勻分組計(jì)劃自動(dòng)編制。④裝槽作業(yè)執(zhí)行。⑤混勻配料槽監(jiān)視。⑥堆積過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。⑦SiO2、TFe在線監(jiān)視。⑧配料過程模型計(jì)算及控制。

3 應(yīng)用效果

智能化料場改造前，要用人工進(jìn)行測繪料堆輪廓和人工盤庫，改造后使用3D激光掃描進(jìn)行盤庫，改造后的效率更高，提升90%，對比如圖2所示。

圖2 數(shù)字化料場系統(tǒng)實(shí)施前后對比圖

智能化料場改造前，需要單人在堆取料機(jī)上手動(dòng)作業(yè)，工況惡劣；改造后操作人員在中控室進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)作業(yè)，改善工作環(huán)境，減少勞動(dòng)定員60%，提升作業(yè)效率30%。

智能化料場改造前，物料輸送系統(tǒng)采用固定流程方式開發(fā)，系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試周期長，后期維護(hù)難度大，操作員需要將輸送線路熟記才能使用系統(tǒng)；改造后使用自由流程集中管控，系統(tǒng)調(diào)試周期大大縮短，后期若設(shè)備改造僅僅調(diào)整設(shè)備配置信息即可，操作員選擇輸送起點(diǎn)和終點(diǎn)后系統(tǒng)自動(dòng)推薦節(jié)能及最短的線路。

智能化料場改造前，混勻配料系統(tǒng)為獨(dú)立系統(tǒng)，與主工藝系統(tǒng)沒有形成聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)完全依靠人操作；改造后使用智能混勻配料管控，用混勻配料計(jì)劃數(shù)據(jù)和采集的實(shí)際配料數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算并動(dòng)態(tài)管控整個(gè)配料過程，將SiO2及TFe控制在允許的范圍內(nèi)，提高了混勻料成分的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

萊鋼型鋼公司的料場使用3D激光掃描、高精度儀表檢測和智能控制等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)料場數(shù)字化、堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)和流程集中管控，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化勞動(dòng)定員，提高作業(yè)效率，提升了料場管理和運(yùn)營水平。