原料場(chǎng)堆取料機(jī)無(wú)人化技術(shù)研究

王昂 吳鵬 張力

[摘? ? 要]為了推進(jìn)現(xiàn)代化原料場(chǎng)的建設(shè)，梅鋼對(duì)原料區(qū)域內(nèi)的堆取料機(jī)進(jìn)行了無(wú)人化作業(yè)技術(shù)改造，主要包括料堆三維成像、料機(jī)定位、堆取料作業(yè)模型，過(guò)程控制等內(nèi)容，融合了掃描成像技術(shù)、精確定位技術(shù)、模型控制技術(shù)等內(nèi)容。通過(guò)中控遠(yuǎn)程控制可實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)的自動(dòng)堆取料作業(yè)，不僅提高了作業(yè)效率，同時(shí)降低了人力成本，改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

[關(guān)鍵詞]無(wú)人化控制;三維成像;堆取料作業(yè)模型

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）07–00–02

Research on Unmanned Technology of Stacker and Reclaimer in Raw Material Yard

Wang Aao，Wu Peng，Zhang Li

[Abstract]In order to promote the construction of a modern raw material yard， Meishan Iron and Steel has carried out unmanned operation technology transformation of the stacker and reclaimer in the raw material area， which mainly includes three-dimensional imaging of the stack， the positioning of the stacker， the stacking and reclaiming operation model， and the process control. It includes scanning imaging technology， precise positioning technology， model control technology， etc. Through the central control remote control， the automatic stacking and reclaiming operation of the stacker and reclaimer can be realized， which not only improves the operating efficiency， but also reduces the labor cost and improves the on-site operating environment.

[Keywords]unmanned control; three-dimensional imaging; stacking and reclaiming operation model

梅鋼碼頭區(qū)域有2個(gè)原料一次料場(chǎng)，有料機(jī)7臺(tái)，其中堆料機(jī)1臺(tái)，取料機(jī)2臺(tái)，堆取料機(jī)4臺(tái)。隨著公司進(jìn)行智慧制造技術(shù)升級(jí)的推進(jìn)，為了解決堆取料機(jī)人工操作強(qiáng)度大、工作能要求高的問(wèn)題，滿足智慧制造技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)高效、綠色低碳智慧化料場(chǎng)的理念，梅鋼公司對(duì)一次料場(chǎng)區(qū)域的7臺(tái)堆取料機(jī)進(jìn)行了無(wú)人化控制改造。運(yùn)用三維成像技術(shù)、料機(jī)定位技術(shù)以及先進(jìn)的設(shè)備設(shè)施，同時(shí)增設(shè)中控遠(yuǎn)程控制站，實(shí)現(xiàn)了堆取料機(jī)不需要現(xiàn)場(chǎng)操作司機(jī)。中控操作人員可以通過(guò)中控遠(yuǎn)程控制站或通過(guò)模型下發(fā)堆取料作業(yè)指令，堆取料機(jī)進(jìn)行操控自動(dòng)堆取料作業(yè)。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及主要技術(shù)

堆取料機(jī)的無(wú)人化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖1。本系統(tǒng)包括堆取料機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、堆取料機(jī)的作業(yè)控制系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)。通過(guò)三維掃描成像和料機(jī)的格雷母線定位信息，獲得料堆形狀信息和堆取料機(jī)的位置信息數(shù)據(jù)，經(jīng)堆取料機(jī)的作業(yè)控制系統(tǒng)（無(wú)人化PLC）分析處理，通過(guò)中控人員下發(fā)堆取料作業(yè)的要求，將堆取料機(jī)的走行、回轉(zhuǎn)、俯仰等指令發(fā)送到料機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)料機(jī)的無(wú)人化作業(yè)。

2 料堆掃描成像技術(shù)

料場(chǎng)料堆的三維掃描成像技術(shù)利用安裝在料機(jī)員操作室下的2臺(tái)激光雷達(dá)掃描儀完成，在堆取料機(jī)作業(yè)前，啟動(dòng)料場(chǎng)掃描作業(yè)，堆取料機(jī)從料場(chǎng)一端自動(dòng)運(yùn)行到另一端，通過(guò)激光雷達(dá)掃描儀完成料場(chǎng)的掃描作業(yè)。激光雷達(dá)掃描儀將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)中控圖像處理服務(wù)器進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，通過(guò)計(jì)算公式將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，建立料堆的三維圖像模型，通過(guò)HMI畫面顯示（圖2）。通過(guò)三維掃描獲得的料堆的高度、邊界等數(shù)據(jù)信息將為堆取料機(jī)進(jìn)行自動(dòng)堆料或自動(dòng)取料作業(yè)提供料堆的信息數(shù)據(jù)。

3 料機(jī)定位技術(shù)

料機(jī)的定位主要包括走行定位、回轉(zhuǎn)定位、斗輪點(diǎn)定位三部分，其中走行定位依靠安裝在場(chǎng)地皮帶上的編碼電纜和堆取料機(jī)大車上的天線箱確定料機(jī)在料場(chǎng)中的位置信息，回轉(zhuǎn)定位依靠安裝在堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)軸承固定座上的編碼電纜和回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的天線箱確定位置信息，均采用格雷母線定位裝置，通過(guò)堆取料機(jī)PLC系統(tǒng)采集處理，與無(wú)人化PLC系統(tǒng)通信，實(shí)時(shí)確定料機(jī)的走行位置和斗輪的回轉(zhuǎn)位置，斗輪點(diǎn)的定位依據(jù)料堆三維掃描數(shù)據(jù)確定，由斗輪處安裝的雷達(dá)料位計(jì)輔助判斷。通過(guò)對(duì)料機(jī)走行、回轉(zhuǎn)和斗輪位置的實(shí)時(shí)定位，為料機(jī)的自動(dòng)堆料和取料提供實(shí)時(shí)位置信息。

3.1 堆取料作業(yè)控制模型

3.1.1 堆料作業(yè)控制模型

堆料作業(yè)控制系統(tǒng)在料場(chǎng)三維成像顯示下，根據(jù)畫面下發(fā)堆料作業(yè)料種與料條位置信息，堆取料機(jī)的無(wú)人化控制系統(tǒng)自動(dòng)判定堆料起始終止地址，通過(guò)選擇堆料模型計(jì)算出當(dāng)前堆料工藝是縱向堆料還是回轉(zhuǎn)堆料。①縱向堆料。在首堆堆積至設(shè)定目標(biāo)堆高后，懸臂頭輪處料位計(jì)觸發(fā)到位信號(hào)，堆料機(jī)向堆料終止地址方向走行固定距離，待下一堆再次觸發(fā)料位計(jì)到位信號(hào)，周而復(fù)始進(jìn)行走行動(dòng)作完成縱向堆料作業(yè)，直至到達(dá)堆料設(shè)定終止地址，完成堆料作業(yè)。②回轉(zhuǎn)堆料。在首堆堆積至設(shè)定目標(biāo)堆高，料位計(jì)到位信號(hào)觸發(fā)，堆料機(jī)同時(shí)控制走行與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使首堆落料點(diǎn)位置平移固定距離到達(dá)第二堆落料點(diǎn)位置（橫移距離可在任務(wù)計(jì)劃中設(shè)定），第一橫排堆積完成，堆料機(jī)向堆料終止地址方向走行固定距離，繼續(xù)第二橫排堆積作業(yè)，直至到達(dá)堆料設(shè)定終止地址。

3.1.2 取料作業(yè)控制模型

取料作業(yè)控制系統(tǒng)根據(jù)料場(chǎng)三維成像數(shù)據(jù)計(jì)算出堆取料機(jī)的走行定位點(diǎn)和堆取料機(jī)的回轉(zhuǎn)角度，控制堆取料機(jī)大車走行和懸臂的回轉(zhuǎn)。①取料點(diǎn)定位。通過(guò)雷達(dá)料位計(jì)判斷斗輪與料堆的位置關(guān)系，定位斗輪到取料作業(yè)目標(biāo)層區(qū)。②斗輪寸動(dòng)調(diào)節(jié)。結(jié)合懸臂皮帶秤的流量實(shí)時(shí)控制堆取料機(jī)的回轉(zhuǎn)速度和進(jìn)斗深度來(lái)完成取料作業(yè)自動(dòng)調(diào)節(jié)，皮帶流量在設(shè)定目標(biāo)流量范圍內(nèi)，不做寸動(dòng)調(diào)節(jié)變化，若皮帶流量超過(guò)設(shè)定的上限流量，則寸動(dòng)距離自動(dòng)縮小0.1m，若皮帶流量低于設(shè)定的下限流量，則寸動(dòng)距離自動(dòng)增進(jìn)0.1m，否則寸動(dòng)距離維持當(dāng)前值不變。在完成本層取料后，根據(jù)料堆成像結(jié)果計(jì)算下一層對(duì)位數(shù)據(jù)結(jié)果，調(diào)整走行和回旋到目標(biāo)位置，俯仰降至下一層取料高度，繼續(xù)進(jìn)刀進(jìn)行取料作業(yè)。

3.2 料機(jī)防撞技術(shù)

3.2.1 料機(jī)懸臂與料堆防撞技術(shù)

堆取料機(jī)懸臂的運(yùn)行位置由三維成像計(jì)算獲得，通過(guò)料機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制運(yùn)行。在堆取料機(jī)作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)安裝在斗輪處的雷達(dá)料位計(jì)檢測(cè)斗輪與料堆的相對(duì)距離來(lái)避免料機(jī)懸臂與料堆相撞;同時(shí)在懸臂外圍設(shè)置鋼絲繩限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)保護(hù)鋼絲繩觸碰到料堆，限位開(kāi)關(guān)發(fā)出限位觸發(fā)信號(hào)，料機(jī)將停止回轉(zhuǎn)或走行動(dòng)作，需人工干預(yù)消除鋼絲繩限位信號(hào)或俯仰抬升到雷達(dá)料位計(jì)設(shè)定的范圍內(nèi)，重新下達(dá)堆取料作業(yè)指令繼續(xù)自動(dòng)進(jìn)行堆取料作業(yè)。

3.2.2 料機(jī)與料機(jī)防撞技術(shù)

料機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取堆取料機(jī)走行、回轉(zhuǎn)的格雷母線和懸臂俯仰角度等定位設(shè)備采集的堆取料機(jī)走行、回轉(zhuǎn)、俯仰實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，匯總在中控PLC中集中處理判定，根據(jù)堆取料機(jī)機(jī)械圖紙數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算出料場(chǎng)堆取料機(jī)斗輪以及臨側(cè)堆取料機(jī)懸臂長(zhǎng)和尾車配重的相對(duì)位置關(guān)系，制定防碰撞規(guī)則。當(dāng)堆取料機(jī)之間達(dá)到報(bào)警距離時(shí)，畫面提示堆取料機(jī)的防撞提醒，料機(jī)將減速運(yùn)行。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最小距離時(shí)，則堆取料機(jī)立即停止堆取料機(jī)動(dòng)作，需進(jìn)行人工干預(yù)。

4 堆取料機(jī)無(wú)人化改造效果分析

堆取料機(jī)的無(wú)人化技術(shù)改造充分運(yùn)用三維掃描技術(shù)、格雷母線定位、堆取料作業(yè)控制模型等技術(shù)升級(jí)改造方案，從智慧化、無(wú)人化、高效和安全等方面入手。通過(guò)系統(tǒng)的技術(shù)改造，有效地提升了堆取料機(jī)的自動(dòng)化控制水平，有效解決了堆取料機(jī)人工操作強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率不高等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了原料場(chǎng)技術(shù)先進(jìn)、生產(chǎn)高效、綠色低碳、智慧制造的理念，實(shí)現(xiàn)了原料區(qū)域堆取料機(jī)的無(wú)人化運(yùn)行。

（1）實(shí)現(xiàn)了料場(chǎng)的三維成像模型。三維掃描成像技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)圖像服務(wù)器準(zhǔn)確地計(jì)算出料堆的高度、邊界等數(shù)據(jù)，通過(guò)中控的無(wú)人化PLC系統(tǒng)和料機(jī)PLC系統(tǒng)之間的通信，有效控制堆取料機(jī)的走行位置、回轉(zhuǎn)角度、斗輪定位點(diǎn)等，迅速完成堆取料機(jī)的自動(dòng)對(duì)位。

（2）實(shí)現(xiàn)了堆取料作業(yè)的無(wú)人化運(yùn)行。通過(guò)堆取料機(jī)的走行、回轉(zhuǎn)以及斗輪的準(zhǔn)確定位，利用堆取料作業(yè)模型，通過(guò)無(wú)人化操作畫面下達(dá)作業(yè)指令的方式，實(shí)現(xiàn)了料機(jī)的自動(dòng)堆取料作業(yè)，減少料機(jī)操作人員28人。

（3）實(shí)現(xiàn)了料機(jī)的集中統(tǒng)一管理。通過(guò)堆料機(jī)的無(wú)人化和堆取料作業(yè)模型，有效提高了堆取料機(jī)的作業(yè)效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了一人監(jiān)控多臺(tái)堆取料機(jī)作業(yè)的功能。

（4）實(shí)現(xiàn)了堆取料機(jī)的狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)堆取料機(jī)走行、回轉(zhuǎn)、俯仰、懸臂皮帶的運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)采集，通過(guò)HMI畫面和現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅實(shí)時(shí)掌握堆取料機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)制定防撞規(guī)則，保證了堆取料機(jī)的運(yùn)行安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

堆取料機(jī)是原料場(chǎng)內(nèi)的主要設(shè)備，其操作動(dòng)作復(fù)雜、控制要求高，工作時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)操作人員的操作技能也有較高要求。2020年5月，對(duì)原料場(chǎng)區(qū)域的7臺(tái)堆取料機(jī)進(jìn)行了無(wú)人化技術(shù)改造，通過(guò)應(yīng)用本文中所述的技術(shù)改造方案，解決了堆取料機(jī)自動(dòng)化作業(yè)的難點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了堆取料機(jī)的無(wú)人化自動(dòng)化運(yùn)行作業(yè)，不僅提高了堆取料作業(yè)的效率，同時(shí)還降低了人力資源成本，有效地改善了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧奕華，張子才.散料場(chǎng)堆取料機(jī)防碰撞控制[J].冶金自動(dòng)化，2010，34（1）：6-9.

[2] 吳毅平，商曉東，陶鈞.無(wú)人化料場(chǎng)和庫(kù)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（12）：83-87.