中試冶金天車的自動化控制技術應用實踐探討

劉海峰，孫立紅，張燦

（河鋼集團河鋼鋼研總院中試試驗研究所，河北 石家莊 050000）

天車作為冶金工廠物流中重要的組成部分，是工業(yè)4.0升級中必不可少的一環(huán)，吊運任務繁重、工作環(huán)境惡劣、運行人工成本高昂，對天車的自動化升級勢在必行。

本文主要綜述冶金天車發(fā)展的未來方向和特點，闡述其智能無人化中的關鍵技術；同時介紹了在河鋼鋼研院中試工廠已投運的一部冶金天車的初步無人自動控制改造案例，展示了一套低成本的冶金天車自動控制的方案，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 智能無人天車的國內外現(xiàn)狀和發(fā)展方向

智能無人起重機在港口應用已經(jīng)非常廣泛。幾乎在全球各地港口都可以看到，從上海羅涇港、天津港、到韓國釜山新港、臺灣臺北港等。具體來看，港口裝設有全自動卸船機、全自動堆取料機和全自動裝船機等，皆可透過遠程中控室進行監(jiān)控。

在大型物流倉庫也有無人天車自動存取貨物，河鋼集團唐鋼微爾自動化公司與韓國浦項ICT公司合作研發(fā)的唐鋼高強汽車板項目軋后庫無人天車系統(tǒng)已調試成功，據(jù)悉，該系統(tǒng)在唐鋼高強汽車板項目投入使用后，將使天車操作人員和庫區(qū)管理人員減少70%以上，顯著提高人工勞效。寶鋼運輸部和寶信軟件聯(lián)合研發(fā)的鋼制品無人倉庫系統(tǒng)也已投入運行。這些系統(tǒng)主要內容有倉庫管理信息化ERP系統(tǒng)、物料輸送堆取無人化。

但是，在工廠生產(chǎn)車間智能無人天車尚無應用。這是由于生產(chǎn)現(xiàn)場復雜、環(huán)境惡劣，安全要求高。尤其在冶金車間由于電磁干擾等現(xiàn)場條件受限檢測功能不好實現(xiàn)，天車定位、控制存在難度，但在鋼鐵產(chǎn)線無人天車有大量應用需求，比如高爐沖渣系統(tǒng)自動抓渣、煉鋼線自動吊運鋼水、軋鋼原料跨自動吊運鋼坯等等，所以開展此課題研究非常必要。

國內外著名的自動化公司西門子、ABB、GE等也在研發(fā)工廠天車專家系統(tǒng)等智能控制技術，有一些成果，未見有實際應用。我國整體起重機械行業(yè)的自動化應用總體水平還不高，智能化也剛剛起步，處于研發(fā)階段。但無論是起重機械生產(chǎn)廠商還是起重機械用戶，都逐漸認識到應用自動化智能化產(chǎn)品的優(yōu)勢所在。自動化智能化起重機應用潛力非常巨大，前景也十分廣闊。

智能無人天車就是把一些人工智能技術、自動化技術、信息技術、通訊技術應用于天車，使天車具有自動識別周圍環(huán)境能力，模擬人的操作、自動起吊運送物料。智能無人天車技術涉及以下方面：（1）基礎自動化系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)、PLC控制自動化系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)；（2）無線通訊傳輸系統(tǒng)；（3）智能系統(tǒng)：天車能夠具有人的視覺，能夠識別貨物及周圍環(huán)境，具有人的判斷決策能力，規(guī)劃行走路線，防止碰撞，自動行走。能夠自動抓取、存放貨物；（4）工廠信息化智能制造系統(tǒng)等。

本次案例研究僅僅涉及第一、第二及第三中的部分內容。著眼于智慧工廠的遠景設置，針對中試天車，研究開發(fā)中試天車控制系統(tǒng)，改善控制效果，以安全、平穩(wěn)、自動、智能為目標，提高自動化水平，逐步實現(xiàn)智能化、無人化。

2 中試冶金天車的改造案例

項目總體技術思路：著眼于智慧工廠的遠景設置，數(shù)據(jù)化中試冶煉工廠，以中試天車為對象研發(fā)自動控制系統(tǒng)，以安全、平穩(wěn)、自動、智能為目標，使得天車具備自我判斷自我識別周圍環(huán)境，提高天車自動化水平，逐步實現(xiàn)無人化、智能化。

改造的主要關鍵技術：本次課題涉及研究了天車三維立體位置檢測以實現(xiàn)自動定位，研究了天車傳動及自動控制系統(tǒng)以實現(xiàn)自動行走，規(guī)劃工藝目標：中試煉鋼跨10T天車實現(xiàn)自動平穩(wěn)定點吊裝，即吊運物料從當前位置自動平穩(wěn)地行走至目標位置。根據(jù)工藝目標，本次主要研究天車三維立體位置檢測，實現(xiàn)自動定位：研究了天車傳動及自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動平穩(wěn)行走。涉及以下兩項技術：（1）天車位置控制技術：目的是實現(xiàn)天車自動三維立體定位。（2）天車吊鉤防擺控制技術：目的是實現(xiàn)天車平穩(wěn)啟停運行。

具體技術路線如下闡述：

（1）三維工廠立體空間的建立：精確檢測位置是控制的基礎，研究了激光位置傳感器、光電傳感器、編碼器、編碼尺及射頻識別技術，實現(xiàn)了適合中試工廠工況的編碼尺檢測技術手段實現(xiàn)天車三維立體精確定位；天車三維立體定位，即要確定大車、小車、吊鉤在廠房的立體位置，并將其信息傳送到控制器，在操作界面實時顯示天車三維位置坐標。

在車間三維立體空間內定位天車即物料位置，如圖1設定大車位置為X坐標，小車位置為Y坐標，吊鉤位置為Z坐標。大小車位置檢測采用編碼尺檢測，吊鉤位置檢測采用旋轉編碼器檢測。從控制角度來看，圖2顯示工廠完成了三維動態(tài)的建立。

圖1 天車三維體系

圖2 三維數(shù)據(jù)傳入CPU

位置檢測系統(tǒng)，主要有編碼尺、讀頭、接口模塊、安裝附件等部分構成，編碼尺隨行走軌道安裝，讀頭實時讀取傳送當前位置，避免了傳動系統(tǒng)機械誤差定位不準等問題。無機械接觸，無磨損，實時檢測，基本不受震動、沖擊、灰塵、溫度波動的影響，可靠性高，維護方便，適合冶金企業(yè)工況。編碼尺外形圖見如圖3。在該測量技術下工廠轉化成為一個個數(shù)據(jù)疊加起來的數(shù)據(jù)工廠，如圖4所示。

圖3 編碼尺外形圖

圖4 數(shù)據(jù)化工廠

（2）障礙物自動識別技術：采用超聲波和光電識別技術來防碰撞。天車自動識別障礙物一直是一項技術難題，也是無人天車技術從自動化到智能化發(fā)展的一項技術壁壘。該研究利用超聲波技術研發(fā)了這樣一套裝置：水平識別障礙依靠固定在天車鉤頭上方平臺水平四個方向的超聲波傳感器（標記1）檢測識別，如圖5所示，垂直識別障礙依靠固定在天車鉤頭上方平臺呈圓形垂直均勻分布的若干個光電波傳感器（標記2）檢測識別，如圖6所示。上述傳感器均為漫反射型。傳感器通過模擬量信號接口將距離信息發(fā)送至PLC系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)實時反饋檢測到得障礙物位置信息，天車提前作出準確反應，確保安全穩(wěn)定運行。

圖5 水平方向的超聲波檢測

圖6 垂直方向的光電檢測

（3）電氣傳動控制技術：大多數(shù)工廠天車的驅動電機使用繞線電機，采用轉子回路串電阻啟動、調速，存在啟停行走不平穩(wěn)、吊鉤擺動、溜車等問題。如圖7所示將天車改為變頻調速，用軟啟動軟停車及智能控制技術，一方面實現(xiàn)了無級調速，一方面開發(fā)了智能防溜車、防搖擺控制系統(tǒng)，原理如圖8所示。

圖7 電氣傳動的改變

圖8 行走的閉環(huán)控制過程

（4）防搖擺技術：利用變頻器調速功能，斜坡控制加減速度，即在一定時間達到目標速度或從運行速度降到零速，模擬人工操作經(jīng)驗“跟車”。擺動根本原因就是因為慣性，在啟停過程中物料與天車速度不一致，所以在啟停過程中加一速度干預、修正（圖9），使物料速度與天車保持一致。具體實現(xiàn)方法：在天車吊鉤側面安裝一固定支架，做好隔熱處理，在支架上安裝傾角儀，將傾角儀與PLC連接，吊鉤擺動傾角儀得到擺角。吊鉤正向擺動時控制輸出正向點動，反向擺動時控制輸出反向點動，如此反復“跟車”，直至擺動很小或消除。經(jīng)過反復的試驗，不斷摸索有效擺長算法、加減速時間等有關參數(shù)，形成平穩(wěn)啟停（圖10），實際擺角控制在了2°內。

圖9 啟停的自動速度干預

圖10 啟動效果波形圖

（5）控制中心和無線通信系統(tǒng)：天車的特殊性決定了系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠運行，在比較了多款控制器后，自主集成了一套自動化控制系統(tǒng)。主要包括：可編程控制器（PLC）、信號模塊、移動面板（圖11）、PC、工業(yè)無線網(wǎng)絡接入點、無線通信模塊、定向天線、編程器以及配套的通信電纜、動力電纜等。用西門子博途TIA軟件編寫程序，用硬件PLC、無線通訊技術實現(xiàn)控制功能目標。圖12所示為拓撲結構。

圖11 組態(tài)的移動HMI界面

圖12 網(wǎng)絡拓撲圖

（6）天車運行無人化的構思：根據(jù)天車使用情況，設有手動、半自動、自動三種操作模式，半自動即單軸定位，給定某一軸目標位置，天車三個方向上自動運行走至目標位，如圖13所示。全自動模式即三軸定位模式：實現(xiàn)三個軸向的定位，并把一次任務自動分解成一個個的單軸運動順序連接動作，軌跡實現(xiàn)了萬能路線。根據(jù)天車任務多樣性，可設定任意軌跡安全運行，實現(xiàn)全車間任意兩點間運動，這種構思將邏輯控制技術發(fā)揮得淋漓盡致。操作畫面如圖14所示。

圖13 半自動操作畫面

圖14 全自動操作畫面

3 實施情況及效果

前期進行了大量的調研、技術交流：研究西門子變頻技術、無線通信技術、運動控制技術等，倍加福、西克等傳感器檢測技術，唐鋼二冷軋考察等，確定了目標、規(guī)劃及初步方案。2017年正式進入實施階段，歷經(jīng)設備選型、詳細圖紙設計、設備采購訂貨、元器件到貨安裝配柜、打點測試、初步編程調試。2017年9月進入安裝、現(xiàn)場調試階段，組網(wǎng)、設備安裝、敷線、接線，加班加點，終于提前1個月完工。2017年11月底經(jīng)特檢院驗收、操作培訓后交付使用。2018年持續(xù)對系統(tǒng)優(yōu)化，開發(fā)了識別障礙物防碰撞功能。

開發(fā)冶金天車控制技術的技術指標：自動定位精度誤差小于5mm；吊鉤擺動幅度＜2cm，擺角＜2°，如圖15在實驗階段吊運滿滿一桶水能一滴不灑落，從而能滿足吊運金屬液體鋼包自動完成工業(yè)路線的行走如圖16，并有效避開障礙物，在國內尚屬首次。

圖15 自動吊運水桶

圖16 自動吊運鋼包

4 結語

盡管我國智能天車技術應用總體水平還不高，但無論是生產(chǎn)廠商還是用戶，都逐漸認識到應用智能天車的優(yōu)勢所在。智能天車工廠車間應用潛力非常巨大，前景也十分廣闊。國內一些高校、科研院所也在進行一些研究。但僅僅限于局部、理論研究，包括此案例也沒能全面研究。一些天車生產(chǎn)制造商，也在研究開發(fā)智能天車，但也尚未有成熟產(chǎn)品大量應用于生產(chǎn)實踐。