行車無人化技術(shù)在山鋼日照公司的發(fā)展與應(yīng)用

白旭聰，殷世宏

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800）

1 前言

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式［1］。根據(jù)行業(yè)的特點(diǎn)與業(yè)務(wù)的需求，準(zhǔn)確地找到智能制造在中國鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用場景，使智能制造在中國鋼鐵行業(yè)中體現(xiàn)出價(jià)值［2］，是當(dāng)前智能制造在鋼鐵行業(yè)的探索目標(biāo)。目前行車無人化已成為鋼鐵企業(yè)智能制造的重要手段之一。自2000年左右韓國浦項(xiàng)制鐵首次上線無人行車以來，陸續(xù)升級了上百余套無人行車。寶武集團(tuán)、首鋼、山鋼等企業(yè)也相繼進(jìn)行了行車的無人化升級。本文將介紹山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司（以下簡稱日照公司）對行車無人化技術(shù)的應(yīng)用情況。

2 行車無人化技術(shù)應(yīng)用情況

工業(yè)化的發(fā)展離不開信息化的支撐，兩化深度融合是保障工藝控制先進(jìn)水平及運(yùn)行管理高效的關(guān)鍵。因此，日照公司成立初期即確立了發(fā)展智能化產(chǎn)業(yè)園區(qū)的目標(biāo)，在提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和管理水平，滿足生產(chǎn)控制精度需求等目標(biāo)的基礎(chǔ)上，探索并嘗試進(jìn)一步與人工智能技術(shù)相融合，逐步提升公司的智能化水平，從而實(shí)現(xiàn)多方向、多維度的突破。

隨著生產(chǎn)節(jié)奏的不斷加快，對現(xiàn)場行車設(shè)備的運(yùn)行效率提出了更高的要求，有人行車逐漸不能適應(yīng)生產(chǎn)的需求。日照公司結(jié)合當(dāng)前鋼鐵行業(yè)的發(fā)展趨勢，實(shí)施行車無人化技術(shù)，在當(dāng)前日照公司信息化系統(tǒng)的多層架構(gòu)下，從單個(gè)庫區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)，逐步推動(dòng)周圍庫區(qū)的行車無人化升級。目前，日照公司已于冷軋廠軋后庫與酸洗成品庫推行無人行車2 a有余，行車24 h進(jìn)行全自動(dòng)無人化作業(yè)，顯著提高了生產(chǎn)效率，真正達(dá)成了減員增效的效果。

3 關(guān)鍵技術(shù)

隨著行車自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，第三代行車技術(shù)逐漸成熟，相較前一代行車技術(shù)，其對信息采集的自動(dòng)化要求更高。行車無人化技術(shù)利用行車定位系統(tǒng)自動(dòng)完成行車位置信息采集；通過檢測主鉤位置和重量等信息，自動(dòng)判斷行車的位置以及吊放卷狀態(tài)；自動(dòng)將行車定位、吊卷判斷、行車狀態(tài)、行車執(zhí)行等信息發(fā)送給庫區(qū)管理系統(tǒng)。庫區(qū)管理系統(tǒng)按照規(guī)則并配合現(xiàn)場需求下達(dá)吊運(yùn)指令，行車按照指令自動(dòng)進(jìn)行吊運(yùn)工作，行車定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋位置信息，同時(shí)車載終端將操作執(zhí)行結(jié)果返回庫區(qū)管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了信息流轉(zhuǎn)。

作為智能制造在日照公司的先行探索項(xiàng)目，需要解決和克服很多關(guān)鍵技術(shù)問題，下面介紹3項(xiàng)為無人行車系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 裝卸車之鋼卷掃描

鋼卷的裝卸車運(yùn)輸是無人行車作業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在行車作業(yè)從有人向無人的轉(zhuǎn)變中，如何識(shí)別鋼卷的規(guī)格成為其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。行車三軸定位是指無人行車系統(tǒng)中的大車、小車和主鉤相互配合，能夠準(zhǔn)確識(shí)別鞍座位置并自動(dòng)運(yùn)行到目標(biāo)位置執(zhí)行取卷或放卷操作［3］。日照公司兩庫區(qū)的無人行車采用了三軸聯(lián)合定位鞍座，以三維成像的技術(shù)進(jìn)行鋼卷掃描，將所得數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理、分塊、特征提取等流程，從而計(jì)算出鋼卷的規(guī)格。

如圖1所示，將社會(huì)車輛停泊的區(qū)域設(shè)定為掃描區(qū)域，掃描區(qū)域的兩邊分別平行于行車大車、小車的行駛方向，并且社會(huì)車輛停靠方向與掃描區(qū)域邊界平行。云臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光掃描儀安裝在掃描區(qū)域上方，其掃描平面垂直于行車小車運(yùn)行方向。將云臺(tái)起始旋轉(zhuǎn)角度定位到掃描起始點(diǎn)S，沿E 方向旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，激光掃描面從起點(diǎn)S 出發(fā)向終點(diǎn)E 行駛過程中實(shí)時(shí)掃描整個(gè)區(qū)域，得到由n個(gè)點(diǎn)組成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到行車坐標(biāo)系OXcYcZc。

圖1 鋼卷掃描演示

在基于激光掃描的目標(biāo)識(shí)別與提取的過程中，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，根據(jù)不同的應(yīng)用計(jì)算場景需要將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，劃分成具有不同曲面片的數(shù)據(jù)子集，具體針對不同場景進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊。如圖2 所示，X、Y向平面截取，對掃描儀旋轉(zhuǎn)過程中的掃描平面中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行指定范圍區(qū)間內(nèi)的Z等高線截取。從每個(gè)掃描平面截取出的直線為等高直線，遍歷所有直線。根據(jù)直線的相鄰相接特征組合成若干等高平面，各個(gè)平面即為劃分出的若干數(shù)據(jù)塊，從而計(jì)算鋼卷中心點(diǎn)X，Y值。同理，如圖3所示，Y，Z向平面截取，對掃描儀旋轉(zhuǎn)過程中的掃描平面中的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行指定范圍區(qū)間內(nèi)的X等高線截取，從每個(gè)掃描平面截取出的直線為等X直線，遍歷所有直線，根據(jù)直線的相鄰相接特征組合成若干等X平面，各個(gè)平面即為劃分出的若干數(shù)據(jù)塊，以此計(jì)算鋼卷中心點(diǎn)Y，Z值。

圖2 鋼卷x、y值遍歷

圖3 鋼卷y、z值遍歷

3.2 運(yùn)行邏輯及防搖

控制吊具搖擺幅度，保證鋼卷安全運(yùn)輸，是行車無人化的又一個(gè)難題。無人行車控制系統(tǒng)采用工業(yè)無線局域網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與控制，采用感應(yīng)無線編碼電纜技術(shù)，檢測庫房天車地址，控制天車自動(dòng)走行，系統(tǒng)自動(dòng)形成計(jì)劃及目標(biāo)位置并發(fā)送給行車，行車上自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行吊裝作業(yè)［4-5］。

行車的運(yùn)行類似單擺運(yùn)動(dòng)。夾鉗擺動(dòng)是由于小車與夾鉗通過柔性鋼絲繩連接隨大、小車的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生。為了準(zhǔn)確快速的把物料搬運(yùn)到目標(biāo)位置，通過控制行車的加減速度及速度，可減小夾鉗的擺動(dòng)角度，見圖4。日照公司兩庫區(qū)的無人行車防搖控制采用閉環(huán)防搖的方式，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引大、小車在軌道上運(yùn)動(dòng)，在對行車大、小車運(yùn)行速度控制的基礎(chǔ)上，通過增加對夾鉗擺角的檢測反饋，對設(shè)定的控制曲線進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高速行走。防搖算法集成于電氣艙內(nèi)的防搖控制器上。

圖4 行車運(yùn)行示意圖

在行車向目的位置運(yùn)行時(shí)，通過格雷母線記錄大小車的當(dāng)前位置，然后根據(jù)目的位置和距離，以及行車的加速和減速距離，統(tǒng)籌計(jì)算這段運(yùn)行區(qū)間中大小車的最高運(yùn)行速度以及提前減速運(yùn)行的位置，然后按照計(jì)算速度控制大車進(jìn)行加速。當(dāng)加速到指定速度時(shí)進(jìn)行勻速運(yùn)行；當(dāng)?shù)竭_(dá)減速位置時(shí)將大小車速度降低到對位速度（額定速度的5%）；當(dāng)距離目標(biāo)位置約200 mm 時(shí)，將大車速度降低到額定速度的2%，直到距離目標(biāo)位置100 mm時(shí)停止大車運(yùn)行；當(dāng)距離目標(biāo)位置約100 mm時(shí)，將小車速度降低到額定速度的2%，直到距離目標(biāo)位置50 mm時(shí)停止小車運(yùn)行。這時(shí)利用行車的慣性，行車將準(zhǔn)確的停止在目標(biāo)位置，誤差可以控制在±50 mm，防遙控制由防搖PLC控制完成。

3.3 安全聯(lián)鎖

為了保證庫區(qū)的安全生產(chǎn)，日照公司的無人行車體系設(shè)立了健全的安全聯(lián)鎖與警示系統(tǒng)。

安全管理與警示系統(tǒng)主要用于庫區(qū)圍欄封閉區(qū)域的安全管理、地面人行通道的安全管理、車輛通道安全管理、地面設(shè)備聯(lián)鎖、禁駛區(qū)域管理。該系統(tǒng)采用主從站配置方式，主站位于電氣室，采集庫區(qū)封閉管理、地面人行通道管理和車輛通道管理、入口設(shè)備聯(lián)鎖信號(hào)等，檢測安全門限位，并控制各指示燈，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與各機(jī)組L1系統(tǒng)、庫區(qū)L2和行車系統(tǒng)主機(jī)的通訊。

在這套安全體系下，人員進(jìn)入封閉庫區(qū)及行車的吊卸動(dòng)作與存放鋼卷的設(shè)備動(dòng)作之間，建立了安全聯(lián)鎖關(guān)系，保障人員安全的同時(shí)，防止設(shè)備或鋼卷的損傷。同時(shí)進(jìn)入廠房的所有人員必須按照現(xiàn)場的綠色安全通道行走，并按照規(guī)定避讓行車。為保證人員安全并給予及時(shí)的警示，行車運(yùn)行路徑與人員運(yùn)行通道相交處設(shè)置了聲光報(bào)警指示燈，當(dāng)行車通過此處時(shí)，地面安裝的聲光報(bào)警指示燈報(bào)警警示，地面同行人員采取避讓措施。

4 成效分析

當(dāng)前，日照公司行車無人化技術(shù)已于冷軋廠軋后庫與酸洗成品庫投用近2 a，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了庫區(qū)內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)信息的一體化，建設(shè)了與其他各級信息化系統(tǒng)相聯(lián)系的智能管控平臺(tái)。

在行車無人化技術(shù)的加持下，庫存實(shí)物與系統(tǒng)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)更新、保持一致，大幅度提高了庫區(qū)使用效率和管理效率；存放位置得到優(yōu)化，增加了約25%的有效倉庫面積，減少倒庫操作；行車的運(yùn)輸路徑得到優(yōu)化，減少了鋼卷吊運(yùn)次數(shù)，提高了行車有效作業(yè)率，減少了行車的電力消耗；縮短了指令下達(dá)時(shí)間，提高了行車設(shè)備作業(yè)率，節(jié)省行車運(yùn)行率約20%，汽車裝運(yùn)、卸載的等待時(shí)間平均減少了約30%；降低了因人工操作失誤而導(dǎo)致的故障率，減少了人工成本。