鋁電解多功能機(jī)組遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)

邱永峰,路 輝,陳才榮,陶 力,閆朝寧,鄭 祎,易燁騰

(1.貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081;2.湖南天橋嘉成智能科技有限公司,湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的逐步推進(jìn),國家提出了加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)度,制造企業(yè)開始智能制造,并積極應(yīng)用5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人等相關(guān)技術(shù),建設(shè)和布局智能工廠,鋁冶煉行業(yè)也不例外[1-3]。

鋁電解多功能機(jī)組是鋁冶煉行業(yè)電解車間的核心作業(yè)裝備,是預(yù)焙陽極鋁電解槽工藝操作的專用設(shè)備[4-6]。它將鋁電解槽換極、撈渣、添加氧化鋁、添加覆蓋料、出鋁、抬母線、吊運(yùn)鋁電解槽及車間內(nèi)零星吊運(yùn)功能集于一身,在其機(jī)械輔助作業(yè)下,提高了鋁電解槽工藝作業(yè)效率,降低了勞動強(qiáng)度,提升了電解鋁生產(chǎn)力。然而,鋁電解行業(yè)因?yàn)槠鋸?fù)雜的工藝技術(shù)和高溫、強(qiáng)磁場、粉塵、多腐蝕性氣體的惡劣環(huán)境,常規(guī)的自動控制技術(shù)和高精尖傳感設(shè)備無法直接應(yīng)用于鋁電解多功能機(jī)組等裝備。行業(yè)整體的自動化和信息化程度不高,產(chǎn)業(yè)升級的需求極為迫切。為推動鋁冶煉行業(yè)的自動化升級,學(xué)者們做了相關(guān)的研究工作[7-9]。高瑩對鋁電解多功能機(jī)組控制系統(tǒng)開展了相關(guān)研究,從性能和安全的角度,系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀,也對未來的發(fā)展方向及趨勢做了前瞻性的分析[10]。

綜上所述,本論文以鋁電解多功能機(jī)組為研究對象,提出了基于運(yùn)行軌跡控制的行車精準(zhǔn)定位方法,研制了鋁電解換極作業(yè)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng),在鋁電解車間開展了試驗(yàn)測試,定位精度和遠(yuǎn)程控制滿足鋁電解多功能機(jī)組的工作要求,為鋁電解企業(yè)實(shí)現(xiàn)全面智能制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 基于運(yùn)行軌跡控制的行車精準(zhǔn)定位方法

鋁電解多功能機(jī)組是集多種功能于一體的特種行車,行車是關(guān)鍵的重載搬運(yùn)工具,隨著電子和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,行車的自動化和無人化運(yùn)行成為一種趨勢,而行車的精準(zhǔn)定位是實(shí)現(xiàn)行車自動化運(yùn)行的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。在定位過程中,引入加、減速控制,可以有效減小負(fù)載在啟動和停止時由于大慣性而滯后或過沖及在停止時少搖擺,但對行車定位過程中的加、減速過程該如何控制才能最大限度地實(shí)現(xiàn)行車快速精準(zhǔn)定位是行業(yè)一大難題。

基于此,本文提出一種基于運(yùn)行軌跡控制的行車精準(zhǔn)定位方法,行車上設(shè)有與PLC 信號連接的測距傳感器,PLC 內(nèi)置的路徑規(guī)劃及計算程序模塊根據(jù)行車的實(shí)時位置輸出行車的實(shí)時速度來控制行車工作,定位步驟如下:首先,預(yù)設(shè)定位運(yùn)行過程的加速度、減速度、最大運(yùn)行速度、定位完成區(qū)間、定位完成設(shè)定時間、定位精度區(qū)間和運(yùn)算周期;其次,根據(jù)相關(guān)預(yù)設(shè)值計算行車定位運(yùn)行軌跡;再次,PLC 在定位過程中根據(jù)測距傳感器的實(shí)際位置反饋以及計算的運(yùn)行軌跡和設(shè)定的計算程序模塊運(yùn)算周期動態(tài)輸出行車的實(shí)時運(yùn)行速度;然后,行車到達(dá)定位區(qū)間,PLC 開始計時,當(dāng)計時達(dá)到定位完成設(shè)定時間,結(jié)束定位并停止速度輸出;最后,檢查定位完成結(jié)果。

2 換極作業(yè)智能控制系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計

鋁電解換極作業(yè)智能控制系統(tǒng)的硬件框架如圖1 所示,控制端主要有遙控器、工業(yè)PAD 和普通計算機(jī)三種,三者都可以遠(yuǎn)程控制天車的運(yùn)行;控制端通過無線與執(zhí)行端相連,執(zhí)行端主要包括視覺測量模塊、交換機(jī)、工控機(jī)、服務(wù)器和鋁電解多功能機(jī)組。視覺測量模塊用于對需更換陽極進(jìn)行掃描拍照并將掃描結(jié)果反饋給機(jī)組模塊,機(jī)組模塊根據(jù)視覺測量模塊的掃描反饋結(jié)果對大車小車位置、起升高度及回轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整,完成換極操作。

圖1 硬件框架圖

鋁電解多功能機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖2 所示。在鋁電解多功能機(jī)組的大、小車上,加裝了編碼尺和激光定位傳感器,以獲取各自的精確位置;視覺測量模塊用于位置補(bǔ)償,為打殼頭和拔極裝置提供相對位置信息,以引導(dǎo)其準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置;鋁電解多功能機(jī)組的核心控制器PLC,根據(jù)實(shí)時反饋的位置信息,結(jié)合接收的上位機(jī)程序下傳指令,控制變頻器動態(tài)輸出速度,使各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置,并完成相關(guān)動作。

2.2 軟件設(shè)計

鋁電解換極作業(yè)智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計為三層結(jié)構(gòu),如圖3 所示,包括應(yīng)用層、中間層和執(zhí)行層。應(yīng)用層用于接收用戶輸入的控制參數(shù)并下傳給中間層,中間層將從應(yīng)用層接收到的控制參數(shù)下發(fā)至執(zhí)行層及將執(zhí)行層采集的數(shù)據(jù)上傳至應(yīng)用層,中間層為通信調(diào)度系統(tǒng),中間層通過應(yīng)用層和執(zhí)行層的信息交互生成換極作業(yè)流程最優(yōu)策略,執(zhí)行層根據(jù)中間層下發(fā)的最優(yōu)策略控制換極作業(yè)。

圖3 軟件架構(gòu)圖

執(zhí)行層包括相互信號連接的機(jī)組模塊和視覺測量模塊,視覺測量模塊用于對需更換陽極進(jìn)行掃描拍照并將結(jié)果反饋給機(jī)組模塊,機(jī)組模塊根據(jù)掃描反饋結(jié)果對大車小車位置、起升高度及回轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整,完成換極操作。遠(yuǎn)程控制面板PAD 界面程序,如圖4 所示。

圖4 PAD 界面

3 實(shí)物和實(shí)驗(yàn)

研制的新型智能鋁電解多功能機(jī)組如圖5 所示,在云南某鋁廠開展了自動換極作業(yè)實(shí)驗(yàn),利用工業(yè)PAD 在遠(yuǎn)程下傳自動換極作業(yè)指令,在激光測距傳感器和機(jī)器視覺的輔助下,天車能自動運(yùn)行到殘極附近,開展打殼作業(yè);打殼完成后,機(jī)器視覺引導(dǎo)拔極組件準(zhǔn)確找到極桿頂端,抓取極桿,完成換極作業(yè)。

圖5 鋁電解多功能機(jī)組實(shí)物圖

4 結(jié)語

基于鋁電解行業(yè)對自動化升級的迫切需求,本論文提出了基于運(yùn)行軌跡控制的行車精準(zhǔn)定位方法,研制了鋁電解換極作業(yè)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng),采用激光測距傳感器和讀碼技術(shù),實(shí)現(xiàn)了天車大小車的自動行走和準(zhǔn)確定位,基于機(jī)器視覺輔助技術(shù)和路徑規(guī)劃,利用工業(yè)PAD 在遠(yuǎn)程下傳作業(yè)指令,鋁電解多功能天車可以實(shí)現(xiàn)換極作業(yè)的自動完成。該項(xiàng)工作有利推動了鋁電解作業(yè)裝備的自動化進(jìn)程,同時,對類似產(chǎn)品的設(shè)計與改進(jìn)創(chuàng)新具有重要的指導(dǎo)意義。