自動化立體庫技術在有色行業(yè)中的應用研究

馮 敏,謝清明,劉望保,董 博,劉 毅,胡均平

(1.株洲優(yōu)瑞科有色裝備有限公司,湖南 株洲 412000;2.陽新弘盛銅業(yè)有限公司,湖北 黃石 435200;3.中南大學 機電工程學院,湖南 長沙 410006)

0 引言

國內有色冶煉企業(yè)生產工藝末端即有色金屬成品的存取方式相對落后,需要人工叉車叉取轉至堆場,物流裝運均靠叉車或人工操作行車進行裝車作業(yè),環(huán)境較為惡劣,人工作業(yè)強度高、生產效率低、使用成本高,且招工困難。另一方面,生產落后對企業(yè)精細化管理,尤其產品庫存的高效管控增加了難度[1]。因此相關的工藝流程實現(xiàn)自動化、智能化、無人化已迫在眉睫。自動化立體倉庫的建設能解決燃眉之急,并取得很好的社會和經濟效益[2-3]。

在相關報告中,指出要推動國家制造產業(yè)鏈的升級,要推動國家新興產業(yè)的發(fā)展,大幅提高科技創(chuàng)新的支撐能力,拓展5G 技術在各個行業(yè)的應用等。國家出臺了一系列配套政策推動高端智能再制造的切實落地,在這個大的政策背景之下,有色冶煉行業(yè)的技術升級,現(xiàn)代立體倉儲技術的運用,使生產實現(xiàn)自動化、智能化、無人化刻不容緩。

自動化立體庫技術在很多領域都有應用,比如冷鏈存儲、橡膠等領域[4],國內也有少部分有色金屬企業(yè)進行了成品立庫建設的嘗試,由于立體庫構筑多種多樣[5-6],發(fā)展多元化、行業(yè)細分化[7],一般的立庫生產廠家對有色冶煉生產工藝的不甚了解,導致設備集成契合度不高,不能達到預期效果。國內僅在長桿鋁型材行業(yè)中應用取得了一定的成績[8]。

本文闡述國內有色冶煉行業(yè)首個陰極銅自動化立體倉庫最新技術的研究與應用,積極響應國家政策,破解了行業(yè)發(fā)展的瓶頸,推動行業(yè)技術的發(fā)展,目前項目已在湖北省黃石市陽新弘盛銅業(yè)有限公司落地。

1 項目介紹

陰極銅剝片機組生產出來的銅為合頁銅片,單片重量為160～180 kg,長度為1 030～1 100 mm,寬度為1 030～1 100 mm,根據貿易稱重規(guī)則,每垛陰極銅總重量控制在2.5 t,誤差±50 kg,所以每垛陰極銅含有13～16 片“合頁銅”,要實現(xiàn)自動化立體倉庫倉儲存取,最大難點在于銅垛的規(guī)整、銅垛外形尺寸的檢測、貿易秤的自動校秤、銅垛的鋼帶打包、堆垛機重載高速運轉等功能。

本文所述自動化立體倉庫項目(簡稱立庫)為陽新弘盛銅業(yè)有限公司40 萬噸高純陽極銅清潔生產項目的子項目,該項目年處理銅精礦1 600 kt,主要產品為高純陰極銅400 kt/a、硫酸1 500 kt/a,立庫的設計從陰極剝片機組出銅口接入開始,至陰極銅垛自動裝車結束,整個運行過程實現(xiàn)智能化,該立庫庫容量3 000 t。該立庫的整體布局圖,如圖1 所示。

圖1 立庫整體布局圖

該立庫系統(tǒng)的主要具體參數(shù),如表1 所示。

表1 立庫主要技術參數(shù)

該立庫系統(tǒng)根據廠級生產計劃、調度指令、營銷系統(tǒng)信息、質計系統(tǒng)信息及庫存情況等,自動決策倉儲管理方案及堆垛機、起重機調度方案,完成立庫內設備任務流程管控,實現(xiàn)陰極銅進、出庫過程的智能化調度與決策。設計過程中運用了三維運動仿真、有限元分析、5G 通訊、數(shù)字孿生等多項先進技術,實現(xiàn)了以下功能:

(1)與陰極剝片機組出銅口對接的功能;

(2)陰極銅垛的轉運、預稱重、配重、規(guī)整、打包、貿易稱重、貼標、掃碼等自動功能;

(3)陰極銅垛的自動入庫功能;

(4)修整銅垛的上線、規(guī)整等功能;

(5)配重銅垛的上線、規(guī)整等功能;

(6)自動校秤功能;

(7)庫區(qū)銅垛的出庫、掃碼、吊運、裝車等自動功能;

(8)貨車的停車引導、車牌識別、停車位置識別、自動行車等功能;

(9)陰極銅垛的質量追溯和反饋功能;

(10)出庫、入庫、盤點等智能庫存管理功能;

(11)分別與工廠DCS 和智能工廠數(shù)據采集系統(tǒng)通信接口的功能。

2 設備功能區(qū)域規(guī)劃

立庫所涉及的設備根據功能不同劃分為三個區(qū)域:

(1)庫前作業(yè)區(qū):由規(guī)整機、鏈條輸送機、旋轉鏈條輸送機、RGV、配重機器人、鋼帶識別系統(tǒng)、預稱重裝置、貿易稱重裝置、回轉頂升機、打包機、打印貼標機、入庫掃碼機、頂升機這些設備組成。如圖2 所示,為庫前作業(yè)區(qū)的設備布置圖。

圖2 庫前作業(yè)區(qū)

庫前作業(yè)區(qū)負責完成銅垛的輸送、規(guī)整、外形檢測、90°換向轉運、預稱重、配重、貿易稱重、打包、打印貼標、掃碼、自動校秤等一系列功能。

(2)立庫作業(yè)區(qū):包括堆垛機、貨架等設備

立庫作業(yè)區(qū)負責陰極銅垛的自動入庫功能,立庫作業(yè)區(qū)銅垛的自動出庫自動功能,其工作流程如圖3 所示(a 圖為入庫工藝流程,b 圖為出庫工藝流程);陰極銅垛的質量追溯和反饋功能;

圖3 出入庫工藝流程圖

(3)裝車作業(yè)區(qū):包括智能行車及吊具、立柱及軌道梁、行車安全滑觸線、車輛引導及識別系統(tǒng)、安全圍欄、鏈條輸送機、出庫頂升機、吊裝頂升機這些設備;裝車作業(yè)區(qū)的設備布局如圖4 所示。

圖4 裝車作業(yè)區(qū)

裝車作業(yè)區(qū)具有陰極銅垛的自動出庫功能;出庫自動掃碼、吊運、裝車等功能;貨車的停車引導、車牌識別、停車位置識別、自動裝車等功能;

3 智能管控系統(tǒng)的搭建

智能管控系統(tǒng),包括智能決策管理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能運維系統(tǒng)。智能管控系統(tǒng)的功能涵蓋立庫與上層系統(tǒng)的通訊對接與信息交互,以及立庫的倉庫信息管理、作業(yè)任務分配與調度、設備自動化控制、以及包括組態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)控和遠程維護等功能的系統(tǒng)集成。立庫的智能管控系統(tǒng)網絡拓撲圖如圖5 所示。

圖5 智能管控系統(tǒng)網絡拓撲圖

智能管控系統(tǒng)搭建所需的主要軟硬件配置如表2 所示。

表2 智能管控系統(tǒng)主要軟硬件配置

(1)智能決策管理系統(tǒng)

智能決策管理系統(tǒng)基于智能精益物流管理技術,通過“自動化+信息化”打通陰極銅從入庫到出庫裝車的全流程,各系統(tǒng)間通過指定協(xié)議無縫對接,可對接企業(yè)上位系統(tǒng)以及預留其他設備對接接口[9]。

智能決策管理系統(tǒng)通過數(shù)據采集手段和數(shù)字化管控手段,實現(xiàn)生產過程數(shù)據自動獲取、記錄、流轉、和增值計算,優(yōu)化管理效率和決策效率。智能銅庫的智能決策管理系統(tǒng)的軟件,包括WMS、WCS、DIS。

WMS 作為整個智能系統(tǒng)的核心大腦,管理著整個系統(tǒng)運行的邏輯和數(shù)據,擁有基礎數(shù)據管理、出入庫管理、庫存管理、盤點管理、訂單管理、報表管理、權限管理等功能。

WCS 是設備的中央控制系統(tǒng),其具備設備調度、設備監(jiān)控、故障處理、運行記錄等功能。

DIS 用于與上層系統(tǒng)(DCS、智能工廠的相關應用平臺)進行數(shù)據交互,通過任務接收、實績上報、數(shù)據上傳等數(shù)據傳輸,為上層系統(tǒng)提供完整的生產數(shù)據信息。同時與下層系統(tǒng)(設備自動化控制系統(tǒng))進行信號交互,通過任務/指令下發(fā)、信號采集、信號互鎖等控制管理,實現(xiàn)生產數(shù)據的采集、歸類、結構化,保證生產的安全高效。

所以,智能決策管理系統(tǒng)的應用集成,主要是WMS 與上層系統(tǒng)的集成,以獲取必要的業(yè)務數(shù)據和反饋執(zhí)行結果數(shù)據。支持獨立部署集成、Webservice等多種方式與其他系統(tǒng)進行集成,實現(xiàn)系統(tǒng)之間的消息交換和數(shù)據交互,支持以手動、自動或流程觸發(fā)的方式進行數(shù)據傳遞。

接口方式:應用系統(tǒng)須將系統(tǒng)內的業(yè)務邏輯進行封裝,以Webservice 形式對外發(fā)布,并提供詳細的Webservice 接口使用說明。

接口協(xié)議:支持SOAP(Simple Object Access Protocol)消息傳送協(xié)議。

報文格式:應用系統(tǒng)支持使用通用報文格式結構,包括XML、JSON 等。

(2)智能控制系統(tǒng)

庫前作業(yè)區(qū)設備控制系統(tǒng)集計算機、網絡通訊、可編程控制器(PLC)、變頻調速、觸摸屏、機器人、傳感器、電子稱量、無扣打包、標簽識別(掃碼器)等先進軟硬件,組成一個完整的控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)具有程序編制、實時組態(tài)畫面、數(shù)據處理、參數(shù)設置、自動診斷、即時/歷史數(shù)據顯示及報警、報表生成、打印等功能。立庫的智能控制系統(tǒng)結構如圖6 所示。

圖6 智能控制系統(tǒng)結構圖

智能控制系統(tǒng)包括庫前作業(yè)區(qū)設備控制系統(tǒng)、立庫作業(yè)區(qū)設備控制系統(tǒng)、裝車作業(yè)區(qū)控制系統(tǒng),其各部分控制系統(tǒng)各自獨立、數(shù)據互通、邏輯聯(lián)鎖。

庫前作業(yè)區(qū)設備控制系統(tǒng),負責控制庫前作業(yè)區(qū)各設備運行,承接來自剝片機組的陰極銅垛,進行轉運、提升、掃碼等過程,直至銅垛輸送至立庫的入口位位置。

立體庫作業(yè)區(qū)設備控制系統(tǒng),負責控制堆垛機進行銅垛入庫上架和出庫下架。堆垛機是立庫的運輸樞紐,執(zhí)行WCS 分配的作業(yè)任務,同時根據負荷均衡等調度原則進行銅垛高效轉運。

裝車作業(yè)區(qū)設備控制系統(tǒng),負責控制智能行車進行銅垛裝車作業(yè),可實現(xiàn)精準的三維定位,修正停車位置及姿態(tài)偏差,多型號車板自適應堆碼。

(3)智能運維系統(tǒng)

智能運維系統(tǒng),包括設備組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠程專家診斷及在線維護系統(tǒng)。智能運維系統(tǒng)的層次結構圖如圖7 所示,該系統(tǒng)主要目的是提高設備的生產效率,便捷維護管理,降低設備異常停機時間。

圖7 運維系統(tǒng)層次結構

設備組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),包括二維組態(tài)監(jiān)控和3D組態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)通過模擬組態(tài)的方式,直觀地呈現(xiàn)設備當前的運行狀態(tài),記錄運行數(shù)據和報警信息,統(tǒng)計生產報表,輸出打印表單等。

實時視頻監(jiān)控系統(tǒng),主要用在中控室對設備進行實時視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控有整體設備運行狀態(tài)總覽視圖,也有局部的關鍵設備和工序的細節(jié)視圖。視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有視頻錄制功能,方便查詢和回放生產運行現(xiàn)場視頻。

遠程專家診斷及在線維護系統(tǒng),通過智能網關和互聯(lián)網技術構建遠程維護的橋梁,設備廠家工程及用戶設備管理人員可以異地進行設備的診斷和管理維護,節(jié)約故障處理過程時間提高設備利用率,實現(xiàn)遠程故障診斷、遠程程序升級等功能。

4 立庫項目實施特點

陰極銅自動化立庫項目的實施具有以下特點:

(1)系統(tǒng)性:系統(tǒng)充分考慮生產工藝流程需求,滿足布局合理、運轉流暢的原則。

(2)可靠性:選用在國外應用成熟可靠的標準零配件等,以最大程度的提高陰極銅立庫系統(tǒng)的可靠性。

(3)先進性:運用最先進的設計手段和技術,解決整條立庫產線規(guī)整、打包等關鍵技術難題。能實現(xiàn)陰極銅進庫、庫存、出庫自動化、智能化、無人化的要求。

(4)經濟實用性:立庫整條產線設備布局緊密結合有色行業(yè)生產工藝的特點,簡化控制層級,去除繁枝縟節(jié),滿足立庫產線高效運行。在滿足需求前提下,優(yōu)先選擇實用的同層次標準零配件,滿足高性價比、維護少的要求。

(5)前瞻性:在各設備和系統(tǒng)功能上考慮未來工廠發(fā)展的需求,提供設計冗余與接口預留,滿足發(fā)展的可持續(xù)性。所以立庫系統(tǒng)設計具備一定的柔性,能適應未來業(yè)務種類、規(guī)模、結構、模式的變化。

(6)安全性:單體設備的研發(fā),運用了有限元分析等技術,滿足強度等使用要求;材料的選用充分考慮了弱酸腐蝕環(huán)境要素,在設備運行的環(huán)境周圍設置了必要的安全設施,充分確保使用安全。

(7)高效性:立庫系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、高效地完成所需要的工作,并對生產需求即時響應。

(8)綠色環(huán)保:符合國家倡導的節(jié)能減排、綠色環(huán)保要求。

項目交付后,可作為“智慧工廠 黑燈工廠”以及帶來行業(yè)示范效應的標桿與樣板工程。

5 結語

該自動化立庫項目在設計過程中,運用了三維運動仿真技術、有限元分析、5G 通訊等技術,保證了立庫系統(tǒng)設計的可靠性、高效性。同時,搭建了由智能決策管理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能運維系統(tǒng)組成的先進立庫智能管控系統(tǒng),實現(xiàn)了立庫系統(tǒng)的貨物轉運、規(guī)整、打印貼標、稱重、校秤、打包等功能運行的高度智能化、無人化。今后在有色冶煉行業(yè)智能工廠成品立體庫的建設中,本項目可作為示范案例借鑒。