冷軋庫區(qū)天車自動化作業(yè)關鍵技術研究與應用

王金峰，張思遠

(河北鋼鐵集團邯鋼公司邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056015)

近年來隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的部署與推進，智能、網(wǎng)絡、協(xié)同控制技術和自動化無人控制技術得到了空前發(fā)展[1]。國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)目前均已進入自動化生產(chǎn)時代，但目前絕大多數(shù)仍是采用人工駕駛值守操作的方式在運行，并沒有做到完全的無人作業(yè)運行。

本研究設計提出了庫區(qū)天車全自動無人作業(yè)模式改造方案，對天車設備自動控制系統(tǒng)進行分析研究，基于鋼卷起吊工作流程功能機制，設計建立了智能吊具系統(tǒng)，實現(xiàn)吊具的自動控制，通過防搖擺系統(tǒng)的研究設計來控制各機構運行速度對于鋼卷行進軌跡的影響，提高作業(yè)精度和作業(yè)效率，同時采用多功能交互集成模式的工作方法，深層次的對庫區(qū)鋼卷作業(yè)流程進行剖析，大大提高系統(tǒng)自動化水平[2]。建立以無人天車設備為基礎的高效庫區(qū)管理、實時庫存管理及鋼卷出入庫管理，同時延長設備維護周期延長，大大提高設備運行效能。

1 全自動無人天車系統(tǒng)框架

庫區(qū)天車無人自動化作業(yè)系統(tǒng)主要由智能庫區(qū)管理系統(tǒng)、地面物流設備控制識別系統(tǒng)、天車自動控制系統(tǒng)以及庫區(qū)安全防護系統(tǒng)四部分構成。

1.1 智能庫區(qū)管理系統(tǒng)

智能庫區(qū)管理系統(tǒng)是生產(chǎn)管控系統(tǒng)和無人天車、產(chǎn)線設備等各種系統(tǒng)鏈接，使無人設備安全、高效完成作業(yè)任務的綜合性庫區(qū)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是獨立、完整的過程控制系統(tǒng)，負責庫區(qū)的日常作業(yè)管理，承擔庫區(qū)生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的所有必要功能。在庫區(qū)操作標準化、規(guī)范化，人員成本大幅下降的同時，工作效率最大化，同時優(yōu)化物流流程，提升信息化程度，以達到智能、穩(wěn)定、高效、安全運行的目的。其在過程控制系統(tǒng)層面與自動化系統(tǒng)、相關控制系統(tǒng)進行信息交互，接收下料計劃、上料計劃、車輛設備信息、物料跟蹤信息等數(shù)據(jù)，實時反饋庫區(qū)跟蹤和作業(yè)結果信息，為管理決策、計劃統(tǒng)計提供準確、迅捷的數(shù)據(jù)支撐。并且對庫區(qū)所屬系統(tǒng)或設備進行必要的一級控制、監(jiān)測及聯(lián)鎖，包括天車自動控制系統(tǒng)、物流設備控制識別系統(tǒng)、庫區(qū)安全防護系統(tǒng)、步進梁、過跨車等[3]，系統(tǒng)架構如下圖1所示。

圖1 智能庫區(qū)系統(tǒng)架構

1.2 物流設備控制識別系統(tǒng)

物流設備控制識別系統(tǒng)在庫區(qū)整體空間進行X、Y、Z坐標劃分定義的基礎上，對步進梁卷位、庫區(qū)鞍座、過跨車區(qū)域以及汽車鋼卷停靠位置分別進行識別，并通過計算將其對應空間X、Y、Z坐標反饋至控制系統(tǒng)，最終指導天車執(zhí)行機構精準作業(yè)。由于步進梁、庫區(qū)鞍座及過跨車系統(tǒng)的相對固定性，其坐標值通常設定為常量，以供系統(tǒng)執(zhí)行，但汽車倒運鋼卷存在車輛形狀、起停位置等不確定因素，需要系統(tǒng)具備汽車自動識別功能。根據(jù)車輛種類、形狀和停車位來識別車輛，確定車斗類型，利用攝像頭以激光掃描技術為基礎，對汽車鞍座進行切片式掃描，分析識別鋼卷形象確定執(zhí)行坐標，最終實現(xiàn)遠距離自動裝卸功能。

1.3 天車自動控制系統(tǒng)

天車自動控制系統(tǒng)是智能庫區(qū)管理系統(tǒng)的執(zhí)行機構，主要由PLC系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、防搖擺控制系統(tǒng)、駕駛艙操作畫面系統(tǒng)和夾鉗控制系統(tǒng)等組成，主要執(zhí)行來自庫區(qū)管理系統(tǒng)下發(fā)的工單命令，并將執(zhí)行結果信息反饋給系統(tǒng)[4]。它能對天車運行位置進行精準控制，保證大、小車定位和起升高度控制在有效誤差范圍以內(nèi)，根據(jù)目標行程生成最優(yōu)的速度模式，并控制天車移動過程中吊鉤組的搖擺角度，同時實時監(jiān)測周邊環(huán)境變化，將天車作業(yè)狀態(tài)信息、設備運行狀態(tài)信息以及錯誤狀態(tài)信息自動發(fā)送給系統(tǒng)，有效提高生產(chǎn)過程的安全性以及工作效率。其系統(tǒng)構成如下圖2所示。

圖2 智能庫區(qū)系統(tǒng)架構

1.4 庫區(qū)安全防護系統(tǒng)

為了防止庫區(qū)內(nèi)車輛與天車設備發(fā)生沖撞，庫區(qū)安全防護系統(tǒng)能夠根據(jù)無人天車的運行狀態(tài)與車輛?？繀^(qū)域來判斷車輛是否可以進庫，設備交叉作業(yè)是否存在碰撞安全風險，通過實時掌握天車和車輛的移動路徑，提前設置好危險規(guī)避區(qū)域，并將信息分析處理結果發(fā)送至庫區(qū)管理系統(tǒng)，同時控制天車設備運行作業(yè)高度，預防事故發(fā)生。

2 無人天車自動作業(yè)功能的實現(xiàn)

2.1 天車PLC控制系統(tǒng)設計改造

天車電氣控制系統(tǒng)是自動執(zhí)行智能庫區(qū)管理系統(tǒng)下發(fā)的工單命令并將作業(yè)結果信息反饋的管理系統(tǒng)。它是整個天車無人化的執(zhí)行機構，通過安裝各種傳感器和控制裝置，拓展CPU模塊增加RAM容量，為變頻器與各傳感器之間的通訊增加DP通訊模塊和串行通訊模塊，使得系統(tǒng)能夠自動生成天車最優(yōu)移動路徑和進行搖擺控制，并具有監(jiān)控行車的位置、防止天車間的碰撞、實現(xiàn)自我診斷、無人控制等功能[5]，其PLC系統(tǒng)作業(yè)功能關系如下圖3所示。

圖3 天車PLC系統(tǒng)作業(yè)功能關系

2.2 天車PLC控制系統(tǒng)設計改造

為了精確自動控制大小車與鋼卷放置鞍座的相對位置，在庫區(qū)空間區(qū)域建立為X、Y、Z的立體坐標系，選取庫區(qū)地面的一端為坐標系零點，同時在天車大車和小車上分別安裝激光測距儀，在起升傳動卷筒軸端側和吊鉤組旋轉(zhuǎn)傳動軸側安裝編碼器[6]，如圖4所示，來精準定位天車及吊鉤組鉤頭的作業(yè)位置，保證鋼卷在下落過程中位于鞍座中心的正上方，防止因為天車位置偏差碰撞鋼卷，造成鋼卷碰傷。

圖4 天車作業(yè)運行定位控制系統(tǒng)

天車在實際運行作業(yè)過程中，由于吊運鋼卷的重量較大，在其本身慣性的影響下，吊鉤組的運行速度變化同天車大、小車運行速度變化相比較而言略有延遲，這就導致了鉤頭及吊具搖擺的不確定性[7]，為了最大限度的消除搖擺所帶來的影響，實現(xiàn)理論分析，在天車小車及吊鉤組上安裝防搖擺控制裝置，防遙控制裝置系統(tǒng)主要由角度檢測儀、紅外標記和防遙控制器組成。此系統(tǒng)將天車移動過程按大車方向和小車方向分解，以小車為中心的單擺系統(tǒng)模型，夾角θ為天車吊鉤組的搖擺幅度，角度測量儀則通過模擬視覺功能，實時采集紅外標記所組成三角形，將三角形形狀的變化按大小車坐標方向進行分解剖析計算，分別得到大小車方向的晃動角度θx與θy，如下圖5所示。通過防搖擺控制器根據(jù)不同的作業(yè)模式建立最佳速度模型，將其傳遞到天車PLC，天車PLC不再需要單獨計算天車速度，直接將防搖擺控制器給出的速度值傳遞到變頻器即可控制天車大、小車速度，大幅縮短了物料吊運時間。

圖5 天車作業(yè)運行定位控制系統(tǒng)

2.3 天車智能吊具自動控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)天車吊具夾鉗的自動開合作業(yè)功能，在原有設備的基礎上對夾鉗進行自動控制改造，使得夾鉗自動控制系統(tǒng)能夠精確控制夾鉗的升降與開合動作，確保鉗臂與鋼卷間的相對空間位置，在原有機電傳動機構控制的基礎上增加傳感器，增設夾鉗控制器與柜體接收傳感器反饋信息，再把信息通過有線、無線通訊傳遞到上部控制器進行邏輯判斷執(zhí)行。其中傳感器分為鉗臂夾緊傳感器、鉗臂測寬傳感器、鉗腳負載傳感器、底部防撞傳感器、鋼卷對中傳感器[8]，如圖6所示。

圖6 智能吊具傳感器改造示意圖

2.4 無人天車庫區(qū)管理監(jiān)控系統(tǒng)

為了更好地控制無人天車，將發(fā)生的各種作業(yè)信息通過畫面展示出來，在中控室安裝顯示器，為庫區(qū)操作人員實時提示工單各種應答信息、指令信息。其主要功能有能夠與天車PLC通信的接口報文，顯示天車的報錯信息和各種裝置的通信狀態(tài)，提示詳細工單信息，發(fā)送工單處理結果，相鄰天車涉及防撞時，提示規(guī)避信息，如圖7所示。

圖7 無人天車實時運行狀態(tài)監(jiān)控

庫區(qū)管理監(jiān)控功能的實現(xiàn)，為無人天車的正常運行提供了強有力的保障，可以讓操作人員快速掌握庫區(qū)鋼卷擺放信息及物流走向信息、實時掌握庫區(qū)庫存狀況[9]。同時維護人員通過無人天車監(jiān)控系統(tǒng)可以簡單快速的對天車運行狀況進行掌握，一旦出現(xiàn)故障，通過故障報警信息可以以最快時間鎖定事故部位，提高設備維護效率。

3 結語

本文研究提出的冷軋庫區(qū)天車自動化作業(yè)改造技術方法得到了實踐驗證，結果表明此技術方法可以滿足冷軋庫區(qū)天車自動化作業(yè)的各項要求指標，并為實現(xiàn)工廠庫區(qū)智能管理的研究提供了重要參考依據(jù)。在下一階段，本研究將通過現(xiàn)場調(diào)試實驗來進一步改進天車自動化作業(yè)的技術方法。由于實際作業(yè)環(huán)境與理想作業(yè)環(huán)境有較大的差異，因此在今后的研究中，需要不斷完善協(xié)調(diào)控制方法，減少天車執(zhí)行機構誤差，進一步提高作業(yè)精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性，以實現(xiàn)全方位的無人天車自動化控制。