大冶特殊鋼煉鐵廠原料無人行車控制技術(shù)的應(yīng)用

張嗣文

（大冶特殊鋼有限公司，湖北黃石 435000）

引言

原料是高爐生產(chǎn)的基礎(chǔ)，大冶特殊鋼煉鐵廠原料作業(yè)區(qū)責(zé)任是為高爐和燒結(jié)機(jī)的供料，原料種類有煙煤、無煙煤、焦粉、焦丁、精粉礦、塊礦等。原料通過拋料輸送帶或卡車轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入原料場(chǎng)料池，按照不同種類分類堆放，再由行車抓放至不同料倉，經(jīng)過料倉下方輸送帶轉(zhuǎn)運(yùn)高爐和燒結(jié)機(jī)[1]。

大冶特殊鋼煉鐵廠原料作業(yè)區(qū)行車平均年作業(yè)量約1 000 萬t，由人工操作行車存在幾個(gè)突出問題：（1）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，原料作業(yè)區(qū)通常為密閉廠房，粉塵大，人工長(zhǎng)時(shí)間身處其中作業(yè)，對(duì)身體危害大，另外高空低頭作業(yè)容易造成疲勞駕駛；易發(fā)安全事故。（2）照明條件差，視線不佳，影響作業(yè)效率；違章打反車，行車設(shè)備易損壞。（3） 崗位環(huán)境惡劣，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，操作工人難以招聘到位，人工成本逐年增高。

1 無人抓料行車系統(tǒng)組成

無人抓料行車系統(tǒng)組成見圖1，由檢測(cè)系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及配套系統(tǒng)組成[2]。車載控制系統(tǒng)作為整套系統(tǒng)的核心，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，錯(cuò)誤報(bào)警復(fù)位的功能。不同于傳統(tǒng)行車有如下幾個(gè)方面。

圖1 無人抓料行車系統(tǒng)組成

1.1 車載控制系統(tǒng)

車載自控系統(tǒng)由PLC 控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、三維掃描系統(tǒng)、定位檢測(cè)和安全防護(hù)系統(tǒng)組成，定位檢測(cè)包括大小車定位和抓斗高度定位，安全防護(hù)包括人員上下車保護(hù)，大小車防撞保護(hù)，抓斗高位、低位保護(hù)，超載保護(hù)等。通過位置檢測(cè)、重量檢測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)防搖控制、物料探測(cè)、池底保護(hù)、路徑優(yōu)化及料池邊墻避讓等功能。

1.2 定位系統(tǒng)

大車定位、小車定位系統(tǒng)，通過編碼電纜之間的電磁耦合來檢測(cè)移動(dòng)機(jī)車的位置，無機(jī)械性接觸磨損，可高速準(zhǔn)確地檢測(cè)和傳送位置信息；編碼電纜為多對(duì)以一定規(guī)律交叉扭絞結(jié)構(gòu)，能有效地抑制外部散雜電平的干擾；能在移動(dòng)機(jī)車行走范圍內(nèi)連續(xù)地、高精度地檢測(cè)絕對(duì)地址。

1.3 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)主要由無線傳輸設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。其中無線傳輸設(shè)備采用定向性天線，多點(diǎn)配置，信號(hào)覆蓋行車整個(gè)運(yùn)行范圍，Clien 端與多個(gè)Server 端無線橋接，時(shí)延低，切換迅速，可靠性好?，F(xiàn)場(chǎng)至中控室采用光纜敷設(shè)，保證長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.4 管理系統(tǒng)

負(fù)責(zé)行車抓料作業(yè)的流程管理以及對(duì)車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和存儲(chǔ)，行車各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)見圖2，如各電機(jī)電流、電壓，大小車及抓斗位置，抓斗重量，抱閘及風(fēng)機(jī)狀態(tài)，物料堆型，行車作業(yè)量統(tǒng)計(jì)。

圖2 行車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面

2 無人行車的功能

2.1 自適應(yīng)復(fù)雜物料堆型的自動(dòng)流程

由于原料作業(yè)區(qū)的來料方式為行車上方皮帶拋入，為圓錐形料堆，堆尖甚至可以觸碰到行車大梁，通過優(yōu)化抓料策略，采用3D 掃描加編碼器高度檢測(cè)手段，當(dāng)料堆較高時(shí)，自動(dòng)抓料行車啟用高料堆模式，按照程序預(yù)先設(shè)定好的位置進(jìn)行取料，從堆尖縱向正對(duì)的錐形料堆底部抓起，逐步向前推進(jìn)[3]。當(dāng)料堆較低時(shí)，自動(dòng)抓料行車啟用低料堆模式，從堆尖開始抓起，逐步對(duì)周圍進(jìn)行順序抓取作業(yè)，該自動(dòng)流程可盡量減少抓斗傾斜，并且可以使每次抓料都能夠抓滿，提升作業(yè)效率。

2.2 多設(shè)備連鎖，設(shè)置運(yùn)行路徑安全避讓

行車與行車，行車與拋料小車、進(jìn)料卡車等其他設(shè)備存在交叉作業(yè)，工藝也存在一取多放的情況。人工操作由于視線不佳，與其他設(shè)備管控人員溝通不到位，經(jīng)常出現(xiàn)拋料小車將料撒到行車上面，行車與進(jìn)料卡車產(chǎn)生碰撞等危險(xiǎn)。為避免抓斗移動(dòng)中觸碰到高料堆，硬件采集通過格雷母線定位，微波定位、紅外定位、三維掃描儀實(shí)現(xiàn)設(shè)備和料堆的定位，再通過軟件算法來控制行車移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。行車與行車避讓：相鄰兩臺(tái)行車的大車位置實(shí)時(shí)共享，當(dāng)相鄰兩車大車相向運(yùn)行時(shí)，間隔距離小于20 m 減速，間隔距離小于5 m 停止；當(dāng)相鄰兩車大車非相向運(yùn)行時(shí)，間隔距離小于15 m 減速，間隔距離小于5 m 停止。行車與拋料小車避讓：拋料小車位置通過微波定位獲取，與行車共享實(shí)時(shí)位置并標(biāo)定了相同原點(diǎn)。當(dāng)拋料小車開始運(yùn)行時(shí)，行車自動(dòng)模式下無法進(jìn)入距離拋料小車先后5 m 范圍。

2.3 四繩配合提升機(jī)械設(shè)備使用壽命

抓料行車提升機(jī)構(gòu)為雙電機(jī)雙卷筒結(jié)構(gòu)，每個(gè)轉(zhuǎn)筒纏繞兩根鋼絲繩，共四繩懸吊一個(gè)抓斗，內(nèi)兩繩為開閉繩，外兩繩為提升繩。人工操作時(shí)，提升繩易松弛，四繩受力不均，提升減速機(jī)、鋼絲繩、電機(jī)負(fù)載過大，設(shè)備疲勞、壽命減短。無人抓料行車可保持作業(yè)過程中四繩受力平衡，提升設(shè)備壽命。

2.4 防搖功能使行車運(yùn)行更加平穩(wěn)

防搖功能可較大幅度消除抓斗的擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)貼墻邊抓料時(shí)提升行車的作業(yè)效率。采用開環(huán)防搖手段[4]。啟用ABB ACS880 變頻器防搖功能并根據(jù)行車運(yùn)行特性及抓斗高度，設(shè)置相關(guān)防搖參數(shù)，建立防搖加速度曲線模型，達(dá)到開環(huán)防搖的目的，具體設(shè)定參數(shù)見表1。獲得；最大擺長(zhǎng)：指抓斗下降到最低位置時(shí)，抓斗重心距離卷筒中心的垂直距離。

表1 ABB ACS880 系列變頻器防搖參數(shù)

2.5 使員工遠(yuǎn)離惡劣環(huán)境提升安全與職業(yè)健康

無人抓料行車是以智能算法替代了人工判斷料面的形狀、是否抓空等因素，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無人化，人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源；通過設(shè)備的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)分級(jí)應(yīng)對(duì)策略，在運(yùn)行、維護(hù)過程中提升人身安全。

2.6 行車遠(yuǎn)程診斷故障可追溯

無人行車可采集行車設(shè)備實(shí)時(shí)信息，可監(jiān)控行車的電流、運(yùn)行速度、位置信息、起重量、作業(yè)時(shí)間，故障信息等。通過通信技術(shù)與權(quán)限設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷，故障信息可追溯。見圖3。

圖3 行車各機(jī)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控畫面

3 解決脫槽問題和堵料問題

3.1 解決鋼絲繩脫槽問題

國(guó)內(nèi)其他廠家的無人抓斗行車抓取的料面情況多較為平整，但大冶特殊鋼煉鐵原料廠料面情況復(fù)雜，由于場(chǎng)地受限且來料由拋料小車卸料，料堆易形成堆尖，抓斗抓料時(shí)經(jīng)常發(fā)生傾斜，在抓斗傾斜狀態(tài)下抓料，鋼絲繩歪拉斜吊，在卷筒上易發(fā)生脫槽。我們?cè)诖筌嚈M梁兩側(cè)安裝了糾偏檢測(cè)桿。例如當(dāng)抓斗接觸料面向左側(cè)傾斜時(shí)，抓斗會(huì)帶動(dòng)鋼絲繩向左側(cè)傾斜，鋼絲繩會(huì)碰觸到左側(cè)糾偏檢測(cè)桿，觸發(fā)左糾偏信號(hào)，程序給出大車偏移指令，模仿人工向左側(cè)移動(dòng)，使鋼絲繩垂直，達(dá)到糾偏效果[5]。

當(dāng)料面坡度太大導(dǎo)致抓斗接觸料面時(shí)抓斗完全傾倒，糾偏功能還未發(fā)揮作用，卷筒上鋼絲繩就已經(jīng)滑落至卷筒與減速機(jī)縫隙中，此時(shí)行車動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。我們?cè)诰硗捕祟^增加環(huán)形阻擋，避免鋼絲繩滑落，再配合糾偏功能，較好的解決了這個(gè)難題。

3.2 解決受料斗堵料問題

新冶鋼無人行車將物料從庫區(qū)內(nèi)抓取后，放至受料斗中。部分物料的特性，在受料斗口格柵處易粘連堵塞（格柵作用是過濾物料中的大塊雜物，防止雜物撕裂下方皮帶），改造前行車在格柵上反復(fù)抓取丟放消除堵塞，易損壞格柵和抓斗，無法消除的，由人工拿鐵釬疏通，環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

在改造過程中，設(shè)計(jì)了格柵振動(dòng)裝置，并與行車系統(tǒng)進(jìn)行連鎖，當(dāng)抓斗在格柵上方放料時(shí)，格柵振動(dòng)裝置啟動(dòng)，物料很順利通過格柵，行車放料完畢停止振動(dòng)。通過增加格柵振動(dòng)裝置，減少了反復(fù)抓取丟放動(dòng)作，提高了行車效率，避免格柵和抓斗損壞，也降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

格柵振動(dòng)裝置：1- 格柵加焊扭腿；2- 扭腿下加彈簧；3- 振動(dòng)電機(jī)。見圖4、圖5。

圖4 格柵震動(dòng)裝置- 整體

圖5 格柵震動(dòng)裝置- 扭腿

4 無人抓斗行車的特點(diǎn)

從工作環(huán)境看，四繩抓斗行車多應(yīng)用于抓取煤粉、水渣、礦石等惡劣工況，現(xiàn)場(chǎng)存在霧大或者粉塵較多。從設(shè)備角度看，智能抓斗行車與智能夾具行車不同在于：（1） 抓斗在工作種中埋沒入物料或水渣中，不能安裝類似于智能夾具上的傳感器檢測(cè)抓斗狀態(tài)。（2） 抓斗行車是雙電機(jī)卷筒驅(qū)動(dòng)，抓斗在抓取物料過程中，要保持四繩受力均勻，物料不灑漏。

在設(shè)計(jì)過程中考慮這一特點(diǎn)，將檢測(cè)元件上移至行車上，通過電機(jī)電流、抓取物料重量及鋼絲繩長(zhǎng)檢測(cè)，結(jié)合智能算法，解決了抓斗狀態(tài)檢測(cè)，四繩控制配合的問題。另外，無人行車還有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

4.1 安全性高

新增多重檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)分級(jí)保護(hù)：

（1） 一級(jí)防護(hù)：程序設(shè)置軟限位，劃定X、Y、Z軸工作范圍，程序自檢，按設(shè)定程序自動(dòng)處理。

（2） 二級(jí)防護(hù)：硬件設(shè)置電氣防撞、減速位、極限位，觸發(fā)報(bào)警，人工復(fù)位。

（3） 三級(jí)防護(hù)：兩側(cè)安裝機(jī)械防撞、門限位、急停等，觸發(fā)報(bào)警，人工現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位。

4.2 開放性

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用開放式的結(jié)構(gòu)，具有極大的靈活性、可擴(kuò)展性；采用與現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)一致的系統(tǒng)總線，確保系統(tǒng)的高效I/O 處理能力，系統(tǒng)采用市場(chǎng)通用備件，無專屬板卡。

4.3 易操作與維護(hù)

畫面動(dòng)畫顯示，簡(jiǎn)單直觀，易于操作。故障信息準(zhǔn)確細(xì)化，減少故障查找時(shí)間，設(shè)計(jì)規(guī)范，維護(hù)簡(jiǎn)單。

5 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)原料作業(yè)區(qū)行車無人化作業(yè)，可有效解決工位的痛點(diǎn)問題，改善勞動(dòng)環(huán)境；通過設(shè)備提升，控制曲線平滑，降低設(shè)備損壞率及設(shè)備維護(hù)成本；通過集中監(jiān)控，可降本增效，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。