無人行車技術特點及自主研發思路

謝 偉

（昆鋼信息中心）

1 前言

無人行車技術起源于韓國浦項制鐵，2002年第一部無人值守行車研發成功，在浦項制鐵正式投入生產。[1]

行車按機械結構、操作控制方式，有多種分類。按操控方式分類，主要經歷了三個發展階段，第一代為手動駕駛、地面人工指揮調度；第二代為庫區自動化，車上有人駕駛、地面無人指揮調度，實現庫區自動化、信息化；第三代為無人駕駛行車，也稱智能行車，車上、地面均無人，智能化庫存管理系統（WMS）全自動調配行車，自動化、信息化程度高，工作效率高。這里主要研究雙梁式無人駕駛行車的技術特點及自主研發思路。

2 無人行車的操控方式

2.1 產品定位

目前國內大部分鋼廠的行車駕駛仍采用傳統的手動駕駛方式，無人行車因造價較高，產品涉及多項前沿技術，日常使用、維護中的技術要求也較高，國外應用時間不是很長，國內較廣泛應用也是近幾年在技術裝備先進、自主研發創新能力較強的鋼廠才起步不久。

2.2 操控方式分析

單臺無人行車可實現全自動、半自動、HMI手動、現場手動等操作模式，操作人員可以根據生產、設備情況切換操控方式。

2.2.1 現場手動

操作人員在現場行車駕駛室控制行車動作，操作方法與普通行車相同，但設備動作控制由PLC程序實現，因此速度控制、設備定位更靈活可靠，主要用于檢修后試車調試或日常點檢測試。

2.2.2 HMI手動

現場無人，操作人員在控制室通過HMI點擊指令按鈕，控制單臺行車完成大車運行、小車運行、電磁吊（或抓斗）升降、吸放物料（抓斗開閉）等單一動作，設備控制保持必要的機械、電氣安全連鎖，這種模式主要用于設備可靠性檢驗或臨時完成某種特定動作。

2.2.3 半自動

操作人員在HMI上設定好起始位、目標位、提升高度等參數，對單臺行車下達吊運指令，行車按程序自主完成提升、移位、下降、吸取（抓取）物料、再提升、再移位、放置物料等操作，中間過程不需人為干預，主要用于系統局部故障或臨時完成某種特定動作。

2.2.4 全自動

操作人員向行車下達入庫或出庫任務，或直接由MES下達調度指令，行車通過信息系統、智能化檢測設備及算法分析，自動判斷物料位置，確定起始位、目標位、設備動作順序、移動路徑，完成物料搬運工作，這是無人行車正常工作時的主要運行模式。

2.2.5 多臺聯動

由操作人員下達工作任務，或由WMS、MES下達指令，多臺無人行車協同工作完成指定任務，實現聯動。

3 無人行車的設備組成架構分析

設備組成架構分解:單臺行車按控制功能及層次架構，可分解成基礎控制模塊、網絡通訊模塊、防搖控制模塊、料面數據分析、行車精確定位、攝像監控等模塊。其組成架構如圖1所示。

圖1 無人行車功能架構示意圖

3.1 基礎控制模塊

以PLC系統為控制核心，采集操作臺信號、傳感信號，采用現場總線串接編碼器、傳動設備，編程實現行車所有動作的程序控制，達到大小車運行、電磁吊（抓斗）升降、吸放物料（抓取、放置）的快速和精準化。

3.2 網絡通訊模塊

通過地面有線、車載無線網絡系統，連接行車PLC、工業PC、控制室操作站、工程師站，實現行車的遠程操作和控制。

3.3 防搖控制模塊

如圖2所示，防搖擺是智能行車系統的關鍵技術之一，直接關系行車運行的穩定性和效率，通過行車運行各工況下最優控制算法，實現行駛過程擺幅小、速度快的半自動控制。

無人行車系統與傳統行車相比，顯著特性是運行、加速、減速、停止整個過程中主鉤（或抓斗）擺幅小，運行平穩，擺角可控，尤其是在取、放物料時，主鉤（或抓斗）擺角可控制在2度以內，這為行車精確定位、安全取放物料提供了堅實的基礎，有效保障了物料在庫房里的精準碼放和搬運。行車擺角產生的原因主要是受物體慣性的影響，行車在變速運動過程中主鉤（或抓斗）速度變化滯后于大車和小車的速度變化，控制行車擺角就是消除這種速度變化的不同步。[2]

3.4 地面圖像（或料面數據）分析及行車精確定位模塊

采用格雷母線精確定位各行車大小車位置，激光掃描儀、相控陣雷達或工業攝像圖像分析檢測料面，數據通過搭建的有線和無線網絡傳入工業PC，通過數據分析和算法運算，繪制料面3D圖像，給出行車最佳動作路徑并將指令傳遞給車載PLC，實現行車的全自動控制。

3.5 攝像監控模塊

圖2 防搖半自動系統組成架構示意圖

為實現行車的遠程控制，需要實時掌握物料堆放及行車動作情況，現場加裝高清攝像頭，從不同角度監控設備動作，視頻信號接入操作控制室，便于操作員HMI手動、半自動操作，以及全自動時對比3D模擬圖像，便于監控和分析。

4 研發思路

4.1 研發的基本原則

提高自動化、智能化水平的最終目的，應該體現出降本增效、提高勞動生產率、減輕工人勞動強度、提高產品質量，最終取得良好經濟效益或重大社會效益。如果簡單追求技術上的“高、大、上”，投入巨大資金、人力、物力，而最終勞動生產率、質量提升不明顯，或者使用效果不佳、運維水平達不到要求，經濟效益反而下降的前沿技術、裝備可以暫緩，等待時機。

基于以上思路，可以選取投資成本不大、工作模式不太復雜、環境要求不太高的應用場景研發無人行車，先易后難，等尖端技術產品價格下降、自身對各項技術掌握較熟練后，再研究復雜環境的應用。

4.2 應用場景選擇

昆鋼目前在用行車，使用數量較多且工作模式相對固定的，主要在煉鐵煤焦庫、高爐沖渣池、煉鋼及成品庫等現場，用于物料搬運。基于“先易后難、效益優先”原則，可以考慮選擇煤焦庫或高爐沖渣池等雙梁抓斗式行車進行研發，再逐步推廣到其它應用場景。

4.3 煤焦庫行車應用現狀分析

煤焦庫是高爐生產所需燃料的重要轉運站，承擔著高爐冶金焦、噴吹煤的入庫儲存、出庫輸送任務。入庫、出庫物料搬運采用雙梁式行車抓取方式，通過人工在行車上的駕駛室操作，勞動強度大，現場粉塵濃度較高，刺鼻氣味較重，環境差。目前使用的行車型號老舊，配置簡單，電控部分采用切電阻方式進行調速，調速效果不理想，操作不便，且電控系統故障率高。

4.4 煤焦庫行車無人化改造的實施步驟及效益分析

4.4.1 實施步驟

根據目前高爐冶煉強度高、物料輸送任務繁重的現狀，煤焦庫系統首先要確保生產順行，因此每次只能改造一臺行車，待改造后的行車運行穩定，日常操作維護正常化，滿足生產要求后，才有條件改造下一臺，待全部行車單臺改造完成，再實現總體聯動控制。

按照當前生產實際情況，第一步宜先完成1#行車單臺改造及1#行車遠程控制所必須的網絡平臺、操作監控平臺搭建。

4.4.2 單臺行車改造步驟

按照投資收益最大化原則及控制功能層次結構特點，單臺行車技術改造亦分三步進行。第一步，先進行基礎控制模塊、網絡通訊模塊、視頻監控模塊改造，完成后可以實現駕駛室、遠程兩地操作；第二步，在基礎控制模塊調試基本正常時研發防搖控制模塊，完成后可實現半自動方式操作；第三步，待半自動運行穩定、工作效率達到熟練工操作水平后，開發全自動控制模塊。

料面數據分析及行車精確定位模塊（全自動）的開發，可以和生產交叉進行，因此，全自動功能開發可以和下一臺行車的第一步改造同步進行。

4.4.3 效益分析

對高爐煤焦庫現有行車系統進行升級改造，改變操控方式，一方面可以減輕工作人員勞動負荷，改善工作環境，另一方面可以滿足降本增效、提高勞動生產率的要求，具有良好的經濟效益和社會效益。

5 結語

鋼鐵企業無人行車的應用作為智能制造的典型代表，集多項前沿技術于一身，國內研發方興未艾，多種應用場景還有待突破。目前昆鋼自動化、信息化水平與國內先進鋼廠相比還有一定差距，對自主研發的難度和任務艱巨性要有充分的認識。同時，應該抓住有利時機，自主研發，把先進技術掌握在自己手里。