智能化技術在萊鋼型鋼原料場的應用

亓建國，王偉剛

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司，山東 濟南 271104）

原料場作為鋼鐵企業生產流程的源頭，其高效穩定順行是保障下道工序正常生產的前提和基礎。同時，占整個生產成本60%以上的生產原料需經其存儲、加工、處理，所以管理好整個原料場的日常運行，對整個鋼鐵企業極為重要。

萊鋼型鋼原料場包括265燒結一次料場、265燒結混勻料場、400燒結混勻料場、400燒結一次料場和塊礦料場五大部分。料場總占地面積約30萬平方米，封閉環保改造后共有12個料條，年受料總量約1200萬噸。

萊鋼原料場在環保改造同時，從智能化生產的戰略高度對原料物流貯存及輸送等整個生產管控系統進行全面優化升級，建設數字化料場、無人化料場和智慧料場，實現整個原料場的智能化和可視化。

1 系統架構

萊鋼型鋼智能化料場系統包括數字化料場系統、堆取料機自動作業系統和智能物流集中管控系統和智能混勻配料系統四個子系統。

數字化料場系統采用激光掃描技術對料場區域進行三維建模，實時動態顯示料堆實景和數據。對料場進行精細化管理，包含料場信息管理、原料全周期管理。完成原料的作業計劃管理、倉群信息管理、實績報表管理、作業報表編制、自動盤庫等功能。

堆取料機自動作業系統利用料場實時三維建模信息及可靠的檢測傳感設備、高清視頻監控等先進技術，改造優化設備的控制邏輯，建立與流程PLC一體化的網絡架構及管控平臺，依據生產計劃或操作員指令完成堆取料機的自動作業。在整個堆取料作業中，實現堆取料機自動對位、自動堆料、自動切入料堆、自動取料、作業到量自動停止、作業流量的自動控制等功能。

智能物流集中管控系統將流程控制系統分為流程決策系統、流程控制系統和設備控制系統三個功能控制區域，三者之間通過指令傳遞、狀態廣播的方式來實現物料運輸流程的連鎖控制。流程決策系統建立了流程決策選擇模型，能自動生成起點和終點間的所有輸送線路，并根據成本、能耗、時間、線路長度、生產計劃等策略動態決策出最優流程。流程控制系統建立路徑導航模型，實現流程運轉的自動導航和料流信息的自動跟蹤。設備控制系統對控制對象特性進行抽象提煉，實現設備自動運轉的標準化控制。

智能混勻配料系統自動載入混勻配料計劃，根據目標成分值推算各種原料所需的配比，自動生成配槽計劃；系統能根據原料配比實時進行混勻礦成分預測，采用等硅等鐵堆積算法進行模型計算，確保混勻礦成分穩定。

智能化料場的網絡系統接入現有的料場系統，構成完整的原料場基礎自動化及智能化系統網絡。工業以太網將現有機上PLC系統、中控室的遠程作業平臺等系統連接起來，并與現有控制系統對接，實現通信與數據共享。整個網絡分為三層，分別是L1控制網絡（主要傳輸控制信號）、L2信息網絡（主要傳輸信息和圖像信息），視頻網絡（主要傳遞視頻信號）。數字化料場服務器接入L1和L2網絡，用于圖像處理及給堆取料機自動作業系統提供堆形反饋；堆取料機自動作業服務器主要接入L1控制網絡，用于控制料場內的堆取料設備，并與現有的料場基礎自動化通信；智能流程集中管控系統服務器接入L1控制網絡，用于與現有料場的設備PLC通信，控制膠帶機的動作。操作站都接入L1控制網絡，自動作業的操作站還接入視頻網絡，用于實現作業過程的遠程監控。

2 系統功能

2.1 數字化料場系統

數字化料場系統包括料場建模系統與自動盤庫系統。

2.1.1 料場建模系統

通過堆取料機上的成像系統采集料堆的圖像數據，實時獲取料堆動態變化信息，實現對料場和料堆建模。結合動態更新的料堆3D圖像數據，將料堆空間外形尺寸的變化實時動態地通過3D顯示展示出來，形象生動地反應現場作業時料堆的變化。

（1）點云采集：堆取料機車載系統由3D激光成像系統、斗輪前端至料面距離檢測裝置、機身姿態檢測系統等構成。車載前端計算機系統啟動3D掃描系統對原料場進行掃描。3D掃描儀能對物體進行高速高密度測量，輸出三維點云。

（2）點云處理：三維點云是在同一三維空間下表達目標空間分布和目標表面特性的海量點集合。三維點云數據記錄了三維實體采樣點的空間坐標值、顏色值、強度值等，不包含采樣點之間的拓撲關系，降低數據的存儲要求，節省存儲空間。

從點云文件中讀取點云數據后，首先構造一個PCL點云對象。按照要求做濾波除噪、幾何擬合和數據精簡。把處理過的點云數據進行配準拼接得到一個完整的點云數據模型，并存儲到一個新的點云對象中。對配準后的點云數據進行三角網格化，得到實物的網格模型并保存。在點云數據處理流程中，濾波作為點云處理的第一步，對后續的處理操作影響很大。只有在濾波處理中，將噪聲點、離群點、孔洞、數據壓縮等按照后續處理定制，才能更加準確的進行配準、特征提取、曲面重建、可視化等應用處理。

由于測量設備視野上的限制和實物的遮攔，為了得到一個完整的數據模型，需要從不同的視角對實物進行多次測量得到多個三維點云數據，計算出一個合適的坐標變換矩陣，把從不同視角得到的點云數據合并到一個統一的坐標系下，實現點云數據的配準拼接。為了建立點云數據的拓撲關系，需要對點云數據進行曲面重建，準備的表達完整的實物模型。圖1是數字化料場的軟件框架圖。

圖1 數字化料場的軟件框架結構圖

2.1.2 自動盤庫系統

通過圖像切割，在料條中切割出單個料堆。系統對料堆的幾何特征進行分析和提取，識別料堆的輪廓和特征點，通過下面的公式計算料堆的體積，實現自動盤庫。

其中，Ml,rel(x,y)表示第l號料堆的(x,y)坐標的相對地面高度值，Ml,abs(x,y)表示第l號料堆的(x,y)坐標的絕對高度值，Ml,0(x,y)表示第l號料堆的(x,y)坐標的料場地面絕對高度值，V l表示第l號料堆的體積。

2.2 堆取料機自動作業系統

堆取料機自動作業系統能夠實現遠程手動作業和遠程自動作業功能。

（1）遠程手動堆取料操作。遠程手動堆取料操作即為操作員在主控室內利用操作站鍵盤及鼠標結合視頻監控系統進行堆取料作業，其具備的功能如下。①由上位操作界面（HMI）實現堆/取料機行走、回轉、俯仰控制，以及堆/取料機皮帶的遠程控制。②由上位操作界面（HMI）實現堆/取料機正常運行所需的其他機構控制功能。

（2）遠程自動堆料操作。遠程自動堆料是指堆料機按照設定的堆料計劃，實現自動對位、自動移位、自動遛垛等動作，在保留人工干預功能的前提下盡量減少人工的操作。

自動堆料具有的功能如下：①堆取料機自動作業系統服務器接收人機交互界面下發的堆料作業計劃（堆料起始位置，堆高和堆間距等信息）。②分析堆料作業計劃內容，確定堆料模式，生成大機的堆料控制指令。③主控畫面顯示堆料作業控制指令，進行參數修正（包括走行、回旋和俯仰值）。④堆料控制指令下發到大機PLC系統。⑤堆取料機收到堆料作業指令，進行正式作業前的調整工作。⑥堆取料機走行到計劃堆料區域的起始地址，大機各機構作業準備完畢。⑦地面流程啟動，大機具備啟動條件后開始自動堆料作業。⑧自動堆料過程的控制。⑨堆取料機未到達堆積終止地址但物料已堆積完成或堆料作業到達堆積終止地址，堆取料機自動完成堆料作業的處理（含作業完成預警）。⑩堆料接近結束時，自動遛垛處理。

（3）遠程自動取料操作。遠程自動取料是指取料機按照設定的取料計劃，自動對位、自動換層、換槽時自動停止取料及取料機自動作業調度等，達到盡量減少人工參與取料過程的運行。其主要具備的功能如下：①作業計劃的設定與執行。②按照設定參數自動對位、開層、換層。③垛尖、垛邊處理的效率優化。④底層取料的效率優化。⑤塌垛、悶斗及其他特殊情況的處理控制。⑥斗輪過載處理控制。⑦穩定料流優化控制。⑧在特殊情況下，人工可以隨時在中控遠程手動操作。

2.3 智能流程集中管控系統

（1）流程選擇決策。流程選擇決策控制采用最佳路徑算法，根據原料運輸計劃信息、膠帶機設備運轉狀態信息、終點設備運轉狀態信息、設備故障信息、設備檢修計劃以及各種監視信息等，自動檢索系統中起點設備和終點設備之間的所有可用流程，并綜合考慮各流程的屬性，流程選擇決策模型根據生產的需要，動態生成當前請求作業的運轉流程設備組，并下發至流程PLC進行流程控制。

（2）智能流程控制。智能流程控制系統可根據智能物流集中管控及優化的結果，按照操作指令，可完成流程啟動、流程順停、流程緊停、清除緊停、起點切換、終點切換、路徑切換、流程合流、開始給料、停止給料、流程復位、流程預約等控制功能。

2.4 智能混勻配料系統

（1）系統概述。將混勻配料系統整體納入到原料場中控主工藝系統，統一操作，實現設備控制和過程數據聯動。智能混勻配料管控系統軟硬件設備與智能流程集中管控系統共用。

（2）系統功能。智能混勻配料管控系統實時監控配料過程數據，依靠模型計算數據驅動圓盤給料機運行。其主要功能如下：①混勻計劃管理。②混勻計劃自動載入執行。③混勻分組計劃自動編制。④裝槽作業執行。⑤混勻配料槽監視。⑥堆積過程數據實時采集。⑦SiO2、TFe在線監視。⑧配料過程模型計算及控制。

3 應用效果

智能化料場改造前，要用人工進行測繪料堆輪廓和人工盤庫，改造后使用3D激光掃描進行盤庫，改造后的效率更高，提升90%，對比如圖2所示。

圖2 數字化料場系統實施前后對比圖

智能化料場改造前，需要單人在堆取料機上手動作業，工況惡劣；改造后操作人員在中控室進行遠程操控和自動作業，改善工作環境，減少勞動定員60%，提升作業效率30%。

智能化料場改造前，物料輸送系統采用固定流程方式開發，系統開發和調試周期長，后期維護難度大，操作員需要將輸送線路熟記才能使用系統；改造后使用自由流程集中管控，系統調試周期大大縮短，后期若設備改造僅僅調整設備配置信息即可，操作員選擇輸送起點和終點后系統自動推薦節能及最短的線路。

智能化料場改造前，混勻配料系統為獨立系統，與主工藝系統沒有形成聯動，系統完全依靠人操作；改造后使用智能混勻配料管控，用混勻配料計劃數據和采集的實際配料數據驅動計算并動態管控整個配料過程，將SiO2及TFe控制在允許的范圍內，提高了混勻料成分的穩定。

4 結論

萊鋼型鋼公司的料場使用3D激光掃描、高精度儀表檢測和智能控制等技術手段實現料場數字化、堆取料機自動作業和流程集中管控，改善勞動環境，降低勞動強度，優化勞動定員，提高作業效率，提升了料場管理和運營水平。