5G+無人行車在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

供 稿/ 施耐德電氣

IACS無人行車系統(tǒng)是施耐德電氣為鋼鐵行業(yè)打造的全自動起重及智能庫區(qū)管理解決方案。2021年2月，施耐德電氣發(fā)布了5G+無人行車白皮書，并宣布將與中國移動、華為攜手推進(jìn)5G在鋼鐵行業(yè)的商用，助力鋼鐵工廠的智能化改造。

據(jù)悉，2020年中國累計建成5G基站將近72萬座，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域的連續(xù)覆蓋。據(jù)2021年全國工業(yè)和信息化工作會議信息，2021年中國將新建60萬個以上的5G基站。

作為全球能源管理和自動化領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的專家，施耐德電氣基于自身業(yè)務(wù)發(fā)展方向，甄選出10個5G在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用場景，涵蓋了工業(yè)智能制造、起重制造、市政水務(wù)、倉儲物流等諸多領(lǐng)域?；诠I(yè)控制領(lǐng)域的趨勢方向，10個場景可以分為五大類：離散制造行業(yè)的柔性生產(chǎn)、起重運(yùn)輸?shù)纳偃嘶療o人化控制、運(yùn)動控制場景的無線化、OT和IT網(wǎng)絡(luò)融合以及廣域工業(yè)控制系統(tǒng)的無線物聯(lián)。施耐德電氣針對每個應(yīng)用場景的行業(yè)趨勢、典型應(yīng)用場景、技術(shù)要求及挑戰(zhàn)，以及應(yīng)用5G的驅(qū)動力四個方面給出了解讀。

IACS無人行車系統(tǒng)(Integrated Autonomous Crane System) 是施耐德電氣為鋼鐵行業(yè)打造的全自動起重機(jī)及智能庫區(qū)管理解決方案。2021年2月24日，施耐德電氣出席了中國移動在世界移動通信大會（MWC）期間舉辦的2021年GTI國際產(chǎn)業(yè)峰會，發(fā)布了5G+無人行車白皮書，介紹了在推進(jìn)鋼鐵行業(yè)智慧化改造中的思考和實(shí)踐，并宣布將與中國移動、華為攜手推進(jìn)5G在鋼鐵行業(yè)的商用。

無人行車在鋼鐵行業(yè)應(yīng)用場景

一、智能制造為鋼鐵行業(yè)賦能

當(dāng)前，我國雖然已建成全球產(chǎn)業(yè)鏈最完整的鋼鐵工業(yè)體系，但鋼鐵產(chǎn)業(yè)仍面臨產(chǎn)能過剩、降本增效、節(jié)能減排、創(chuàng)新發(fā)展能力不足等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來，我國鋼鐵工業(yè)將進(jìn)入結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級為主的發(fā)展階段。如何利用智能技術(shù)打造“互聯(lián)網(wǎng)+”的產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)體系，推動信息化和工業(yè)化深度融合，構(gòu)建全流程智能制造系統(tǒng)，力促行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，成為鋼鐵企業(yè)關(guān)注的核心。

鋼鐵企業(yè)開展智能制造具有先天優(yōu)勢，推動數(shù)字化對鋼鐵企業(yè)降本增效也有重要意義。首先，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程長，涉及設(shè)備量大，是大數(shù)據(jù)產(chǎn)生及應(yīng)用的典型行業(yè)；其次，鋼鐵行業(yè)流程制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化具有廣泛實(shí)施的可復(fù)制性；最后，鋼鐵行業(yè)具備較為廣泛的自動化基礎(chǔ)，具有良好的抓手。智能制造的實(shí)施有助于鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)全流程降本，提高企業(yè)的生產(chǎn)、管理、研發(fā)能力，助力企業(yè)形成核心競爭優(yōu)勢。

在以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G 為代表的新一代信息技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)下，鋼鐵企業(yè)正在向以智能工廠為載體、以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心、以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)通互聯(lián)為支撐的智能制造模式轉(zhuǎn)型。“其中，無人行車與庫區(qū)的智能化建設(shè)，成為鋼鐵行業(yè)智能工廠建設(shè)極具代表性的一項(xiàng)技術(shù)?！笔┠偷码姎夤I(yè)自動化業(yè)務(wù)部起重行業(yè)架構(gòu)師曹偉在于5月26日舉辦的中國鋼鐵工業(yè)數(shù)字化解決方案高峰論壇上表示，“借助行業(yè)領(lǐng)先的全自動起重及智能庫區(qū)管理解決方案，鋼鐵行業(yè)能夠利用最新技術(shù)實(shí)現(xiàn)庫區(qū)的智能管理、自主決策、自動執(zhí)行和實(shí)時跟蹤，讓庫區(qū)運(yùn)行更加安全、可靠、高效?！?/p>

施耐德電氣工業(yè)自動化業(yè)務(wù)部起重行業(yè)架構(gòu)師曹偉解讀全自動起重及智能庫區(qū)管理解決方案

二、無人行車在鋼鐵工廠的應(yīng)用

1．鋼鐵企業(yè)庫區(qū)運(yùn)行現(xiàn)狀及管理難點(diǎn)

庫區(qū)作為鋼鐵生產(chǎn)流程中物流銜接和生產(chǎn)節(jié)奏控制的重要樞紐，是工廠無人化和智能化建設(shè)的基礎(chǔ)，而行車則是庫區(qū)最重要的執(zhí)行單元。

在傳統(tǒng)的行車吊運(yùn)工作中，一臺行車如果要完成一次鋼卷吊運(yùn)，需要一位機(jī)組操作室通過對講機(jī)和吊運(yùn)計劃單傳遞吊運(yùn)信息，需要一名行車工操控行車，一名庫位工找準(zhǔn)庫位。流程不僅繁復(fù)而且存在人員需求量大、信息丟失、危險系數(shù)高等一系列難題。起重機(jī)作為特種設(shè)備，安全和效率至關(guān)重要，每年仍然有大量的起重行業(yè)相關(guān)的安全事故，造成重大的人員傷亡，設(shè)備損傷和生產(chǎn)損失。

此外，鋼鐵行業(yè)作為勞動密集型行業(yè)，大量的崗位依靠人工，尤其是在庫區(qū)內(nèi)。而人員長時間疲勞作業(yè)，效率低，安全隱患也高。中國人口老齡化以及人工成本不斷增長，給企業(yè)運(yùn)營帶來巨大的壓力，促使企業(yè)逐步使用智能化技術(shù)來替代人工操作。

2.庫區(qū)智能化發(fā)展成為趨勢

隨著數(shù)字化和信息化技術(shù)成熟，智能化的庫區(qū)綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了IT/OT融合，使庫區(qū)離散化的信息實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。庫區(qū)智能化發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段：

階段一：基于CLTS（Crane Location Track System）的庫區(qū)管理系統(tǒng)，即庫區(qū)投入倉庫管理系統(tǒng)WMS，再通過行車的手動吊運(yùn)完成生產(chǎn)作業(yè)，解決了庫區(qū)內(nèi)物料信息需要大量人員手動維護(hù)的問題。

階段二：基于智能行車的庫區(qū)管理系統(tǒng)，即在投入WMS系統(tǒng)后，對行車的自動化進(jìn)行智能化改造，使整個庫區(qū)的作業(yè)實(shí)現(xiàn)完全無人化，解決了CLTS系統(tǒng)行車還需人員操作的問題。

隨著智能行車庫區(qū)管理系統(tǒng)的發(fā)展，行車操作人員和地面管理人員不再需要在庫區(qū)內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)管理，部分人員會在中控室對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控和管理。基于這種方式，大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻畫面信息需要回傳到中控室，對網(wǎng)絡(luò)的帶寬和穩(wěn)定性提出了更高要求。同時，為方便物料搬運(yùn)管理，自動化移動設(shè)備正在增多，也推動部署無線網(wǎng)絡(luò)的訴求增多。

3. IACS無人行車系統(tǒng)及其架構(gòu)

IACS無人行車系統(tǒng)是行業(yè)領(lǐng)先的全自動起重機(jī)及智能庫區(qū)管理解決方案，其組成可以概括為：1個基礎(chǔ)平臺——施耐德電氣EcoStruxure?物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與平臺，4大核心系統(tǒng)——庫區(qū)管理系統(tǒng)WMS、行車自動化控制系統(tǒng)SCAS(Smart Crane Automation System) 、地面控制系統(tǒng)GSC （Ground Control System）、行車監(jiān)控及預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng) - EHE （EcoStruxure? Hoisting Expert）。

IACS將行車自動化控制系統(tǒng)和庫區(qū)管理系統(tǒng)（WMS）有機(jī)整合起來，與客戶的生產(chǎn)管理系統(tǒng)（MES、ERP等）對接，自動生成作業(yè)任務(wù)，根據(jù)人工智能規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)行車智能調(diào)度、垛位合理分配、危險區(qū)域自動避讓及路徑優(yōu)化等功能，自主完成入庫、出庫和倒庫等工作，達(dá)到智能管理、自主決策、自動執(zhí)行、實(shí)時跟蹤為一體的信息流與實(shí)物流高度一致，提升物流和運(yùn)營效率。整個系統(tǒng)更加可靠，并且易于后期維護(hù)，同時縮短了車間現(xiàn)場的改造時間，使項(xiàng)目能夠更快速投入使用。

全自動行車和庫區(qū)智能管理系統(tǒng)的投入，將實(shí)現(xiàn)行車的無人運(yùn)行，在車間經(jīng)過智能改造后，只需要編制好生產(chǎn)計劃、轉(zhuǎn)庫駁運(yùn)計劃，系統(tǒng)就能自動分配任務(wù)并設(shè)定行車行駛路線完成吊運(yùn)作業(yè)，并可24小時不間斷運(yùn)行，提高吊運(yùn)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化和連續(xù)運(yùn)行作業(yè)效率，降低因人為因素造成的停機(jī)時間、往返路程、搜尋時間和倒庫次數(shù)，同時，減少地面工作人員安全隱患。參見表1。

表1 IACS無人行車系統(tǒng)解決鋼鐵企業(yè)行車運(yùn)行維護(hù)難題

三、5G在無人行車的應(yīng)用

1. 行車的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)

行車作為鋼廠生產(chǎn)車間的主要搬運(yùn)設(shè)備，安全性和可靠性至關(guān)重要，其作業(yè)效率將直接影響產(chǎn)能。復(fù)雜的地面情況給設(shè)備的運(yùn)行帶來很多安全問題，每年都會因行車操作方面的問題，導(dǎo)致不同程度的事故，如造成地面機(jī)組設(shè)備損壞，甚至造成人身安全問題。通信網(wǎng)絡(luò)作為行車控制架構(gòu)中的一部分，尤其是在無人行車庫區(qū)管理系統(tǒng)中，起到至關(guān)重要的作用，不僅關(guān)系著系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性，還決定了整個項(xiàng)目的穩(wěn)定性和安全性。

基于這樣的要求，鋼鐵廠無人行車應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)具有一定的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)：

一是控制信號的優(yōu)先級配置或隔離。基于傳統(tǒng)的工業(yè)Wi-Fi的方案，考慮無人行車的安全性和可靠性，將部署兩套Wi-Fi，一套用于自動化控制，另一套用于CCTV（Closed-Circuit Television）遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過這樣的方式隔離了控制和監(jiān)視的通道，避免網(wǎng)絡(luò)通道占用而影響控制信號的實(shí)時性。

二是無線通信的高可靠性和低時延。行車作為特種生產(chǎn)設(shè)備，對無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求也較高。當(dāng)行車吊運(yùn)板坯移動時，不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)將造成行車急停，產(chǎn)生極大安全隱患。同時在地面突發(fā)安全事故前，需要在庫區(qū)內(nèi)或中控室快速中止行車運(yùn)行，確保在事故發(fā)生前停止行車運(yùn)行，避免更多事故發(fā)生?；谶@樣的業(yè)務(wù)訴求，中控室PLC與行車PLC之間通信時延應(yīng)小于50ms，連續(xù)丟包小于3個，平均丟包率小于1%。緊急制動IO與中控室安全PLC之間時延要求10ms。

三是較高的上行速率要求。行車視頻攝像頭通常有2～4個，用于特殊情況下的遠(yuǎn)程操控，故單個無人行車上行帶寬速率要求達(dá)到10Mbps以上。

2.應(yīng)用5G的驅(qū)動力

行車控制系統(tǒng)與地面各系統(tǒng)的通訊可采用有線通訊方式、光通訊或者無線通訊。 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)作為成熟技術(shù)，已經(jīng)在多個無人行車項(xiàng)目中投入使用，也保障了項(xiàng)目的可靠運(yùn)行。具有可控的干擾協(xié)同能力，更容易實(shí)現(xiàn)無人行車系統(tǒng)方案的標(biāo)準(zhǔn)化以及現(xiàn)場快速部署。此外，5G網(wǎng)絡(luò)具有更佳的可靠性和低時延能力，基于5G切片功能能支持一張網(wǎng)一套設(shè)備服務(wù)控制和監(jiān)控兩套系統(tǒng)的要求，這些都更好地適配了無人行車應(yīng)用的需求。

3.5G無人行車典型應(yīng)用場景

鋼鐵廠熱軋車間的板坯庫是無人行車應(yīng)用的典型場景。以某鋼鐵廠為例，為滿足其計劃年產(chǎn)450萬噸新建工程，擬在板坯庫設(shè)計并建設(shè)一套無人全自動行車控制系統(tǒng)IACS（Integrated Autonomous Crane System），對庫內(nèi)復(fù)雜的物料進(jìn)行有效管理，提高物流流通效率，實(shí)現(xiàn)對庫內(nèi)行車吊運(yùn)環(huán)節(jié)的信息化與自動化，保證物流與信息流的一致性。這既做到了減員增效，又大大減少了物料流轉(zhuǎn)過程中人工失誤的概率。

據(jù)悉，施耐德電氣、中國移動與華為聯(lián)合開展了基于施耐德電氣ModBus TCP協(xié)議的控制PLC 5G方案聯(lián)合驗(yàn)證工作。經(jīng)過測試，此聯(lián)合5G解決方案在設(shè)備控制層的無線傳輸具有低延時、可靠性高、安全靈活的特點(diǎn)，可滿足現(xiàn)場無線通訊的需求。后續(xù)三方將在鋼企生產(chǎn)基地實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證。

隨著今后幾年無人行車的發(fā)展、庫區(qū)智能化的不斷推進(jìn)，不僅僅是實(shí)現(xiàn)單個橋式起重機(jī)的無人化控制和單個庫區(qū)不同設(shè)備間的協(xié)同控制，而是整個鋼鐵生產(chǎn)基地的所有板坯庫、鋼卷庫區(qū)與大物流系統(tǒng)的全鏈條協(xié)同，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化工廠。

圖1 5G+IACS無人行車架構(gòu)