智能起重機在現代物流園中的應用

彭恢攀

摘 要：起重機作為現代生產領域中的重要工具，在各行各業得到了廣泛應用。隨著智能制造發展規劃的穩步推進，裝備的智能化、無人化已經成為一種時代趨勢。為了順應鋼鐵智能制造發展趨勢，某鋼鐵公司將物流園定位為現代化全智能的鋼鐵物流園。庫區內負責貨品吊裝的起重機采用智能化技術與上層管理系統進行全方位的智能交互與連接，項目投產后將實現庫區的無人化運行。

關鍵詞：機器視覺;三維定位;防搖擺;狀態監控;無線通信

中圖分類號：TH21 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0007-04

Abstract： As an important tool in the production field， cranes are widely used in various industries. With the steady advancement of the intelligent manufacturing development plan， the intelligent and unmanned equipment is an irreversible trend. In order to meet the development needs of iron and steel intelligent manufacturing， an iron and steel company positioned the logistics park as a modern and intelligent iron and steel logistics park. The cranes responsible for lifting goods in the warehouse use intelligent means， and the cranes and the upper management system carry out all-round intelligent interaction and connection， After the project is put into production， the reservoir area will be unmanned.

Keywords： machine vision;three-dimensional positioning;anti-sway;status monitoring;wireless communication

1 庫區概況

廠房共設5個區，其中2個為線材庫，3個為棒材庫。庫容設計為1.5×105 t，年吞吐量為2.0×106 t，每個庫內設置2臺起重機。物料運輸采用汽車運輸的方式，當汽車載貨到庫區裝卸工位后，起重機將汽車上的貨物逐次吊運下來，并擺放到指定垛位。當需要將庫區內的貨物運輸出去時，空車停到庫區裝卸工位，起重機將庫區內貨物吊運到汽車上，再由汽車運輸出去。庫區基本規劃如圖1所示。

2 智能化應用

目前，雖然國內的系統集成商和設備制造商落地的智能化產品逐步增多，可應用于各種特殊場景，但對智能化系統在鋼鐵冶煉領域的應用還處在研究探索階段，尤其是幾大核心系統的突破。在現有的自動化基礎上，智能起重機最核心的系統主要包括機器視覺識別系統、三維空間定位系統、防搖擺系統、狀態監控系統以及無線通信系統等。精確識別、準確定位、高效防搖、穩定網絡以及安全監控保護，每一項內容都是智能起重機的基本要求[1]。在現有技術的基礎上，智能起重機借助智能控制技術、自動化技術、信息化技術以及互聯網技術等，形成了一套完整的起重機智能化管控平臺。

2.1 機器視覺識別系統

在智能化應用場景中，各種貨物信息的識別、檢驗以及反饋是實現起重機自動吊裝的關鍵。準確識別車輛、物料、垛位等，不僅決定著起重機工作的可靠性，而且為起重機的控制系統提供了有效的運動目標和目的地等重要的空間坐標參數。本項目的機器視覺識別系統采用當前相對成熟的3D掃描儀系統構建。利用成熟的激光飛行原理和多重回波技術實現非接觸檢測，能夠準確檢測到物體邊沿幾何尺寸和空間距離[2]。在庫區頂部和起重機橫梁上安裝3D掃描儀，分別對庫區垛位、裝卸工位、車輛意見貨品的幾何尺寸和位置坐標進行分析定位，可為起重機控制系統提供基礎數據。起重機系統根據掃描儀反饋的空間參數，并結合接收到的目標指令進行貨品的抓取等作業。3D掃描抗干擾能力強（通過內部濾波和多重回波），測量距離遠（約60 m），能夠根據實際情況設置掃描區域等。車輛及貨品掃描圖像如圖2所示。

2.2 三維空間定位系統

起重機三維定位系統的精確度不僅影響起重機工作的安全性，也影響防搖擺系統的準確性。本項目采用編碼尺和編碼器相結合的方式對起重機的大車（[X]方向）、小車（[Y]方向）以及升降（[Z]方向）進行測距和定位。其中，大小車采用編碼尺方式，升降采用多圈絕對值編碼器方式。編碼尺選用不銹鋼材質，沿著大車和小車的運行軌道鋪設，與軌道保持相同的水平度和高低差。起升高度定位采用絕對值編碼器，其安裝在卷筒尾部，通過編碼器記錄旋轉圈數，進而換算為起升高度，數值準確可靠。為減少鋼絲繩拉長和減速機嚙合帶來的誤差，每次起升到位后使用接近開關重新標定編碼器零點，確保誤差始終處于可控范圍內。定位系統設備與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）之間采用ProfiNet總線通信，數據傳輸準確可靠。三維定位示意圖如圖3所示。

2.3 防搖擺系統

吊物通過鋼絲繩與起重機連接，其運動總是落后于起重機，導致起重機與吊物之間總是存在一個夾角。在起重機加減速的過程中，吊物在重力作用下會出現來回搖擺的現象，難以快速穩定就位。所以，防搖擺技術一直是智能起重機系統中的關鍵技術，對起重機的平穩、高效運行起著關鍵作用[3]。隨著技術的研發和升級，電氣防搖擺系統成為當前使用頻率最高、防搖擺效率最好且對起重機本身機械結構沖擊最小的系統。本次項目采用的電氣防搖擺系統，其大小車和起升機構本身附帶專業防搖卡的變頻器控制，然后結合PLC組成防搖擺系統的核心系統。

本次項目采用當前最常用、最經濟高效的開環控制防搖擺系統，無須角度測量反饋裝置，直接通過控制算法實現防搖效果。起重機大車、小車的走行驅動系統均采用變頻器驅動，并在大車機構、小車機構以及起升裝置上安裝旋轉編碼器來分別測量大車速度、小車速度以及起升裝置的實時高度。根據起重機的作業指令、實際運行速度以及擺繩長度等數據計算角度變化，再通過鐘擺模型計算當前所需要的大小車速度值。PLC將處理后的給定值發送給傳動機構，實時調整給定的加速值或減速值來抵消和限制擺動角度，在起重機到達目標位置時停止調整并實現平穩靜止。防搖擺系統結構如圖4所示。

防搖擺系統調試完成后，起重機整體運行噪聲降低，減少擺動幅度約94%，生產效率提高約34%，且在短時間內實現了精確定位，實現了起重機的安全平穩運行。

2.4 狀態監控系統

狀態監控是起重機無人化系統中必不可少的環節，對起重機進行工況監測和視頻監控，有助于實時掌握起重機的運行狀態和操作情況。相關數據通過網絡傳輸到地面服務器，從而實現行車與地面的信息同步。

工況監測主要是保證起重機的安全穩定運行，并對運行數據進行采集和監控。通過搭建無線網絡傳輸系統，將起重機的大車、小車以及起升裝置的空間位置、質量、限位、制動器狀態、相鄰起重機的安全距離、聯鎖保護裝置狀態以及故障報警等信息傳輸到地面的中控室電腦端，并生成記錄曲線，以便主控人員和運維人員評估起重機的工作狀態[4]。當起重機運行發生故障時，監測系統一方面要第一時間通過報警鈴聲和畫面警示的方式提醒中控人員，另一方面要快速生成應對方案供維檢人員參考，以快速解決問題。起重機工況監測畫面如圖5所示。

視頻監控是為了實時查看起重機的工作情況。在起重機端梁兩側的小車等位置安裝多個具有400萬像素的高清攝像機，對起重機大車運行的兩側，小車運行的軌道、吊具、司機室，起重機走道以及電氣室內部等位置進行視頻監控，方便主控人員隨時掌握起重機周邊、本體、電氣室、吊具、吊物以及地面的實時情況，避免無關人員誤入庫區、軌道或通廊。攝像機將視頻信號采集到起重機的硬盤錄像機，同時將實時信號傳輸回地面的視頻服務器進行存儲和監視。

2.5 無線通信系統

為了確保起重機系統的穩定運行，無線傳輸系統采用專網專用的方式。每臺起重機上均設有兩套無線系統，一套用于起重機控制系統及工況監測數據傳輸，另一套用于視頻系統信號傳輸。起重機本體控制系統與地面服務器以及上層倉庫管理系統（Warehouse Management System，WMS）數據交換所需的數據發送、接收器件，采用西門子的漏波電纜傳輸方案。其不僅能夠在覆蓋范圍內實現控制和設定，而且傳輸過程無接觸，避免了磨損問題，還解決了傳統拖纜和滑線通信數據有限、投資高、易損壞以及傳統無線傳輸閃斷、延遲、可靠性低等問題[5]。漏波電纜傳輸設備由SCALANCE W無線接入點、RCoax漏波電纜、光電轉換模塊以及電源模塊等組成，每根RCoax漏波電纜長度不超過200 m。無線接入點統一采用W788-2 M12雙無線網卡的IWLAN接入點，帶有6個N型接口，可自由選擇2.4 GHz/5 GHz的工業無線局域網，傳輸速率最高可達到450 Mb/s。

在大車軌道一側鋪設漏波電纜，通過柔性饋線進入每段漏波電纜終端的控制信號接線箱，進而接入無線接入點。控制無線信號通過電/光轉換模塊輸出光纖進入軌道一側的控制集中接線箱，再利用光纖傳輸到地面中控系統。信號接進安裝在廠房內的無線接入點，無線接入點經光纖同地面中控系統進行組網。起重機及中控室可通過無線裝置進行交互，兩者之間的通信連接滿足安全、高效的設計需求，且帶寬足夠多臺設備同時使用。它的漏波電纜傳輸方案如圖6所示。

3 結語

本次項目的探討和研究具有重要的理論意義和實踐意義，為現代化智能工廠的實現提供了一條有效的技術途徑。庫區無人化作業后，實現了安全生產和低碳高效運行。智能化行車雖然前期投資較大，但帶來了可觀的效益。第一，所有設備均實現自動控制，基本不存在機械沖擊，能夠有效延長機械設備的使用壽命。第二，完善的設備生命周期管理和監控系統能夠有針對性地提高起重機的性能，并保證起重機的安全運行。第三，自動點檢和潤滑系統能夠確保設備長期穩定運行，大幅降低運維費用。第四，采用自動化操作可避免人工操作失誤情況的發生，降低設備故障率。第五，通過遠程監測和大數據統計分析能夠實現對設備的預防性維修，避免設備故障耽誤工作進度而帶來的經濟損失。第六，對專業的起重機操作員需求減少，節約了人力成本。第七，設備平穩運行，減少了震動、抖動以及沖擊現象的發生，進一步降低了車間噪聲，創造了良好的工作環境。目前，該智能車處于調試試用階段，后續將持續跟進和研究智能起重機在棒線材庫區的使用情況。

參考文獻：

[1]馬文.無人智能冶金起重機視頻監控系統[J].機械工程與自動化，2021（2）：157-159.

[2]馬文波.智能起重機自動化控制系統的優勢分析[J].科學與信息化，2021（18）：106-111.

[3]鄭亮.簡析PLC在起重機智能控制中的應用[J].科學與財富，2020（1）：92.

[4]周奇才，趙科淵，熊肖磊，等.無人化橋式起重機控制關鍵技術研究[J].起重運輸機械，2020（20）：128-133.

[5]張曉利.試析智能化電子控制系統在大型起重機中的應用[J].科學與財富，2020（11）：67.