中試冶金天車的自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐探討

劉海峰，孫立紅，張燦

（河鋼集團(tuán)河鋼鋼研總院中試試驗(yàn)研究所，河北 石家莊 050000）

天車作為冶金工廠物流中重要的組成部分，是工業(yè)4.0升級(jí)中必不可少的一環(huán)，吊運(yùn)任務(wù)繁重、工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行人工成本高昂，對(duì)天車的自動(dòng)化升級(jí)勢(shì)在必行。

本文主要綜述冶金天車發(fā)展的未來方向和特點(diǎn)，闡述其智能無人化中的關(guān)鍵技術(shù)；同時(shí)介紹了在河鋼鋼研院中試工廠已投運(yùn)的一部冶金天車的初步無人自動(dòng)控制改造案例，展示了一套低成本的冶金天車自動(dòng)控制的方案，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 智能無人天車的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展方向

智能無人起重機(jī)在港口應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。幾乎在全球各地港口都可以看到，從上海羅涇港、天津港、到韓國(guó)釜山新港、臺(tái)灣臺(tái)北港等。具體來看，港口裝設(shè)有全自動(dòng)卸船機(jī)、全自動(dòng)堆取料機(jī)和全自動(dòng)裝船機(jī)等，皆可透過遠(yuǎn)程中控室進(jìn)行監(jiān)控。

在大型物流倉庫也有無人天車自動(dòng)存取貨物，河鋼集團(tuán)唐鋼微爾自動(dòng)化公司與韓國(guó)浦項(xiàng)ICT公司合作研發(fā)的唐鋼高強(qiáng)汽車板項(xiàng)目軋后庫無人天車系統(tǒng)已調(diào)試成功，據(jù)悉，該系統(tǒng)在唐鋼高強(qiáng)汽車板項(xiàng)目投入使用后，將使天車操作人員和庫區(qū)管理人員減少70%以上，顯著提高人工勞效。寶鋼運(yùn)輸部和寶信軟件聯(lián)合研發(fā)的鋼制品無人倉庫系統(tǒng)也已投入運(yùn)行。這些系統(tǒng)主要內(nèi)容有倉庫管理信息化ERP系統(tǒng)、物料輸送堆取無人化。

但是，在工廠生產(chǎn)車間智能無人天車尚無應(yīng)用。這是由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜、環(huán)境惡劣，安全要求高。尤其在冶金車間由于電磁干擾等現(xiàn)場(chǎng)條件受限檢測(cè)功能不好實(shí)現(xiàn)，天車定位、控制存在難度，但在鋼鐵產(chǎn)線無人天車有大量應(yīng)用需求，比如高爐沖渣系統(tǒng)自動(dòng)抓渣、煉鋼線自動(dòng)吊運(yùn)鋼水、軋鋼原料跨自動(dòng)吊運(yùn)鋼坯等等，所以開展此課題研究非常必要。

國(guó)內(nèi)外著名的自動(dòng)化公司西門子、ABB、GE等也在研發(fā)工廠天車專家系統(tǒng)等智能控制技術(shù)，有一些成果，未見有實(shí)際應(yīng)用。我國(guó)整體起重機(jī)械行業(yè)的自動(dòng)化應(yīng)用總體水平還不高，智能化也剛剛起步，處于研發(fā)階段。但無論是起重機(jī)械生產(chǎn)廠商還是起重機(jī)械用戶，都逐漸認(rèn)識(shí)到應(yīng)用自動(dòng)化智能化產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)所在。自動(dòng)化智能化起重機(jī)應(yīng)用潛力非常巨大，前景也十分廣闊。

智能無人天車就是把一些人工智能技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)、通訊技術(shù)應(yīng)用于天車，使天車具有自動(dòng)識(shí)別周圍環(huán)境能力，模擬人的操作、自動(dòng)起吊運(yùn)送物料。智能無人天車技術(shù)涉及以下方面：（1）基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制自動(dòng)化系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)；（2）無線通訊傳輸系統(tǒng)；（3）智能系統(tǒng)：天車能夠具有人的視覺，能夠識(shí)別貨物及周圍環(huán)境，具有人的判斷決策能力，規(guī)劃行走路線，防止碰撞，自動(dòng)行走。能夠自動(dòng)抓取、存放貨物；（4）工廠信息化智能制造系統(tǒng)等。

本次案例研究?jī)H僅涉及第一、第二及第三中的部分內(nèi)容。著眼于智慧工廠的遠(yuǎn)景設(shè)置，針對(duì)中試天車，研究開發(fā)中試天車控制系統(tǒng)，改善控制效果，以安全、平穩(wěn)、自動(dòng)、智能為目標(biāo)，提高自動(dòng)化水平，逐步實(shí)現(xiàn)智能化、無人化。

2 中試冶金天車的改造案例

項(xiàng)目總體技術(shù)思路：著眼于智慧工廠的遠(yuǎn)景設(shè)置，數(shù)據(jù)化中試冶煉工廠，以中試天車為對(duì)象研發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以安全、平穩(wěn)、自動(dòng)、智能為目標(biāo)，使得天車具備自我判斷自我識(shí)別周圍環(huán)境，提高天車自動(dòng)化水平，逐步實(shí)現(xiàn)無人化、智能化。

改造的主要關(guān)鍵技術(shù)：本次課題涉及研究了天車三維立體位置檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，研究了天車傳動(dòng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走，規(guī)劃工藝目標(biāo)：中試煉鋼跨10T天車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)定點(diǎn)吊裝，即吊運(yùn)物料從當(dāng)前位置自動(dòng)平穩(wěn)地行走至目標(biāo)位置。根據(jù)工藝目標(biāo)，本次主要研究天車三維立體位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位：研究了天車傳動(dòng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)行走。涉及以下兩項(xiàng)技術(shù)：（1）天車位置控制技術(shù)：目的是實(shí)現(xiàn)天車自動(dòng)三維立體定位。（2）天車吊鉤防擺控制技術(shù)：目的是實(shí)現(xiàn)天車平穩(wěn)啟停運(yùn)行。

具體技術(shù)路線如下闡述：

（1）三維工廠立體空間的建立：精確檢測(cè)位置是控制的基礎(chǔ)，研究了激光位置傳感器、光電傳感器、編碼器、編碼尺及射頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了適合中試工廠工況的編碼尺檢測(cè)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)天車三維立體精確定位；天車三維立體定位，即要確定大車、小車、吊鉤在廠房的立體位置，并將其信息傳送到控制器，在操作界面實(shí)時(shí)顯示天車三維位置坐標(biāo)。

在車間三維立體空間內(nèi)定位天車即物料位置，如圖1設(shè)定大車位置為X坐標(biāo)，小車位置為Y坐標(biāo)，吊鉤位置為Z坐標(biāo)。大小車位置檢測(cè)采用編碼尺檢測(cè)，吊鉤位置檢測(cè)采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)。從控制角度來看，圖2顯示工廠完成了三維動(dòng)態(tài)的建立。

圖1 天車三維體系

圖2 三維數(shù)據(jù)傳入CPU

位置檢測(cè)系統(tǒng)，主要有編碼尺、讀頭、接口模塊、安裝附件等部分構(gòu)成，編碼尺隨行走軌道安裝，讀頭實(shí)時(shí)讀取傳送當(dāng)前位置，避免了傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械誤差定位不準(zhǔn)等問題。無機(jī)械接觸，無磨損，實(shí)時(shí)檢測(cè)，基本不受震動(dòng)、沖擊、灰塵、溫度波動(dòng)的影響，可靠性高，維護(hù)方便，適合冶金企業(yè)工況。編碼尺外形圖見如圖3。在該測(cè)量技術(shù)下工廠轉(zhuǎn)化成為一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)疊加起來的數(shù)據(jù)工廠，如圖4所示。

圖3 編碼尺外形圖

圖4 數(shù)據(jù)化工廠

（2）障礙物自動(dòng)識(shí)別技術(shù)：采用超聲波和光電識(shí)別技術(shù)來防碰撞。天車自動(dòng)識(shí)別障礙物一直是一項(xiàng)技術(shù)難題，也是無人天車技術(shù)從自動(dòng)化到智能化發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)壁壘。該研究利用超聲波技術(shù)研發(fā)了這樣一套裝置：水平識(shí)別障礙依靠固定在天車鉤頭上方平臺(tái)水平四個(gè)方向的超聲波傳感器（標(biāo)記1）檢測(cè)識(shí)別，如圖5所示，垂直識(shí)別障礙依靠固定在天車鉤頭上方平臺(tái)呈圓形垂直均勻分布的若干個(gè)光電波傳感器（標(biāo)記2）檢測(cè)識(shí)別，如圖6所示。上述傳感器均為漫反射型。傳感器通過模擬量信號(hào)接口將距離信息發(fā)送至PLC系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋檢測(cè)到得障礙物位置信息，天車提前作出準(zhǔn)確反應(yīng)，確保安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 水平方向的超聲波檢測(cè)

圖6 垂直方向的光電檢測(cè)

（3）電氣傳動(dòng)控制技術(shù)：大多數(shù)工廠天車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用繞線電機(jī)，采用轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動(dòng)、調(diào)速，存在啟停行走不平穩(wěn)、吊鉤擺動(dòng)、溜車等問題。如圖7所示將天車改為變頻調(diào)速，用軟啟動(dòng)軟停車及智能控制技術(shù)，一方面實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速，一方面開發(fā)了智能防溜車、防搖擺控制系統(tǒng)，原理如圖8所示。

圖7 電氣傳動(dòng)的改變

圖8 行走的閉環(huán)控制過程

（4）防搖擺技術(shù)：利用變頻器調(diào)速功能，斜坡控制加減速度，即在一定時(shí)間達(dá)到目標(biāo)速度或從運(yùn)行速度降到零速，模擬人工操作經(jīng)驗(yàn)“跟車”。擺動(dòng)根本原因就是因?yàn)閼T性，在啟停過程中物料與天車速度不一致，所以在啟停過程中加一速度干預(yù)、修正（圖9），使物料速度與天車保持一致。具體實(shí)現(xiàn)方法：在天車吊鉤側(cè)面安裝一固定支架，做好隔熱處理，在支架上安裝傾角儀，將傾角儀與PLC連接，吊鉤擺動(dòng)傾角儀得到擺角。吊鉤正向擺動(dòng)時(shí)控制輸出正向點(diǎn)動(dòng)，反向擺動(dòng)時(shí)控制輸出反向點(diǎn)動(dòng)，如此反復(fù)“跟車”，直至擺動(dòng)很小或消除。經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，不斷摸索有效擺長(zhǎng)算法、加減速時(shí)間等有關(guān)參數(shù)，形成平穩(wěn)啟停（圖10），實(shí)際擺角控制在了2°內(nèi)。

圖9 啟停的自動(dòng)速度干預(yù)

圖10 啟動(dòng)效果波形圖

（5）控制中心和無線通信系統(tǒng)：天車的特殊性決定了系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在比較了多款控制器后，自主集成了一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)。主要包括：可編程控制器（PLC）、信號(hào)模塊、移動(dòng)面板（圖11）、PC、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、無線通信模塊、定向天線、編程器以及配套的通信電纜、動(dòng)力電纜等。用西門子博途TIA軟件編寫程序，用硬件PLC、無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制功能目標(biāo)。圖12所示為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖11 組態(tài)的移動(dòng)HMI界面

圖12 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（6）天車運(yùn)行無人化的構(gòu)思：根據(jù)天車使用情況，設(shè)有手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種操作模式，半自動(dòng)即單軸定位，給定某一軸目標(biāo)位置，天車三個(gè)方向上自動(dòng)運(yùn)行走至目標(biāo)位，如圖13所示。全自動(dòng)模式即三軸定位模式：實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸向的定位，并把一次任務(wù)自動(dòng)分解成一個(gè)個(gè)的單軸運(yùn)動(dòng)順序連接動(dòng)作，軌跡實(shí)現(xiàn)了萬能路線。根據(jù)天車任務(wù)多樣性，可設(shè)定任意軌跡安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全車間任意兩點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)，這種構(gòu)思將邏輯控制技術(shù)發(fā)揮得淋漓盡致。操作畫面如圖14所示。

圖13 半自動(dòng)操作畫面

圖14 全自動(dòng)操作畫面

3 實(shí)施情況及效果

前期進(jìn)行了大量的調(diào)研、技術(shù)交流：研究西門子變頻技術(shù)、無線通信技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等，倍加福、西克等傳感器檢測(cè)技術(shù)，唐鋼二冷軋考察等，確定了目標(biāo)、規(guī)劃及初步方案。2017年正式進(jìn)入實(shí)施階段，歷經(jīng)設(shè)備選型、詳細(xì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)訂貨、元器件到貨安裝配柜、打點(diǎn)測(cè)試、初步編程調(diào)試。2017年9月進(jìn)入安裝、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段，組網(wǎng)、設(shè)備安裝、敷線、接線，加班加點(diǎn)，終于提前1個(gè)月完工。2017年11月底經(jīng)特檢院驗(yàn)收、操作培訓(xùn)后交付使用。2018年持續(xù)對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化，開發(fā)了識(shí)別障礙物防碰撞功能。

開發(fā)冶金天車控制技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)：自動(dòng)定位精度誤差小于5mm；吊鉤擺動(dòng)幅度＜2cm，擺角＜2°，如圖15在實(shí)驗(yàn)階段吊運(yùn)滿滿一桶水能一滴不灑落，從而能滿足吊運(yùn)金屬液體鋼包自動(dòng)完成工業(yè)路線的行走如圖16，并有效避開障礙物，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

圖15 自動(dòng)吊運(yùn)水桶

圖16 自動(dòng)吊運(yùn)鋼包

4 結(jié)語

盡管我國(guó)智能天車技術(shù)應(yīng)用總體水平還不高，但無論是生產(chǎn)廠商還是用戶，都逐漸認(rèn)識(shí)到應(yīng)用智能天車的優(yōu)勢(shì)所在。智能天車工廠車間應(yīng)用潛力非常巨大，前景也十分廣闊。國(guó)內(nèi)一些高校、科研院所也在進(jìn)行一些研究。但僅僅限于局部、理論研究，包括此案例也沒能全面研究。一些天車生產(chǎn)制造商，也在研究開發(fā)智能天車，但也尚未有成熟產(chǎn)品大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。