行車無人化技術在山鋼日照公司的發展與應用

白旭聰，殷世宏

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

1 前言

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式［1］。根據行業的特點與業務的需求，準確地找到智能制造在中國鋼鐵工業中的應用場景，使智能制造在中國鋼鐵行業中體現出價值［2］，是當前智能制造在鋼鐵行業的探索目標。目前行車無人化已成為鋼鐵企業智能制造的重要手段之一。自2000年左右韓國浦項制鐵首次上線無人行車以來，陸續升級了上百余套無人行車。寶武集團、首鋼、山鋼等企業也相繼進行了行車的無人化升級。本文將介紹山東鋼鐵集團日照有限公司（以下簡稱日照公司）對行車無人化技術的應用情況。

2 行車無人化技術應用情況

工業化的發展離不開信息化的支撐，兩化深度融合是保障工藝控制先進水平及運行管理高效的關鍵。因此，日照公司成立初期即確立了發展智能化產業園區的目標，在提高勞動生產率和管理水平，滿足生產控制精度需求等目標的基礎上，探索并嘗試進一步與人工智能技術相融合，逐步提升公司的智能化水平，從而實現多方向、多維度的突破。

隨著生產節奏的不斷加快，對現場行車設備的運行效率提出了更高的要求，有人行車逐漸不能適應生產的需求。日照公司結合當前鋼鐵行業的發展趨勢，實施行車無人化技術，在當前日照公司信息化系統的多層架構下，從單個庫區進行試點，逐步推動周圍庫區的行車無人化升級。目前，日照公司已于冷軋廠軋后庫與酸洗成品庫推行無人行車2 a有余，行車24 h進行全自動無人化作業，顯著提高了生產效率，真正達成了減員增效的效果。

3 關鍵技術

隨著行車自動化技術的不斷發展，第三代行車技術逐漸成熟，相較前一代行車技術，其對信息采集的自動化要求更高。行車無人化技術利用行車定位系統自動完成行車位置信息采集；通過檢測主鉤位置和重量等信息，自動判斷行車的位置以及吊放卷狀態；自動將行車定位、吊卷判斷、行車狀態、行車執行等信息發送給庫區管理系統。庫區管理系統按照規則并配合現場需求下達吊運指令，行車按照指令自動進行吊運工作，行車定位系統實時反饋位置信息，同時車載終端將操作執行結果返回庫區管理系統，從而實現了信息流轉。

作為智能制造在日照公司的先行探索項目，需要解決和克服很多關鍵技術問題，下面介紹3項為無人行車系統打下堅實基礎的關鍵技術。

3.1 裝卸車之鋼卷掃描

鋼卷的裝卸車運輸是無人行車作業的一個重要環節，在行車作業從有人向無人的轉變中，如何識別鋼卷的規格成為其關鍵環節。行車三軸定位是指無人行車系統中的大車、小車和主鉤相互配合，能夠準確識別鞍座位置并自動運行到目標位置執行取卷或放卷操作［3］。日照公司兩庫區的無人行車采用了三軸聯合定位鞍座，以三維成像的技術進行鋼卷掃描，將所得數據經預處理、分塊、特征提取等流程，從而計算出鋼卷的規格。

如圖1所示，將社會車輛停泊的區域設定為掃描區域，掃描區域的兩邊分別平行于行車大車、小車的行駛方向，并且社會車輛停靠方向與掃描區域邊界平行。云臺驅動激光掃描儀安裝在掃描區域上方，其掃描平面垂直于行車小車運行方向。將云臺起始旋轉角度定位到掃描起始點S，沿E 方向旋轉云臺，激光掃描面從起點S 出發向終點E 行駛過程中實時掃描整個區域，得到由n個點組成的三維點云數據，將點云數據統一到行車坐標系OXcYcZc。

圖1 鋼卷掃描演示

在基于激光掃描的目標識別與提取的過程中，通過數據預處理之后，根據不同的應用計算場景需要將三維點云數據進行分塊，劃分成具有不同曲面片的數據子集，具體針對不同場景進行數據分塊。如圖2 所示，X、Y向平面截取，對掃描儀旋轉過程中的掃描平面中的數據點進行指定范圍區間內的Z等高線截取。從每個掃描平面截取出的直線為等高直線，遍歷所有直線。根據直線的相鄰相接特征組合成若干等高平面，各個平面即為劃分出的若干數據塊，從而計算鋼卷中心點X，Y值。同理，如圖3所示，Y，Z向平面截取，對掃描儀旋轉過程中的掃描平面中的數據點進行指定范圍區間內的X等高線截取，從每個掃描平面截取出的直線為等X直線，遍歷所有直線，根據直線的相鄰相接特征組合成若干等X平面，各個平面即為劃分出的若干數據塊，以此計算鋼卷中心點Y，Z值。

圖2 鋼卷x、y值遍歷

圖3 鋼卷y、z值遍歷

3.2 運行邏輯及防搖

控制吊具搖擺幅度，保證鋼卷安全運輸，是行車無人化的又一個難題。無人行車控制系統采用工業無線局域網通信技術進行數據交換與控制，采用感應無線編碼電纜技術，檢測庫房天車地址，控制天車自動走行，系統自動形成計劃及目標位置并發送給行車，行車上自動化控制系統進行吊裝作業［4-5］。

行車的運行類似單擺運動。夾鉗擺動是由于小車與夾鉗通過柔性鋼絲繩連接隨大、小車的運動而產生。為了準確快速的把物料搬運到目標位置，通過控制行車的加減速度及速度，可減小夾鉗的擺動角度，見圖4。日照公司兩庫區的無人行車防搖控制采用閉環防搖的方式，變頻器驅動電機牽引大、小車在軌道上運動，在對行車大、小車運行速度控制的基礎上，通過增加對夾鉗擺角的檢測反饋，對設定的控制曲線進行補償，從而實現平穩高速行走。防搖算法集成于電氣艙內的防搖控制器上。

圖4 行車運行示意圖

在行車向目的位置運行時，通過格雷母線記錄大小車的當前位置，然后根據目的位置和距離，以及行車的加速和減速距離，統籌計算這段運行區間中大小車的最高運行速度以及提前減速運行的位置，然后按照計算速度控制大車進行加速。當加速到指定速度時進行勻速運行；當到達減速位置時將大小車速度降低到對位速度（額定速度的5%）；當距離目標位置約200 mm 時，將大車速度降低到額定速度的2%，直到距離目標位置100 mm時停止大車運行；當距離目標位置約100 mm時，將小車速度降低到額定速度的2%，直到距離目標位置50 mm時停止小車運行。這時利用行車的慣性，行車將準確的停止在目標位置，誤差可以控制在±50 mm，防遙控制由防搖PLC控制完成。

3.3 安全聯鎖

為了保證庫區的安全生產，日照公司的無人行車體系設立了健全的安全聯鎖與警示系統。

安全管理與警示系統主要用于庫區圍欄封閉區域的安全管理、地面人行通道的安全管理、車輛通道安全管理、地面設備聯鎖、禁駛區域管理。該系統采用主從站配置方式，主站位于電氣室，采集庫區封閉管理、地面人行通道管理和車輛通道管理、入口設備聯鎖信號等，檢測安全門限位，并控制各指示燈，同時實現與各機組L1系統、庫區L2和行車系統主機的通訊。

在這套安全體系下，人員進入封閉庫區及行車的吊卸動作與存放鋼卷的設備動作之間，建立了安全聯鎖關系，保障人員安全的同時，防止設備或鋼卷的損傷。同時進入廠房的所有人員必須按照現場的綠色安全通道行走，并按照規定避讓行車。為保證人員安全并給予及時的警示，行車運行路徑與人員運行通道相交處設置了聲光報警指示燈，當行車通過此處時，地面安裝的聲光報警指示燈報警警示，地面同行人員采取避讓措施。

4 成效分析

當前，日照公司行車無人化技術已于冷軋廠軋后庫與酸洗成品庫投用近2 a，運行穩定，實現了庫區內生產作業信息的一體化，建設了與其他各級信息化系統相聯系的智能管控平臺。

在行車無人化技術的加持下，庫存實物與系統數據可實時更新、保持一致，大幅度提高了庫區使用效率和管理效率；存放位置得到優化，增加了約25%的有效倉庫面積，減少倒庫操作；行車的運輸路徑得到優化，減少了鋼卷吊運次數，提高了行車有效作業率，減少了行車的電力消耗；縮短了指令下達時間，提高了行車設備作業率，節省行車運行率約20%，汽車裝運、卸載的等待時間平均減少了約30%；降低了因人工操作失誤而導致的故障率，減少了人工成本。