冷軋中間庫無人行車智能庫區管理系統的應用

徐朝軍,陳立君

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司冷軋總廠，安徽馬鞍山 243000）

前言

馬鋼冷軋總廠北區中間庫有兩個跨區，承接2130 酸軋線產品、2130 連退線、3#和4#鍍鋅線生產原料以及同南區的交叉物流卷，兩跨之間用一過跨車倒運鋼卷。3 條汽車通道穿越跨區，用于鋼卷、鋅錠和廢料的運輸。庫區平面及工藝流程布置如圖1所示。

圖1 庫區平面及工藝流程布置圖

庫區內行車及過跨車均由人工操作，行車工在完成鋼卷庫位變更后，在原有的庫位管理系統中，手動更新系統的庫位變更情況。庫區行車平均作業率為：2130 酸軋線4 min/卷、3#和4#鍍鋅線20 min/卷、2130 連退線10 min/卷，鋼卷運輸量及人工錄入數據工作量大，勞動強度高，也可能造成庫存信息的不準確、不及時。

為了有效提高中間庫區的利用率、行車作業率和生產效率，降低安全風險，實現物料在企業信息化系統中的閉環管理，減少人工干預環節，優化人力資源，有必要實施無人行車智能庫區管理，以適應智能制造“四個一律”的要求。另外，可通過此項目為試點，推廣公司內部庫區的智能化改造，實現提質創新。

1 技術路線

通過對冷軋北區中間庫進行智能化建設，包括A、B 兩跨4 臺行車無人化自動控制的改造、相關設備及庫區進行適應性改造及新增智能庫位管理WMS系統，將中間庫打造成為精準響應生產需求的自適應智能庫區。基于庫區、設備、人員互聯互通，由智能調度跟蹤系統核心大腦控制，與目前現有的生產管理系統無縫協同，最終具備實時感知、智能分析、智能決策、精確執行等核心功能，成為最優鋼卷倉儲管控庫區。該智能庫區總體設計框架如圖2所示。

圖2 智能庫區總體設計框架圖

建成后的中間庫通過庫區管理系統（WMS）與無人行車自動化系統相配合，并與三級MES 系統及各產線二級系統進行數據信息交換，根據生產和鋼卷倒運的實時需求，通過智能庫區管理系統的優化算法，為每個鋼卷物料選擇最合適的存儲庫位，發出作業指令給無人行車或過跨車，由無人行車或過跨車執行庫區內物流的運轉，從而實現倉儲智能化、庫區無人化、庫存最優化、發運自動化。

2 應用實績

2.1 無人行車自動控制系統

無人行車自動控制系統通過無線網絡接收WMS 系統發送的任務和避讓邏輯實現行車的全自動運行。需要對行車電機、卷筒、變頻器及PLC 控制系統進行針對性的改造，同時，增加行車相應的實時位置檢測裝置，以滿足行車無人化作業的需要，包括：行車傳動系統、PLC 控制系統、三軸定位、防搖控制系統、無線網絡系統、視頻監控系統和吊具夾鉗等設備的改造或增加配置。

（1）行車傳動/PLC控制系統

行車傳動采用西門子SIMATIC 驅動S120 系列變頻器，其中，大車行走電機采用一拖二的方式，由兩臺變頻器采用主從方式控制。小車行走電機及卷揚電機分別由一臺變頻器一對一控制。各傳動電機采用速度閉環矢量控制，可保證良好的控制精度。

行車PLC 控制系統采用西門子1500 系列PLC，從站采用分布式I/O 結構，PLC 和從站之間采用PROFINET 通訊，用于邏輯聯鎖，順序控制、定位控制和傳動設備的控制。

（2）行車三軸定位控制

行車定位是否精確、可靠，直接影響到智能庫區的實際運行效果。由于中間庫環境較好，采用激光測距進行位置檢測。激光測距儀是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器。它在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間，計算出到目標的距離。吊運物的高度是采用卷筒上的編碼器進行檢測。所有位置檢測的結果都進入控制閉環中，確保行車的精確定位。[1]

（3）無人行車防搖控制系統

在行車運行過程中，行車吊具會出現擺動。為提高行車運行效率，采用閉環控制的防搖系統，輔助行車無人化控制系統工作，即在每臺行車上安裝一套西門子自動化防搖Simocrane Censor 系統，包括：防搖控制器SIMOTION C、防搖攝像頭以及反射板，結構圖如圖3 所示。其原理是通過實時掃描行車運行過程中安裝在鉤頭位置的反射板，采集數據，處理集成圖像，計算吊具的擺動幅度，優化、控制與調整行車各傳動機構的加速度/速度，避免行車夾鉗在無人化自動作業過程中的晃動，達到防搖調節的目的。

圖3 防搖控制系統結構圖

（4）數據無線網絡

為實現無人行車智能庫區的功能，在庫區建立一個快速無線通信網絡，以實現行車控制與庫管系統之間數據信息的快速傳遞。

采用SIEMENS 工業級SCALANCE W 無線基站設備構成無線網絡，如圖4所示，包括AP W788-2和AP W748-1，每個AP W788-2 配置一臺光纖交換機，通過Poe 網線連接，AP W788-2 之間和核心交換機之間采用光纖組建環網。系統使用基于5.8 GHz雙頻無線通信模塊的SCALANCE W 設備。每臺SCALANCE W 可以加載兩塊無線通信模塊，即可同時作覆蓋也可以做橋接，可大幅提高單點位置單基站的信號覆蓋區域和覆蓋容量。

圖4 無線網絡配置制圖

（5）智能吊具夾鉗

每臺智能吊具夾鉗包括PLC 控制系統、傳感器、傳感器至傳感器控制盒的電纜、傳感器控制盒（含內部的元器件）等，單套吊具夾鉗包括的傳感器有：檢測卷芯光柵傳感器（3 個）；檢測吊具夾緊鋼卷（2 個）；鋼卷壓下限位（2 個）；檢測夾鉗開度的編碼器，安裝在夾鉗的電機上；檢測夾鉗旋轉的編碼器，安裝在旋轉機構上；防碰撞傳感器（2 個），安裝在夾鉗底部。

2.2 智能庫位管理系統（WMS）功能

智能庫位管理系統（WMS）是無人化智能庫區的核心系統，它與無人行車系統通過實時的無線網絡實現信息的全自動傳遞。智能庫位管理系統包括：鋼卷庫位管理系統、行車智能調度系統。WMS系統與無人行車系統，共同實現庫區鋼卷移動的智能全自動控制、信息及時準確自動傳輸。

WMS 系統擁有獨立數據庫和PC 客戶端，與三級系統創建數據連接，對其所管理的物料的位置進行實時更新。實時展示庫區內的所有庫存、行車、過跨車的動態情況，智能分配行車過跨車的工作任務以及行走路線。

WMS系統結合庫區各產線的工藝生產節奏，以及行車的作業效率進行庫位的匹配。通過產線的生產速度、下線的鋼卷寬度、行車當前的任務執行情況等數據來計算分配庫位以滿足各條產線的穩定生產。為保證庫區運行高效，WMS系統將整個鋼卷庫區劃分為若干區域，每個小的區域帶有若干約束條件和優化存儲策略。在為鋼卷選擇庫位并創建行車作業命令時，進行約束條件和優化存儲策略的運算，使用優化標準篩選出最合適的庫位，最終形成作業命令。

通過WMS 系統的主界面（如圖5 所示），操作人員可以直觀了解到庫內物料情況，在任務頁面還會看到作業計劃以及行車任務安排；同時，實時向系統反饋工作進展和完成情況，特殊情況可以及時對任務安排進行調整。

圖5 WMS系統的主界面圖

2.2.1 鋼卷垛位管理

智能庫區管理系統WMS根據鋼卷堆放數據，對庫區內的垛位進行實時統計，為行車自動化系統推薦垛位提供數據支持。基于優化規則，為每個物料找到最佳存放位置。庫區的每個鞍座都有一個初始位置，在行車放入鋼卷后都會將放置鋼卷的最終位置進行記錄并儲存，以便下次調運鋼卷時準確定位。

2.2.1.1 鋼卷出入庫管理

（1）鋼卷入庫管理

鋼卷酸軋機組下線入庫時，產線二級系統將下線卷信息發給WMS 系統。WMS 系統接收后，根據系統優化規則，生成行車入庫指令，指揮行車自動吊裝鋼卷入庫。同時，WMS 具備手動干預功能，可通過WMS系統客戶端增加、刪除或順序調整下線卷信息，并根據系統優化規則生成行車入庫指令，接收行車確認結果，同時，把結果發送到MES 同步庫存數據。

對于汽運方式入庫的鋼卷，WMS系統提供人機界面，根據車輛識別系統掃描車牌號，識別入庫鋼卷數據信息，借助3D 圖像掃描，WMS 系統根據庫存信息和掃描鋼卷信息自動生成無人行車入庫指令，發送給無人行車系統執行自動入庫操作，并接收行車確認結果，把結果發送到MES 同步庫存數據。其管理流程如圖6所示。

圖6 鋼卷入庫管理流程示意圖

（2）回退卷入庫管理

對于已經出庫進入生產機組步進梁的鋼卷，信息已經從鋼卷庫中去除。但由于存在回退的可能，當需要回退重新入庫時，操作人員可以在WMS客戶端上手動從中找出需要回退的鋼卷，由人工手動操作行車進行鋼卷調運和分配庫位，庫位與鋼卷信息人工更新。

（3）鋼卷移庫管理

由于原料卷入庫與生產計劃和調撥計劃的實時性差異，鋼卷在入庫后還需要再進行一些必要的倒庫操作，以減少后續上料或出庫的操作時間，提高上料和出庫效率。

優化倒庫功能可根據WMS系統收到的計劃，產生倒庫移庫指令,將鋼卷移庫到相應的區域。移庫的命令也可以由操作人員根據實際需要，在WMS操作界面中選擇需要移庫的卷，再選擇目的庫位，形成移庫指令。WMS 系統再把移庫指令發送到無人行車系統執行，系統自動記錄人員操作記錄。

（4）鋼卷出庫管理

當連退、鍍鋅產線入口有鋼卷上卷的需求時，WMS 將自動匹配庫區內的鋼卷信息并自動形成行車運行的命令，行車接受到WMS的命令后即開始執行鋼卷出庫上步進梁。

當有汽車運卷出庫需求時，借助3D 圖像掃描，WMS 庫管系統根據需求信息和掃描鞍座位信息自動生成無人行車出庫指令，發送給無人行車系統執行自動出庫操作。

2.2.1.2 庫存管理

WMS 系統實現物料在庫區流轉過程的全過程跟蹤與查詢，同時分析庫存結構，結合生產進程，合理制定倒運計劃，避免出現堵庫,降低庫存。

操作人員可在庫圖管理界面上通過人工干預調整系統鋼卷庫位信息，該功能主要用于盤庫或手動操作行車調運鋼卷后對庫區鋼卷信息的修改，以確保數據庫庫位信息與實際庫位信息一致。

庫區圖可以顯示庫區鋼卷信息，操作人員可在該界面查看庫區內所有的鋼卷信息，包括：卷號、物料號、庫位號、重量、物料號、內徑、外徑等。

2.2.1.3 物料的實時跟蹤

WMS 建立一套完善的鋼卷跟蹤系統，在WMS數據庫中存有所有庫內鋼卷的各種信息。以庫區邊界為分界點，從鋼卷進入庫區，鋼卷跟蹤系統的數據同產線鋼卷跟蹤系統保持一致，不斷地進行實時刷新，實現庫區內每一個鋼卷都有當前位置信息、庫區內物流信息、屬性信息。

自動模式下，WMS系統通過自動分配的任務目標位、行車的吊起放下的邏輯判斷以及行車實時坐標位置，實現物料的系統跟蹤；手動模式下，通過行車的吊起放下的邏輯判斷以及行車實時坐標位置，實現物料的系統跟蹤。確保庫區內所有鋼卷的信息跟蹤準確（如圖7所示）。[2]

圖7 物料跟蹤示意圖

2.2.2 行車（含過跨車）智能調度系統

2.2.2.1 行車協調調度

行車（含過跨車）協調調度系統根據作業指令、各行車運行狀態、鋼卷庫實時情況，自動分配目標庫位（入庫時）和目標鋼卷（出庫時），自動調度行車和過跨車，控制其自動運行。

建立必要的行車調度模型，優化行車的運行路徑。在優化后的運輸路徑中，合理分配行車，提高效率，降低由于分配不均導致的行車負荷不均。

行車協調調度根據產線的生產節奏而變化，對于行車的任務分配的優先級也進行調整，雙車任務時根據任務優先級實時進行雙車的協調調度。行車協調調度如圖8所示。

圖8 行車協調調度示意圖

2.2.2.2 行車隨動與避讓控制

行車隨動與避讓控制是在行車全自動模式下的必要控制。WMS在優化行車協同操作過程中，由于行車的運行和其他行車占位的原因，需要WMS對行車控制具備隨動控制功能。行車之間的避讓是指先接到指令的行車優先動作，排在后面的行車避讓排在前面的行車，一個行車運行，一個行車回避。

2.2.2.3 庫區區域安全避讓

為使庫區高效運行，庫區在功能區域上分成多個區域。在正常的生產期間，庫區是不允許人員在行車運行期間進入庫區的，但在某些特定的情況下，庫區應具備人員進入的功能。為既要保證進入庫區的工作人員人身安全，又要使庫區生產繼續進行，則在庫位管理管理系統中增加行車安全避讓功能。

2.3 輔助系統

2.3.1 視頻監控系統

視頻監控系統主要是由前端攝像部分、傳輸部分、顯示和記錄部分、遠程控制管理部分組成。整個系統采用全網絡數字視頻監控架構：前端采用高清網絡攝像機進行視頻采集，通過攝像機的網絡端口直接接入到庫區視頻傳輸網絡中去，傳輸到后端進行集中存儲和管理;傳輸主干網采用千兆光纖網，后端通過集中管理平臺來完成整個視頻監控系統的集中預覽、控制、管理、存儲以及視頻分發等功能，實現工廠庫區高清數字視頻監控系統集中管理。

2.3.2 地面安全系統

地面安全系統主要負責智能庫區系統中安全功能的實現。利用安全圍欄及安全門將無人行車工作區域及人員工作區域進行封閉，通過安全門開閉狀態與行車PLC、庫管及行車調度系統進行聯鎖，隨時告知無人行車避讓運行路線上的危險區域，確保人員安全。地面安全系統還與過跨車、物料運輸等設備進行聯鎖控制，確保行車在上述設備區域進行物料吊裝作業時的安全。

3 應用成效

冷軋中間庫采用無人行車智能庫區管理系統已運行一段時間。從實際效果來看，該系統運行穩定，各項指標，如庫區鋼卷自動作業正確率、鋼卷自動裝車正確率、鋼卷庫存準確率等均達到設計要求，有效地提高了庫區利用率和行車作業率。

無人行車智能庫區管理系統的應用，優化了人力資源，達到減員增效的目的。中間庫原有行車工及庫位工共36 人，項目投用后，整個庫區僅需要12人，相比減員24人。另外，行車人工操作時，受操作技能的影響，存在鋼卷碰傷或夾傷現象，采用無人行車吊運后，避免了該現象，提高了操作的安全性。