自動(dòng)化立體庫技術(shù)在有色行業(yè)中的應(yīng)用研究

馮 敏,謝清明,劉望保,董 博,劉 毅,胡均平

(1.株洲優(yōu)瑞科有色裝備有限公司,湖南 株洲 412000;2.陽新弘盛銅業(yè)有限公司,湖北 黃石 435200;3.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長沙 410006)

0 引言

國內(nèi)有色冶煉企業(yè)生產(chǎn)工藝末端即有色金屬成品的存取方式相對落后,需要人工叉車叉取轉(zhuǎn)至堆場,物流裝運(yùn)均靠叉車或人工操作行車進(jìn)行裝車作業(yè),環(huán)境較為惡劣,人工作業(yè)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、使用成本高,且招工困難。另一方面,生產(chǎn)落后對企業(yè)精細(xì)化管理,尤其產(chǎn)品庫存的高效管控增加了難度[1]。因此相關(guān)的工藝流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、無人化已迫在眉睫。自動(dòng)化立體倉庫的建設(shè)能解決燃眉之急,并取得很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。

在相關(guān)報(bào)告中,指出要推動(dòng)國家制造產(chǎn)業(yè)鏈的升級,要推動(dòng)國家新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,大幅提高科技創(chuàng)新的支撐能力,拓展5G 技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用等。國家出臺(tái)了一系列配套政策推動(dòng)高端智能再制造的切實(shí)落地,在這個(gè)大的政策背景之下,有色冶煉行業(yè)的技術(shù)升級,現(xiàn)代立體倉儲(chǔ)技術(shù)的運(yùn)用,使生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、無人化刻不容緩。

自動(dòng)化立體庫技術(shù)在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用,比如冷鏈存儲(chǔ)、橡膠等領(lǐng)域[4],國內(nèi)也有少部分有色金屬企業(yè)進(jìn)行了成品立庫建設(shè)的嘗試,由于立體庫構(gòu)筑多種多樣[5-6],發(fā)展多元化、行業(yè)細(xì)分化[7],一般的立庫生產(chǎn)廠家對有色冶煉生產(chǎn)工藝的不甚了解,導(dǎo)致設(shè)備集成契合度不高,不能達(dá)到預(yù)期效果。國內(nèi)僅在長桿鋁型材行業(yè)中應(yīng)用取得了一定的成績[8]。

本文闡述國內(nèi)有色冶煉行業(yè)首個(gè)陰極銅自動(dòng)化立體倉庫最新技術(shù)的研究與應(yīng)用,積極響應(yīng)國家政策,破解了行業(yè)發(fā)展的瓶頸,推動(dòng)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展,目前項(xiàng)目已在湖北省黃石市陽新弘盛銅業(yè)有限公司落地。

1 項(xiàng)目介紹

陰極銅剝片機(jī)組生產(chǎn)出來的銅為合頁銅片,單片重量為160～180 kg,長度為1 030～1 100 mm,寬度為1 030～1 100 mm,根據(jù)貿(mào)易稱重規(guī)則,每垛陰極銅總重量控制在2.5 t,誤差±50 kg,所以每垛陰極銅含有13～16 片“合頁銅”,要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化立體倉庫倉儲(chǔ)存取,最大難點(diǎn)在于銅垛的規(guī)整、銅垛外形尺寸的檢測、貿(mào)易秤的自動(dòng)校秤、銅垛的鋼帶打包、堆垛機(jī)重載高速運(yùn)轉(zhuǎn)等功能。

本文所述自動(dòng)化立體倉庫項(xiàng)目(簡稱立庫)為陽新弘盛銅業(yè)有限公司40 萬噸高純陽極銅清潔生產(chǎn)項(xiàng)目的子項(xiàng)目,該項(xiàng)目年處理銅精礦1 600 kt,主要產(chǎn)品為高純陰極銅400 kt/a、硫酸1 500 kt/a,立庫的設(shè)計(jì)從陰極剝片機(jī)組出銅口接入開始,至陰極銅垛自動(dòng)裝車結(jié)束,整個(gè)運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)智能化,該立庫庫容量3 000 t。該立庫的整體布局圖,如圖1 所示。

圖1 立庫整體布局圖

該立庫系統(tǒng)的主要具體參數(shù),如表1 所示。

表1 立庫主要技術(shù)參數(shù)

該立庫系統(tǒng)根據(jù)廠級生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度指令、營銷系統(tǒng)信息、質(zhì)計(jì)系統(tǒng)信息及庫存情況等,自動(dòng)決策倉儲(chǔ)管理方案及堆垛機(jī)、起重機(jī)調(diào)度方案,完成立庫內(nèi)設(shè)備任務(wù)流程管控,實(shí)現(xiàn)陰極銅進(jìn)、出庫過程的智能化調(diào)度與決策。設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用了三維運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、5G 通訊、數(shù)字孿生等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了以下功能:

(1)與陰極剝片機(jī)組出銅口對接的功能;

(2)陰極銅垛的轉(zhuǎn)運(yùn)、預(yù)稱重、配重、規(guī)整、打包、貿(mào)易稱重、貼標(biāo)、掃碼等自動(dòng)功能;

(3)陰極銅垛的自動(dòng)入庫功能;

(4)修整銅垛的上線、規(guī)整等功能;

(5)配重銅垛的上線、規(guī)整等功能;

(6)自動(dòng)校秤功能;

(7)庫區(qū)銅垛的出庫、掃碼、吊運(yùn)、裝車等自動(dòng)功能;

(8)貨車的停車引導(dǎo)、車牌識(shí)別、停車位置識(shí)別、自動(dòng)行車等功能;

(9)陰極銅垛的質(zhì)量追溯和反饋功能;

(10)出庫、入庫、盤點(diǎn)等智能庫存管理功能;

(11)分別與工廠DCS 和智能工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信接口的功能。

2 設(shè)備功能區(qū)域規(guī)劃

立庫所涉及的設(shè)備根據(jù)功能不同劃分為三個(gè)區(qū)域:

(1)庫前作業(yè)區(qū):由規(guī)整機(jī)、鏈條輸送機(jī)、旋轉(zhuǎn)鏈條輸送機(jī)、RGV、配重機(jī)器人、鋼帶識(shí)別系統(tǒng)、預(yù)稱重裝置、貿(mào)易稱重裝置、回轉(zhuǎn)頂升機(jī)、打包機(jī)、打印貼標(biāo)機(jī)、入庫掃碼機(jī)、頂升機(jī)這些設(shè)備組成。如圖2 所示,為庫前作業(yè)區(qū)的設(shè)備布置圖。

圖2 庫前作業(yè)區(qū)

庫前作業(yè)區(qū)負(fù)責(zé)完成銅垛的輸送、規(guī)整、外形檢測、90°換向轉(zhuǎn)運(yùn)、預(yù)稱重、配重、貿(mào)易稱重、打包、打印貼標(biāo)、掃碼、自動(dòng)校秤等一系列功能。

(2)立庫作業(yè)區(qū):包括堆垛機(jī)、貨架等設(shè)備

立庫作業(yè)區(qū)負(fù)責(zé)陰極銅垛的自動(dòng)入庫功能,立庫作業(yè)區(qū)銅垛的自動(dòng)出庫自動(dòng)功能,其工作流程如圖3 所示(a 圖為入庫工藝流程,b 圖為出庫工藝流程);陰極銅垛的質(zhì)量追溯和反饋功能;

圖3 出入庫工藝流程圖

(3)裝車作業(yè)區(qū):包括智能行車及吊具、立柱及軌道梁、行車安全滑觸線、車輛引導(dǎo)及識(shí)別系統(tǒng)、安全圍欄、鏈條輸送機(jī)、出庫頂升機(jī)、吊裝頂升機(jī)這些設(shè)備;裝車作業(yè)區(qū)的設(shè)備布局如圖4 所示。

圖4 裝車作業(yè)區(qū)

裝車作業(yè)區(qū)具有陰極銅垛的自動(dòng)出庫功能;出庫自動(dòng)掃碼、吊運(yùn)、裝車等功能;貨車的停車引導(dǎo)、車牌識(shí)別、停車位置識(shí)別、自動(dòng)裝車等功能;

3 智能管控系統(tǒng)的搭建

智能管控系統(tǒng),包括智能決策管理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能運(yùn)維系統(tǒng)。智能管控系統(tǒng)的功能涵蓋立庫與上層系統(tǒng)的通訊對接與信息交互,以及立庫的倉庫信息管理、作業(yè)任務(wù)分配與調(diào)度、設(shè)備自動(dòng)化控制、以及包括組態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)等功能的系統(tǒng)集成。立庫的智能管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖5 所示。

圖5 智能管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

智能管控系統(tǒng)搭建所需的主要軟硬件配置如表2 所示。

表2 智能管控系統(tǒng)主要軟硬件配置

(1)智能決策管理系統(tǒng)

智能決策管理系統(tǒng)基于智能精益物流管理技術(shù),通過“自動(dòng)化+信息化”打通陰極銅從入庫到出庫裝車的全流程,各系統(tǒng)間通過指定協(xié)議無縫對接,可對接企業(yè)上位系統(tǒng)以及預(yù)留其他設(shè)備對接接口[9]。

智能決策管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集手段和數(shù)字化管控手段,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取、記錄、流轉(zhuǎn)、和增值計(jì)算,優(yōu)化管理效率和決策效率。智能銅庫的智能決策管理系統(tǒng)的軟件,包括WMS、WCS、DIS。

WMS 作為整個(gè)智能系統(tǒng)的核心大腦,管理著整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的邏輯和數(shù)據(jù),擁有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、出入庫管理、庫存管理、盤點(diǎn)管理、訂單管理、報(bào)表管理、權(quán)限管理等功能。

WCS 是設(shè)備的中央控制系統(tǒng),其具備設(shè)備調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控、故障處理、運(yùn)行記錄等功能。

DIS 用于與上層系統(tǒng)(DCS、智能工廠的相關(guān)應(yīng)用平臺(tái))進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過任務(wù)接收、實(shí)績上報(bào)、數(shù)據(jù)上傳等數(shù)據(jù)傳輸,為上層系統(tǒng)提供完整的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)與下層系統(tǒng)(設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng))進(jìn)行信號交互,通過任務(wù)/指令下發(fā)、信號采集、信號互鎖等控制管理,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、歸類、結(jié)構(gòu)化,保證生產(chǎn)的安全高效。

所以,智能決策管理系統(tǒng)的應(yīng)用集成,主要是WMS 與上層系統(tǒng)的集成,以獲取必要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和反饋執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù)。支持獨(dú)立部署集成、Webservice等多種方式與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的消息交換和數(shù)據(jù)交互,支持以手動(dòng)、自動(dòng)或流程觸發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

接口方式:應(yīng)用系統(tǒng)須將系統(tǒng)內(nèi)的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行封裝,以Webservice 形式對外發(fā)布,并提供詳細(xì)的Webservice 接口使用說明。

接口協(xié)議:支持SOAP(Simple Object Access Protocol)消息傳送協(xié)議。

報(bào)文格式:應(yīng)用系統(tǒng)支持使用通用報(bào)文格式結(jié)構(gòu),包括XML、JSON 等。

(2)智能控制系統(tǒng)

庫前作業(yè)區(qū)設(shè)備控制系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、可編程控制器(PLC)、變頻調(diào)速、觸摸屏、機(jī)器人、傳感器、電子稱量、無扣打包、標(biāo)簽識(shí)別(掃碼器)等先進(jìn)軟硬件,組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)具有程序編制、實(shí)時(shí)組態(tài)畫面、數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)診斷、即時(shí)/歷史數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警、報(bào)表生成、打印等功能。立庫的智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能控制系統(tǒng)包括庫前作業(yè)區(qū)設(shè)備控制系統(tǒng)、立庫作業(yè)區(qū)設(shè)備控制系統(tǒng)、裝車作業(yè)區(qū)控制系統(tǒng),其各部分控制系統(tǒng)各自獨(dú)立、數(shù)據(jù)互通、邏輯聯(lián)鎖。

庫前作業(yè)區(qū)設(shè)備控制系統(tǒng),負(fù)責(zé)控制庫前作業(yè)區(qū)各設(shè)備運(yùn)行,承接來自剝片機(jī)組的陰極銅垛,進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、提升、掃碼等過程,直至銅垛輸送至立庫的入口位位置。

立體庫作業(yè)區(qū)設(shè)備控制系統(tǒng),負(fù)責(zé)控制堆垛機(jī)進(jìn)行銅垛入庫上架和出庫下架。堆垛機(jī)是立庫的運(yùn)輸樞紐,執(zhí)行WCS 分配的作業(yè)任務(wù),同時(shí)根據(jù)負(fù)荷均衡等調(diào)度原則進(jìn)行銅垛高效轉(zhuǎn)運(yùn)。

裝車作業(yè)區(qū)設(shè)備控制系統(tǒng),負(fù)責(zé)控制智能行車進(jìn)行銅垛裝車作業(yè),可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的三維定位,修正停車位置及姿態(tài)偏差,多型號車板自適應(yīng)堆碼。

(3)智能運(yùn)維系統(tǒng)

智能運(yùn)維系統(tǒng),包括設(shè)備組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程專家診斷及在線維護(hù)系統(tǒng)。智能運(yùn)維系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示,該系統(tǒng)主要目的是提高設(shè)備的生產(chǎn)效率,便捷維護(hù)管理,降低設(shè)備異常停機(jī)時(shí)間。

圖7 運(yùn)維系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

設(shè)備組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),包括二維組態(tài)監(jiān)控和3D組態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)通過模擬組態(tài)的方式,直觀地呈現(xiàn)設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài),記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息,統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)報(bào)表,輸出打印表單等。

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng),主要用在中控室對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控有整體設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)總覽視圖,也有局部的關(guān)鍵設(shè)備和工序的細(xì)節(jié)視圖。視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有視頻錄制功能,方便查詢和回放生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)場視頻。

遠(yuǎn)程專家診斷及在線維護(hù)系統(tǒng),通過智能網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建遠(yuǎn)程維護(hù)的橋梁,設(shè)備廠家工程及用戶設(shè)備管理人員可以異地進(jìn)行設(shè)備的診斷和管理維護(hù),節(jié)約故障處理過程時(shí)間提高設(shè)備利用率,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程程序升級等功能。

4 立庫項(xiàng)目實(shí)施特點(diǎn)

陰極銅自動(dòng)化立庫項(xiàng)目的實(shí)施具有以下特點(diǎn):

(1)系統(tǒng)性:系統(tǒng)充分考慮生產(chǎn)工藝流程需求,滿足布局合理、運(yùn)轉(zhuǎn)流暢的原則。

(2)可靠性:選用在國外應(yīng)用成熟可靠的標(biāo)準(zhǔn)零配件等,以最大程度的提高陰極銅立庫系統(tǒng)的可靠性。

(3)先進(jìn)性:運(yùn)用最先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段和技術(shù),解決整條立庫產(chǎn)線規(guī)整、打包等關(guān)鍵技術(shù)難題。能實(shí)現(xiàn)陰極銅進(jìn)庫、庫存、出庫自動(dòng)化、智能化、無人化的要求。

(4)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性:立庫整條產(chǎn)線設(shè)備布局緊密結(jié)合有色行業(yè)生產(chǎn)工藝的特點(diǎn),簡化控制層級,去除繁枝縟節(jié),滿足立庫產(chǎn)線高效運(yùn)行。在滿足需求前提下,優(yōu)先選擇實(shí)用的同層次標(biāo)準(zhǔn)零配件,滿足高性價(jià)比、維護(hù)少的要求。

(5)前瞻性:在各設(shè)備和系統(tǒng)功能上考慮未來工廠發(fā)展的需求,提供設(shè)計(jì)冗余與接口預(yù)留,滿足發(fā)展的可持續(xù)性。所以立庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備一定的柔性,能適應(yīng)未來業(yè)務(wù)種類、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、模式的變化。

(6)安全性:單體設(shè)備的研發(fā),運(yùn)用了有限元分析等技術(shù),滿足強(qiáng)度等使用要求;材料的選用充分考慮了弱酸腐蝕環(huán)境要素,在設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境周圍設(shè)置了必要的安全設(shè)施,充分確保使用安全。

(7)高效性:立庫系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、高效地完成所需要的工作,并對生產(chǎn)需求即時(shí)響應(yīng)。

(8)綠色環(huán)保:符合國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排、綠色環(huán)保要求。

項(xiàng)目交付后,可作為“智慧工廠 黑燈工廠”以及帶來行業(yè)示范效應(yīng)的標(biāo)桿與樣板工程。

5 結(jié)語

該自動(dòng)化立庫項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中,運(yùn)用了三維運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)、有限元分析、5G 通訊等技術(shù),保證了立庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、高效性。同時(shí),搭建了由智能決策管理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、智能運(yùn)維系統(tǒng)組成的先進(jìn)立庫智能管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了立庫系統(tǒng)的貨物轉(zhuǎn)運(yùn)、規(guī)整、打印貼標(biāo)、稱重、校秤、打包等功能運(yùn)行的高度智能化、無人化。今后在有色冶煉行業(yè)智能工廠成品立體庫的建設(shè)中,本項(xiàng)目可作為示范案例借鑒。