銅礦庫無人天車系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

賈思柔，鄧烜堃，謝 云

（1.甘肅白銀有色集團(tuán)股份有限公司，白銀 730900；2.蘭州蘭石集團(tuán)有限公司信息化與智能制造部，蘭州 730000）

0 引言

冶金行業(yè)作為加工制造業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，物料搬運(yùn)大多依靠天車實(shí)現(xiàn)。由于銅冶煉24小時(shí)不間斷生產(chǎn)，銅礦轉(zhuǎn)運(yùn)天車作業(yè)強(qiáng)度大，庫區(qū)內(nèi)的粉塵多，工作環(huán)境差，對(duì)操作人員身體健康影響大。天車是制造企業(yè)重要的物料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，其工作效率對(duì)前序和后續(xù)的作業(yè)效率影響較大。傳統(tǒng)天車作業(yè)依靠駕駛司機(jī)、遙控手柄、地面指揮、司索工配合完成，效率低下，人力成本高，安全可靠性差，已經(jīng)不能滿足智能化和信息化趨勢(shì)下生產(chǎn)發(fā)展需要。提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境是行業(yè)待解決的問題。

本文設(shè)計(jì)的無人天車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人天車與各生產(chǎn)工序、工單系統(tǒng)、倉庫物流、ERP系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，并根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作業(yè)節(jié)拍，對(duì)實(shí)現(xiàn)柔性制造，建設(shè)智能工廠意義重大。

1 無人天車系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通過對(duì)銅礦庫的天車實(shí)施智能化系統(tǒng)改造，使銅礦裝卸的入庫、出庫等物流情況具備實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的跟蹤能力，及時(shí)掌握庫區(qū)內(nèi)原材料庫存及分布情況，提高冶金行業(yè)的信息化管理水平。同時(shí)通過對(duì)庫區(qū)進(jìn)行合理化劃分及天車吊運(yùn)任務(wù)的合理分配，提高天車出入庫作業(yè)效率和設(shè)備利用率，降低庫區(qū)管理人員及天車操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，延長天車機(jī)電設(shè)備的使用壽命。無人天車系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖所示：

1.1 倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)

圖1 無人天車系統(tǒng)架構(gòu)圖

倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS，Warehouse Management System）功能應(yīng)該滿足來自于制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）和所覆蓋廠區(qū)物流工藝的要求[1]。倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)向上接收來自MES下發(fā)的出入庫作業(yè)計(jì)劃（也可手動(dòng)輸入），向下接受天車調(diào)度系統(tǒng)獲取的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。通過分解作業(yè)任務(wù)形成吊運(yùn)計(jì)劃，將吊運(yùn)下發(fā)到天車作業(yè)管理系統(tǒng)，控制天車完成物料吊運(yùn)，并實(shí)時(shí)向MES反饋?zhàn)鳂I(yè)執(zhí)行狀態(tài)以及完成進(jìn)度，查看并管理物料信息及出入庫記錄。系統(tǒng)主要包括：與MES系統(tǒng)、天車作業(yè)管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，吊運(yùn)計(jì)劃管理，庫區(qū)收發(fā)貨管理，庫位管理與原材料品類管理，清盤庫、調(diào)庫操作管理，吊運(yùn)實(shí)績(jī)收集與統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控畫面查看與攝像頭管理，日志管理等模塊。

1.2 天車作業(yè)管理系統(tǒng)

天車作業(yè)管理系統(tǒng)是倉庫管理系統(tǒng)的下級(jí)系統(tǒng)，是用戶和天車直接交互的系統(tǒng)，主要用于高級(jí)的作業(yè)指令生成和作業(yè)動(dòng)作編排、天車運(yùn)行調(diào)度等場(chǎng)景。

天車作業(yè)管理系統(tǒng)底層采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取天車運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，包括：位置、速度、加速度、貨物重量等數(shù)據(jù)，匯總到天車PLC總站上，總站與上層管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互和指令下發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)兼容有線、wifi、藍(lán)牙、4G、5G等多種數(shù)據(jù)傳輸方式，可應(yīng)對(duì)不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集問題。

天車作業(yè)管理系統(tǒng)包括天車防撞模塊、指令管理模塊和天車調(diào)度模塊三個(gè)模塊：天車防撞模塊用于防止天車運(yùn)行的過程中相互碰撞、天車和卡車碰撞；指令管理模塊包括編排和下發(fā)高級(jí)指令、控制天車啟停等功能；天車調(diào)度模塊用于動(dòng)態(tài)管理天車作業(yè)次序，優(yōu)化作業(yè)流程，提升工作效率。

1.3 天車控制系統(tǒng)

天車控制系統(tǒng)是用于硬件層面的軟件系統(tǒng)，集物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感技術(shù)于一體，用于向天車PLC、三維掃描系統(tǒng)等設(shè)備發(fā)送指令和接受數(shù)據(jù)。天車控制系統(tǒng)核心模塊包括自動(dòng)化控制模塊、精確定位模塊、減搖模塊、稱重模塊、三維掃描模塊等部分。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控天車的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，在線跟蹤記錄生產(chǎn)任務(wù)完成進(jìn)度；使任務(wù)指令轉(zhuǎn)換為天車可執(zhí)行的動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)高級(jí)指令向低級(jí)指令的自動(dòng)拆分和轉(zhuǎn)換；通過三維掃描系統(tǒng)和定位系統(tǒng)的相互配合，自動(dòng)尋找物料抓取點(diǎn)

天車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高層級(jí)軟件系統(tǒng)與天車硬件層面動(dòng)作執(zhí)行的無縫銜接，天車設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的向上匯總和指令的向下執(zhí)行，是軟硬件數(shù)據(jù)和指令交互的中間樞紐。

1.4 地面站控制系統(tǒng)

地面站控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)庫區(qū)安全相關(guān)工作，包括攝像系統(tǒng)、安全門、聲光報(bào)警器、天車急停按鈕等模塊。

安全生產(chǎn)是無人天車系統(tǒng)面臨的首要問題，天車在無人模式下運(yùn)行時(shí)，能自動(dòng)規(guī)避潛在的安全問題發(fā)生。使用圍欄對(duì)堆料區(qū)進(jìn)行隔離，防止人靠近堆料區(qū)，結(jié)合電子門禁、人工智能等技術(shù)監(jiān)控庫區(qū)內(nèi)人員進(jìn)出情況，并與天車進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。天車運(yùn)行在無人控制的模式下有人員闖入后會(huì)報(bào)警，系統(tǒng)記錄下報(bào)警信息并將天車切換到手動(dòng)模式。監(jiān)控系統(tǒng)是無人天車的重要組成部分，根據(jù)庫區(qū)尺寸部署攝像頭，使整個(gè)庫區(qū)內(nèi)無死角。監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)車間內(nèi)的天車作業(yè)情況、物料出入庫、人員和車輛出入情況以及生產(chǎn)安全進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，管理員可以在中控室通過大屏觀看現(xiàn)場(chǎng)畫面。現(xiàn)場(chǎng)急停按鈕用于在天車出現(xiàn)狀況時(shí)手動(dòng)控制天車停止，防止損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 無人天車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 吊具防搖擺技術(shù)

天車運(yùn)行的過程中吊具會(huì)因?yàn)閼T性產(chǎn)生一定的擺動(dòng)，在自動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，吊具的擺動(dòng)可能引起物料墜落、吊具與其他物體碰撞等安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需要減小吊具過度擺動(dòng)，防止安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

防搖方式通常有機(jī)械防搖和電氣防搖兩種，機(jī)械防搖需要設(shè)計(jì)專用的防搖機(jī)構(gòu)來減少擺動(dòng)，通用性和防搖效果較差，本文使用電氣防搖技術(shù)。其原理是通過傳感器測(cè)量鋼絲繩的擺動(dòng)角度，再根據(jù)角度大小和方向計(jì)算出xy軸方向上的角度和速度，大小車動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)行速度，以此實(shí)現(xiàn)吊具的防搖[2]。

此問題可以描述為：S表示重物目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的距離，t1、t2、t3表示加速時(shí)間、勻速時(shí)間和減速時(shí)間，A表示幅度，則

天車當(dāng)前吊繩長度為l，擺角為θ，擺動(dòng)速度為θ′，假設(shè)擺角在區(qū)間t∈[0,T]，擺角可以由繩長和幅度表示為：

擺角θ到達(dá)最大值時(shí)，擺動(dòng)速度θ′為0，可以得到：

聯(lián)立方程式(1)～式(3)，可以得到天車在t1、t2、t3的運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而求出天車的速度。

通過上述計(jì)算方法可知，只要測(cè)量得到吊具的擺角、角速度、當(dāng)前繩長等參數(shù)，可以求出天車一個(gè)方向的速度，將擺角的角度分解到x，y軸上，即可算出另一個(gè)方向的角度。天車PLC將速度補(bǔ)償值發(fā)送給傳動(dòng)裝置，以此完成大小車的速度控制，使大小車和吊具幾乎同步運(yùn)行，進(jìn)而達(dá)到減小吊具擺動(dòng)的目的。

2.2 天車調(diào)度技術(shù)

同一個(gè)跨上運(yùn)行超過一臺(tái)天車就存在調(diào)度問題，銅礦庫天車面臨著作業(yè)任務(wù)多樣化，天車作業(yè)路徑存在時(shí)間和空間上的重疊，同一任務(wù)由多臺(tái)天車協(xié)同執(zhí)行等問題[3,4]。天車作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)是無人天車的大腦，主要功能是解決天車作業(yè)過程中遇到的上述問題，并根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)編排作業(yè)次序[5]，從而動(dòng)態(tài)合理安排天車運(yùn)行。

根據(jù)作業(yè)優(yōu)先級(jí)不同避讓規(guī)則如下所示：

1）無負(fù)載的天車優(yōu)先級(jí)最低，主動(dòng)避讓其他作業(yè)中的天車；

2）裝卸車作業(yè)天車優(yōu)先級(jí)大于其他作業(yè)天車；

3）若兩臺(tái)車作業(yè)的優(yōu)先級(jí)相同，距離目標(biāo)位置近的天車優(yōu)先級(jí)較高。

基于上述規(guī)則，可以解決天車作業(yè)過程中的部分任務(wù)沖突問題，但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)等、讓、停的情況，作業(yè)效率并沒有得到較大提升。本文對(duì)天車的作業(yè)過程進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，為使其作業(yè)效率得到提升，使用遺傳算法對(duì)天車調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。

遺傳算法是一種模擬生物進(jìn)化過程優(yōu)勝略汰機(jī)制的算法，通過交叉、變異、遺傳等方式在解空間中搜索最優(yōu)值，具有搜索速度快[6]，容易找到全局最優(yōu)解等優(yōu)點(diǎn)。

首先定義天車調(diào)度問題的目標(biāo)函數(shù)為：

其中，M表示第i臺(tái)天車的任務(wù)集合：

Δti表示第i臺(tái)天車實(shí)際裝料和卸料的時(shí)間差，

基于廠房、作業(yè)流程和作業(yè)優(yōu)先級(jí)的限制，天車調(diào)度問題的約束條件為：

其中式(7)表示開始裝料的時(shí)間要大于裝料任務(wù)下發(fā)時(shí)間，式(8)表示任意一臺(tái)天車只能同時(shí)執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，式(9)表示天車在運(yùn)行的過程中當(dāng)前時(shí)刻和下一時(shí)刻的距離大于安全距離，式(10)表示天車的運(yùn)動(dòng)范圍不超過廠房的長和寬。

2.3 三維掃描技術(shù)

三維掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)、控制器和通訊模塊組成。三維掃描系統(tǒng)工作原理是利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)激光掃描儀旋轉(zhuǎn)，激光掃描儀發(fā)射扇面激光束，激光束碰到物體后計(jì)算得到光點(diǎn)的空間坐標(biāo)，系統(tǒng)將光點(diǎn)的坐標(biāo)記錄下來，進(jìn)而獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

三維掃描系統(tǒng)用于得到物料存放的準(zhǔn)確位和置獲取物料的外形尺寸，并且引導(dǎo)天車準(zhǔn)確的行駛到目標(biāo)位置[7]。天車作業(yè)管理系統(tǒng)觸發(fā)激光掃描系統(tǒng)對(duì)散料區(qū)進(jìn)行掃描，將激光掃描數(shù)據(jù)映射到三維空間后，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分析處理，可以獲得料堆的高度分布和各個(gè)料堆的位置信息。為了計(jì)算料堆體積及堆型，需要在三維激光數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)域在笛卡爾坐標(biāo)系上劃分為等分柵格，統(tǒng)計(jì)每個(gè)柵格內(nèi)的激光點(diǎn)高度，作為該柵格的高度值，從而構(gòu)建三維激光點(diǎn)云的高程模型，料堆體積可以通過計(jì)算所有柵格內(nèi)所有立方體的體積和獲得。柵格尺寸參數(shù)a可以根據(jù)體積精度要求進(jìn)行調(diào)整，a值越小，計(jì)算精度越高，相應(yīng)的計(jì)算耗時(shí)越長。三維掃柵格坐標(biāo)如圖2所示：

圖2 三維掃柵格坐標(biāo)圖

每個(gè)柵格的坐標(biāo)點(diǎn)（x，y，z）可以通過式(11)計(jì)算得到，其中d為激光束測(cè)得的距離，α為相鄰兩條激光束之間的夾角，β為激光束與地面的夾角。

通過分析料堆形狀和料堆高點(diǎn)距離天車吊具的距離，可以向天車下發(fā)作業(yè)的位置信息，引導(dǎo)天車去指定位置作業(yè)。

堆型最高點(diǎn)計(jì)算和堆型重構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 堆型最高點(diǎn)示意圖

圖4 堆型線性重構(gòu)圖

2.4 天車定位技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)天車無人化作業(yè)就要實(shí)時(shí)獲取天車的位置信息，進(jìn)而控制天車運(yùn)行到目標(biāo)位置，這就要用到天車自動(dòng)定位技術(shù)，定位系統(tǒng)需要將天車坐標(biāo)映射到笛卡爾坐標(biāo)系中，因此需要獲取大小車定位和起升定位信息。

大小車走行定位采用編碼尺定位系統(tǒng)獲取xy軸坐標(biāo)信息。讀碼器以編碼尺為導(dǎo)軌，每運(yùn)行一段距離后會(huì)讀取到新的位置值。編碼尺的位置值使用類似條碼的編碼方式和特殊的打孔工藝制作在塑壓或者不銹鋼尺上，不需要參照點(diǎn)且沒有時(shí)間延遲。讀碼器使用紅外線照射編碼尺孔洞，能實(shí)時(shí)計(jì)算出位置值，從而獲得絕對(duì)位置信息[8]。天車控制系統(tǒng)通過接口模塊獲取定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，讀碼器與接口模塊之間使用屏蔽電纜和專用連接器進(jìn)行連接，接口模塊具備ProfiNet總線接口，通過西門子專用PN總線電纜和以太網(wǎng)接頭讀取天車位置信息。編碼尺定位系統(tǒng)不易受到粉塵影響，價(jià)格較低，定位精度較高。

起升定位采用絕對(duì)值編碼器進(jìn)行吊具Z軸坐標(biāo)定位。光電絕對(duì)值編碼器裝置安裝在驅(qū)動(dòng)卷筒后部的一個(gè)金屬殼體內(nèi)，通過聯(lián)軸器進(jìn)行連接，測(cè)量起升高度時(shí)同步測(cè)定卷筒的旋轉(zhuǎn)角度，起升定位系統(tǒng)需要與鋼絲繩長度補(bǔ)償裝置聯(lián)合使用。

3 無人天車系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

通過對(duì)無人天車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了無人天車系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)施。實(shí)現(xiàn)四種操作方式，即全自動(dòng)控制模式、中控室遙控操作模式、地面遙控操作模式、司機(jī)室操作模式。通過天車作業(yè)管理系統(tǒng)授權(quán)后，可以根據(jù)需要選擇操作方式。

自動(dòng)模式下，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)輸指令并發(fā)送給行車執(zhí)行，物料運(yùn)輸業(yè)務(wù)自動(dòng)完成，系統(tǒng)記錄天車的指令執(zhí)行過程。中控室遙控操作模式下，由操作員在中控室完成，中控室配備有操作臺(tái)，操作方式和司機(jī)室基本一致；地面遙控模式下，由操作員在地面使用手持遙控器遙控完成運(yùn)輸任務(wù)，系統(tǒng)記錄天車的調(diào)運(yùn)記錄；手動(dòng)模式下由天車司機(jī)完成運(yùn)輸任務(wù)，系統(tǒng)記錄天車的吊運(yùn)業(yè)績(jī)、庫中物流信息流的變化，并實(shí)時(shí)更新庫存。

圖5 數(shù)字孿生系統(tǒng)效果圖

開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集天車運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，將天車數(shù)據(jù)綁定在三維模型上，實(shí)現(xiàn)模型和天車設(shè)備的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。使中控室作業(yè)人員可以方便查看天車的運(yùn)行狀態(tài)和當(dāng)前位置，彌補(bǔ)視頻監(jiān)控視野不足的問題。

在全自動(dòng)控制模式下運(yùn)行，天車作業(yè)效率可以提升約20%，天車操作人員從車間搬到中控室，作業(yè)環(huán)境條件大大改善，每名操作人員通過控制臺(tái)可控制1～2臺(tái)天車，人力資源節(jié)省30%。

4 結(jié)語

本文介紹了無人天車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)研究了無人天車系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，包括吊具防搖技術(shù)、天車調(diào)度技術(shù)、三維掃描技術(shù)和天車定位技術(shù)，并將這些技術(shù)應(yīng)用到了銅礦庫無人天車系統(tǒng)的實(shí)施中。通過實(shí)施無人天車系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了銅礦入庫、調(diào)庫和出庫作業(yè)的無人化作業(yè)，其余少量流程較復(fù)雜的作業(yè)可在中控室遠(yuǎn)程操作完成，大大改善了工作環(huán)境，節(jié)省了人力資源。由于原材料的每一次調(diào)運(yùn)都會(huì)被系統(tǒng)記錄，改變了原來粗放管理的模式，因此庫存信息也更加及時(shí)準(zhǔn)確。無人天車系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用到天車控制和冶金物流管理中，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。