鋼包起吊智能監測系統設計及實現

韓志勇，郭正剛

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

安全生產是鋼鐵企業實現持續發展的重要保證，在鋼廠生產流程中，鋼包安全起吊是保證企業安全生產的關鍵。鋼包起吊具有高強度、高頻次的特點，雖然事故發生頻率 （事故數/起吊數）低，可一旦發生，便是重大惡性事故。目前，國內鋼廠主要通過人工目視實現鋼包起吊操作，由于現場光線不足、大量粉塵遮擋視線以及遠距離觀察不清等原因，在鋼包起吊系統中雙鉤不同步情況下起吊鋼包，易造成鋼包傾覆的重大事故［1-2］。因此，有必要開發一個能及時準確辨識鋼包起吊異常且可靠易用的鋼包起吊智能監測系統，降低鋼包起吊操作事故率，保證安全生產。

1 鋼包起吊智能監測系統設計

鋼包起吊智能監測系統主要通過對起重機兩個吊鉤姿態的同步性檢測，結合兩個吊鉤吊重差異，形成可否起吊的決策。

1.1 系統構成

鋼包起吊智能監測系統由雙吊鉤姿態感應子系統、“重量+位置”決策子系統和AB重時序決策子系統組成。三個子系統均獨立形成起吊決策，交叉驗證后形成最終的起吊決策，保證起吊決策的準確性。

1.1.1 雙吊鉤姿態感應子系統

雙吊鉤姿態感應子系統由雙鉤姿態檢測模塊、工控機等構成，見圖1。雙吊鉤姿態感應子系統設置兩個姿態感應裝置，分別安裝在兩個吊鉤的合適位置，見圖2。

圖1 雙吊鉤姿態感應子系統構成Fig.1 Composition of Posture-sensing Subsystem for Double Hanging Hook

圖2 姿態感應裝置安裝位置Fig.2 Installation Position for Posture-sensing Equipment

通過內部傳感器檢測每個吊鉤的實時姿態，通過Zigbee通訊將實時姿態傳輸至控制室中的主機接收裝置，主機將接收到的雙鉤姿態信息進行處理后，比較判斷雙鉤是否處于同步狀態，將判斷結果通過聲光報警形式輸出。

1.1.2 “重量+位置”決策子系統

“重量+位置”決策子系統中的“重量”指的是雙鉤起吊鋼包的重量；“位置”指的是起吊的空間位置。該子系統首先進行仿真及實驗得到安全起吊鋼包的重量和位置數據集，然后通過系統自學習功能得到安全起吊的決策函數，形成決策能力。在該子系統工作中，從天車控制系統實時獲取吊重數據和起吊位置數據，通過訓練得到的決策函數對數據進行計算，判別該次起吊是否安全。

1.1.3 AB重時序決策子系統

AB重時序決策子系統需要分別采集A吊鉤和B吊鉤的實時起重重量，并加入時間維度進行時序分析。該子系統首先收集以往天車控制系統中的起吊數據形成訓練數據集，然后分析安全起吊的數據模式，形成安全起吊模式邊界，進而形成起吊決策能力。

1.2 系統信息處理層次

鋼包起吊監測系統信息處理層次圖見圖3。

圖3 鋼包起吊監測系統信息處理層次圖Fig.3 Hierarchical Diagram for Information Processing of Ladle Hoisting Monitoring System

第一層為數據獲取層。系統由兩個姿態感應模塊獲取吊鉤姿態原始信息，由天車控制系統獲取吊重、位置等信息。

第二層為數據傳輸層。吊鉤姿態原始信息通過無線方式送入工控機；吊重、位置等信息通過有線方式送入工控機。

第三層為算法層。由于平動加速度、沖擊等干擾，吊鉤姿態原始信息并不能直接作為吊鉤姿態數據使用，需通過卡爾曼濾波、數據融合機器學習等算法處理，形成確切的吊鉤姿態數據；該層還為“重量+位置”決策子系統和AB重時序決策子系統提供學習算法支持，以進行數據訓練并形成決策函數和模式邊界。

第四層為決策層。根據各個子系統的實時輸入數據，給出起吊決策。

第五層為輸出層。根據決策層形成的決策，輸出層完成屏幕顯示、聲光報警、開關量等信息的輸出。

2 吊鉤姿態檢測方法及數據解析

鋼包起吊智能監測系統中吊鉤姿態檢測方法及數據解析對于及時準確的獲取吊鉤姿態數據具有重要意義［3-4］。

2.1 姿態檢測傳感器的選擇

選擇使用一款高精度姿態檢測傳感器是設計可靠性較高的鋼包吊裝姿態檢測系統的關鍵。傳感器需要集成卡爾曼濾波模塊，具有成本低、體積小、功耗低和可靠性高，易于實現數字化、智能化以及普遍適用性和抗干擾能力強等特點。本設計的傳感器主要部件性能參數如表1所示，傳感器姿態角精度如表2所示。

表1 傳感器主要部件的性能參數Table 1 Parameters for Main Components of Sensor

表2 傳感器姿態角精度Table 2 Precision of Sensor Posture Angle

鋼包吊裝姿態檢測系統被測對象的加速度范圍為±8 g，表1中加速度計的測量范圍為±16g，所選傳感器滿足系統加速度測量范圍要求。鋼包吊裝姿態檢測系統角度的動態測量精度要求為0.5°，由表2可見，滾轉角與俯仰角的動態精度符合要求且無漂移現象，而偏航角存在一定的漂移現象，長期測量穩定性會略差。因此，選擇俯仰角作為系統測量吊鉤角度的敏感方向，而滾轉角及偏航角作為傳感器與吊鉤安裝偏差的修正參考參數。

2.2 傳感器俯仰角的數據解析

（1） 主要任務

使用STM32單片機UART3讀取姿態檢測模塊的數據，提取模塊十六進制的俯仰角數據，將其轉換為十進制的角度值，然后通過STM32單片機USART1將解析后的數據傳輸給工控機。

（2）傳感器的數據結構

數據組成：數據頭/數據ID/數據長度/數據/校驗和。

數據頭（3 個十六進制數）：0×59、0×49、0×53

數據ID（2個十六進制數）：變化的值

數據長度（1個十六進制數）：0×78

數據（120個十六進制數）：由8個數據包組成

校驗和（1 個十六進制數）：0×78

一個完整的數據長度為（127個2位十六進制數組成）：3+2+1+120+1=127。其中，俯仰角數據由第 79、80、81和 82的 2位十六進制數組成；在STM32單片機對數據進行解析時，數據俯仰角由USART3_RX_BUF數組中的第USART3_RX_BUF[78]、USART3_RX_BUF[79]、USART3_RX_BUF[80]和USART3_RX_BUF[81]的數組元素表示，這4個數組元素都是由2位十六進制數組成 （由于數組有第0位數組元素）。俯仰角的數據格式如圖4所示，按照圖4的數據格式編程，即可實現對姿態檢測傳感器俯仰角的數據解析。

圖4 俯仰角的數據格式Fig.4 Data Format for Angle of Pitch

3 應用實踐

鋼包起吊智能監測系統設計完成后在鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠進行了應用實踐。起重機模擬了一個完整的運輸作業，包括起吊、撞鉤、正常掛鉤以及非正常掛鉤，系統監測到雙吊鉤都正常勾住鋼包的兩個耳軸時，可進行鋼包起吊作業；反之，上位機發出報警信息，停止鋼包的起吊作業。圖5為鋼包起吊智能監測系統的應用。

圖5 鋼包起吊智能監測系統的應用Fig.5 Application of Intelligent Monitoring System for Ladle Hoisting

起重機吊鉤作業較為緩慢平穩，一個工作周期大約為16 min，系統設定采樣頻率為2 Hz，連續采樣一個周期，吊鉤姿態角度和姿態角度差分別如圖6和圖7所示，圖6和圖7中的同一狀態分別對應同一時間段。

圖6 吊鉤姿態角度數據Fig.6 Data for Posture Angle of Hanging Hook

圖7 吊鉤姿態角度差數據Fig.7 Data for Posture Angle Difference of Hanging Hook

該系統設定撞鉤的正方向為吊鉤姿態角正方向，吊鉤自然懸垂狀態的姿態角度為0°，吊鉤角度預警值設為-5°。由起重機實際運行狀態可知，吊鉤的姿態角度無法穩定在正方向，因此上位機即可設定-5°～0°為正常掛鉤。由實驗數據可知，狀態1表示當起重機靠近鋼包，吊鉤A、B姿態角度均為0°，此時雙吊鉤為自然懸垂狀態。狀態2表示起重機撞擊鋼包耳軸，吊鉤往復運動模擬鉤尖勾住鋼包耳軸，所以吊鉤角度有較大的振動，此時無法吊起鋼包。狀態3表示起重機的兩個吊鉤都用鉤尖掛住鋼包耳軸，姿態角度差為0°，但姿態角為-6°，超過吊鉤的預警值，若此時起吊，起重機小車運動產生的沖擊足以使鋼包從雙吊鉤上脫落，造成嚴重事故。狀態4表示起重機兩個吊鉤都正常的勾住鋼包耳軸，此時吊鉤的姿態角與正常懸垂時的姿態角相同，都為0°，上位機提示可以起吊。狀態5表示吊鉤A正常勾住鋼包耳軸，而吊鉤B只是鉤尖勾住鋼包耳軸，吊鉤AB的角度差為6°，超過吊鉤的預警值，若此時起吊，吊鉤B會受到沖擊而與該側的鋼包耳軸脫離，導致鋼包傾覆事故。狀態6表示雙吊鉤正常勾住鋼包耳軸，與狀態4完全相同。

該實驗結果表明，系統能實時感知吊鉤的姿態角度變化，并能及時準確判斷雙吊鉤的掛鉤狀態。但是若用原始數據作為判據會有許多高峰突變值，導致系統產生誤報，后續可將數據進行處理后與閾值比較，提高系統的準確率。

進行了多次實驗以監測姿態感應裝置的電池用電量，經過計算得出，一次充滿電后，姿態感應裝置在中等強度的工作條件下，電池電量可以使用180 d。生產實踐中，信號無線傳輸誤碼率小于1‰，由于系統采用了通信數據校驗算法，未出現誤動作的情況。

4 結語

針對鋼包起吊過程中人工目視操作受現場光線不足、大量粉塵遮擋視線以及遠距離觀察不清等客觀條件的影響，雙鉤不同步情況下起吊鋼包，易引發鋼包傾覆重大安全事故的問題，基于吊鉤姿態檢測方法設計了鋼包起吊智能監測系統。該系統由雙吊鉤姿態感應子系統、“重量+位置”決策子系統及AB重時序決策子系統構成，實現了吊鉤姿態的檢測及姿態數據的解析。實踐表明，鋼包起吊智能監測系統可以及時準確監測鋼包起吊異常情況，降低鋼包起吊操作事故的發生率，保證生產安全。