攀鋼釩冷軋廠智慧原料庫集成應用

楊曉東

（攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠，四川 攀枝花 617023）

冷軋廠原料庫作為物流銜接和生產節奏控制的重要樞紐，也是現代工廠信息化、無人化和智能化建設的基礎；天車作為原料庫最重要的執行單元，研究天車與智能原料庫管理平臺深度融合，從根本上改變了原料庫的作業模式，實現天車無人吊運和原料庫智能調度，推進數字鞍鋼建設，促進生產資料信息流通具有重要的意義。

1 原料庫現狀

攀鋼釩冷軋廠1996年建成投產，熱軋鋼卷經火車運輸至冷軋酸洗原料庫廠房，原料庫為酸軋機組提供熱軋卷生產原料，庫區長250 m，寬30 m，采用封閉廠房結構，內設火車道一條，天車3臺（單跨），庫區容量1.3萬t，采用火車臥卷運輸熱軋鋼卷，鋼卷庫區存放方式為臥卷單層存放。現有原料庫存在的主要問題：

（1）所涉及的熱軋原料鋼卷火車運輸信息接收、裝卸料流程、天車吊運、吊運指揮、數據核對、庫區管理、生產計劃查詢、酸軋機組生產銜接等均由人工手動完成，原料操作工作業量大、信息銜接多、要求高、易出錯、危險度高；

（2）設備自動化水平低、物流信息不共享，地面鋼卷的擺放很難做到整齊有序的存放，降低了庫區的鋼卷存放量，多臺天車協同運行困難，天車使用效率低，導致天車司機工作時間長、勞動強度大、人工成本高，還容易發生設備故障和鋼卷數據信息丟失等問題。

2 智能化改造整體方案

根據原料庫的現狀進行分析，基于無人天車的智慧原料庫平臺搭建，進行天車無人化改造和倉儲物流管理（WMS）系統的構建。天車與智能庫管系統由物理域和信息域共同構成。物理域由若干測量設備、反饋設備和執行設備組成，這些設備具有通信能力、感知能力和指令執行能力。信息域以WMS系統為核心接收和發出指令，整個原料庫區實現無人化操作，具體方案如下：

（1）將 1-1#、1-2#兩臺天車改為變頻自動天車，1-3#設備保留原常規轉子切電阻的方式驅動，考慮1-3#天車使用時與另兩臺天車的安全聯鎖。

（2）增加天車智能化系統，實現天車無人操作，自動作業。

（3）增加WMS系統，實現庫區鋼卷管理功能，與L3（工廠制造執行系統）進行數據交互。

（4）火車平板車配有專用的鋼卷鞍座，天車自動完成從火車上卸運和入庫鋼卷作業。

（5）天車自動完成酸洗步進梁鞍座上料作業。

（6）原料庫區安全物理隔離以及在圍欄上增加攝像頭，實現智能識別。

（7）冷軋L3系統、物流鐵路運輸指揮系統及L1（基礎自動化）系統的適應性修改。

（8）設置工控系統網絡安全措施。

整個庫區改造集成了先進傳感、無線通信、智能算法等多種技術。WMS系統作為智能庫區管理的核心，通過不同的接口對物流系統中鋼卷運輸任務進行智能調度，具體負責天車和鞍座位置坐標管理、吊運工單生成、接口通信兼容等一系列功能，并把吊運工單下發給天車，天車自動完成吊運任務。天車與智能庫管系統配置圖如圖1所示。

圖1 天車與智能庫管系統配置圖Fig.1 Configuration Diagram for Overhead Travelling Crane and Intelligent Control Sysytem for Warehouse

3 天車無人化改造

3.1 天車控制系統

天車是原料庫智能化平臺中的執行單元，天車的現場控制模式有多種，能夠適應不同的應用條件，操作人員可以根據現場工作需要選擇維護模式、自動模式、手動模式、遠程控制模式等。天車控制單元作為整個系統的執行部分，天車控制系統結合先進的HMI技術、變頻器控制技術、多種通訊管理技術、無線網絡控制技術、PLC控制技術［1］，建立了完整的通信網絡控制和安全連鎖系統，天車控制系統收發監控現場各類傳感器的數據信息。

天車無人化的執行，離不開各種傳感器代替操作人員進行距離、位置、高度的測量，對傳感器的精度和質量提出了更高的要求。比如天車大小車機構定位方式采用雙激光測距冗余方式，以記錄一個激光傳感器距離測量數據作為主要數據，利用另一個激光傳感器的測量數據來復核主數據的正確性，并采取軟硬件防撞方案，精確的位置檢測和變頻裝置良好的控制特性使天車行車速度和位置控制更加可靠、準確和安全。同時天車控制系統通過無線傳輸的方式將數據反饋給 WMS系統，WMS系統對現場傳感器反饋的信號進行匯總、整理、分析，一旦發現錯誤數據或傳感器損壞，控制系統經過研判立即發出報警信號，并中斷相應的動作以保護天車或鋼卷。

天車控制系統采用西門子S7-1215C作為上位機，系統通過PROFINET連接遠程ET200 MP站，ET200 MP的I/O模塊連接現場各種傳感器、執行器、限位開關等，S7-1215C作為天車控制的“大腦”，在遠程自動模式下主要接收WMS系統下發的指令，手動模式下通過自身程序控制天車的運行；S7-1215C還通過PROFINET與交流變頻器進行實時通訊，通過變頻器對天車電機實現精確控制，天車控制系統有如下特點:

（1）天車的PLC控制系統通過變頻器控制電機，實現電機無極調速，減少了天車頻繁啟動對電機造成的沖擊，保證電機等電氣設備能夠平穩的啟動和停止。

（2）電機采用變頻裝置控制后，能夠對電機運行電流電壓進行在線監控，通過裝置參數的設定實現對電機和線路完善的保護功能，預防常見故障的發生。

（3）天車交流變頻裝置采用模塊化結構設計，設備體積小巧，便于診斷和維修。

（4）天車吊具為專用吊具，由PLC控制系統控制其動作，主要完成夾緊、松開、吊具升降、稱重和旋轉等功能。專用吊具增加了豐富的監測設備：下降高度檢測傳感器、下對位激光檢測儀、上對位激光檢測儀、夾緊到位傳感器、松開到位傳感器等監測元件。

（5）天車吊具防搖擺方式采用電氣防搖控制，電氣防搖控制系統通過對天車鉤頭搖擺角度、擺長、天車運行速度等變量的采集、運算，給天車大車和小車變頻器施加相應的速度補償，來抵消鉤頭夾具的搖擺，從而提高天車夾起和放下鋼卷時的作業效率。防搖擺控制系統主要由角度檢測儀、紅外標記和防搖擺控制器組成。角度檢測儀在天車小車上垂直向下安裝，紅外標記在小車正下方的鉤頭上水平安裝，兩者垂直對準。紅外標記的搖擺即是鉤頭的搖擺，從而使得角度檢測儀能檢測出鉤頭的搖擺角度，作為防搖擺控制的閉環反饋信號。防搖系統控制核心部分是防搖功能塊，防搖功能塊內的防搖控制算法會生成天車變頻器速度給定曲線，傳遞給天車變頻器；天車變頻器接收防搖控制單元的速度給定曲線，并按照此速度曲線控制天車電機的速度。天車電機拖動天車平臺，使天車平臺在天車軌道上水平移動，很好的實現了天車吊具無慣性擺動運行［2］。

3.2 車輛識別單元車

測量識別接收火車的實際位置坐標，在卸卷作業時自動對車輛進行識別，識別對象是對運輸車進行三維圖像掃描，完成對鋼卷的寬度和卷徑測量，確定鋼卷形狀、位置和高度等信息，這些信息最終通過手持平板電腦確認后通過無線傳輸到WMS系統中，完成第一次鋼卷信息的確認和傳遞。同時，WMS系統完成對鋼卷信息的分析和處理，實現在自動抓放卷過程中對鋼卷中心和寬度的精確定位，以及精準的自動抓放操作。

4 WMS系統構建

4.1 WMS系統接口

WMS系統作為原料庫數據處理平臺，對整個原料庫和天車吊運任務實施管理，WMS系統接口示意圖見圖2。WMS系統對鋼卷定位是通過大車、小車測距以及主鉤編碼器數據，將數據傳回到WMS系統中，形成三維空間坐標點，兩臺天車移動坐標小車范圍為2 900～25 500 mm；大車范圍：1#天車為9 000～15 000 mm，2#天車為85 000～250 000 mm。以大車的位置作為X軸，小車行走作為Y軸，主鉤升降作為Z軸，由此建立了天車三維空間坐標系，地面上對應鋼卷存放的鞍座位置由X、Y軸的激光監測數據確定。

圖2 WMS系統接口示意圖Fig.2 Interface Diagram for WMS System

4.2 WMS系統功能

WMS系統按照模塊化設計具有訂單分解、實時控制、天車動作優先級確定界定、產品跟蹤和設備控發吊運指令，并將其轉化為天車任務單下發到無人天車PLC控制系統中，天車接收指令按照規劃的路徑將鋼卷吊運到指定位置。天車PLC控制系統是兩臺天車協同調度的具體實現者，依據兩臺天車的位置劃分，根據鋼卷位置把鋼卷任務下發給離工作任務最近的天車，把復雜吊運任務分解為易于單個天車執行的指令，天車實時與WMS交互信息，直到任務單完成。WMS把天車協同作業中可能遇到的問題提前規避，比如兩臺天車的大車通過激光測距儀設置安全距離，避免發生碰撞。WMS管理系統、天車控制系統、機組L1和L3以實時數據控制為核心，關注的核心理念是高效的任務執行和流程規劃策略，對整個原料庫的控制過程實現信息可視化，數據實時化，策略智能化，這些功能通過C#編程語言做成可視化圖形，WMS系統主畫面見圖3。WMS系統可視圖形主要功能有：菜單管理、設置信息、設備信息、天車信息、信息查詢、圖庫查詢、手動錄入作業指令，涉及到的信息按分類管理，功能按模塊化設計，便于操作人員使用。

圖3 WMS系統主畫面Fig.3 Main Screen of WMS System

5 視頻監控系統

原料庫智能化改造后作業人員減少，生產人員需要視頻監控系統提供清晰的現場畫面，智慧平臺也需要與視頻監控系統實現聯動。為此，對視頻監控系統進行升級改造，使其實現現場環境與設備運行條件報警聯動、重要畫面自動彈出、遠程控制等功能，原料庫視頻網絡系統圖如圖4所示。

圖4 原料庫視頻網絡系統圖Fig.4 Video Network System Diagram for Raw Material Warehouse

原料庫視頻網絡系統在設計上采用全網視頻監控現場，主要由前端單元、傳輸單元、管理及分析平臺、存儲單元及顯示單元組成，所有視頻信號通過網絡線纜或光纜送至各中控室，中控室作為區域中心，配置高性匯聚交換器，滿足視頻監控需要。智能識別的視頻圖像傳輸到攀鋼工業視頻智能管控平臺，平臺包括管理服務器、數據庫服務器和邊緣計算資源三部分，其主要功能為視頻管理和視頻智能分析。視頻管理包括用戶管理、角色管理、授權管理、系統基礎數據管理、用戶密碼管理、視頻展示、回放、系統接口、信息交互及分析報警等。視頻智能基于神經網絡和模糊匹配的圖像識別技術，通過電子圍欄分類存儲區域、禁入區域、危險區域，當鋼卷輪廓發生變化、受限車輛與人員闖入均會發出報警。

6 應用情況

攀枝花鋼釩有限公司冷軋原料庫無人吊車改造項目在2020年9月簽訂合同，整個項目主要對吊車電控、中控室、庫區改造、智能吊車控制、WMS系統、物流信息進行了改造或新增，主要利舊的部分有天車的大梁和軌道等。

智能庫區改造歷時半年完成了整個系統集成和調試，并投入生產運行，現在原料庫區允許兩臺天車協調作業，原料庫的鋼卷實現入庫、在庫、出庫全流程在線管理，提升了原料庫操作時效性和準確性。原料庫鋼卷整齊擺放，庫區鋼卷信息與冷軋L3系統實時交互，原料庫鋼卷信息在WMS系統上實現了可視化、信息化和智能化管理，操作人員在中控室的人機畫面上派發吊運鋼卷號，WMS系統根據鋼卷號查找鋼卷定位，分派任務給天車執行吊運任務，天車完成從空吊具到尋找鋼卷、吊卷上機組鞍座過程的總時間小于90 s，滿足酸洗機組頭部上卷的節奏（小于120 s），同時降低了吊車司機勞動強度。

7 結語

攀枝花鋼釩有限公司冷軋原料庫天車無人化改造和倉儲物流管理（WMS）系統，結合了視頻監控系統，整個系統實現了自動化設備間的信息實時交互，可實時獲取天車三維空間坐標的定點，并依據鋼卷或障礙物坐標，計算出天車位置坐標和鋼卷位置坐標，根據避讓原則為天車在動作過程中進行指導和規范，整個吊運路徑由WMS系統提供最優選擇，鋼卷庫存信息實現網格化管理。該解決方案在本廠軋后庫區以及在其它單位得到推廣，助推攀鋼數字化水平躍上一個新的臺階。