智能化系統(tǒng)在新鋼綜合料場的實(shí)踐與優(yōu)化

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北武漢市，430223）路萬林 姜炎城 熊文羽

新鋼智能化綜合料場由一次料場、高爐料場、混勻料場、熔劑料場組成，設(shè)有6個(gè)原料大棚、9大類共28臺(tái)堆取料機(jī)、100余臺(tái)輸送設(shè)備，為5臺(tái)燒結(jié)機(jī)和6座高爐供應(yīng)原料。料場智能化系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、堆取料機(jī)無人化系統(tǒng)、智能化管理系統(tǒng)和數(shù)字孿生平臺(tái)四大系統(tǒng)組成，其中基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)常規(guī)的設(shè)備和料線控制，本文不作詳述。

1 系統(tǒng)硬件及網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)主要硬件包括機(jī)載PLC、遠(yuǎn)控PLC、料線PLC、激光掃描儀、機(jī)載計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、操作站等，通過設(shè)備網(wǎng)、PRP冗余網(wǎng)絡(luò)、主干環(huán)網(wǎng)進(jìn)行連接。

2 堆取料機(jī)無人化系統(tǒng)

2.1 堆取料機(jī)類型及主要控制功能

料場共有9大類28臺(tái)不同類型的堆、取料設(shè)備，包括半門架刮板取料機(jī)、高位卸料小車、搖臂式斗輪堆取料機(jī)、搖臂式斗輪取料機(jī)、搖臂式混勻堆料機(jī)、雙斗輪橋式取料機(jī)、倉頂卸料小車、全門架刮板取料機(jī)、搖臂式熔劑堆料機(jī)。

2.1.1 半門架和全門架刮板取料機(jī)

半門架和全門架刮板取料機(jī)的作業(yè)方式和主要控制功能基本相同，刮板機(jī)采用往返走行加俯仰寸進(jìn)下壓的方式，使用刮板將物料刮至庫位邊沿的皮帶輸送機(jī)上，作業(yè)過程包括平料和取料兩個(gè)階段。平料時(shí)刮板機(jī)的動(dòng)作控制與取料相同，難點(diǎn)在于平料結(jié)束的條件。本文利用安裝在刮板兩側(cè)的激光掃描儀實(shí)時(shí)監(jiān)測料面與刮板的貼合度判斷是否停止平料，這是激光掃描儀除料堆三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集之外的一項(xiàng)重要功能。

為了防止刮板卷揚(yáng)松盤或反卷，通常會(huì)配置卷揚(yáng)鋼繩張力檢測裝置，本文采用雙重保護(hù)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)卷揚(yáng)動(dòng)作和俯仰角度變化判斷增加了軟件保護(hù)，該保護(hù)的前提是使用傾角儀檢測刮板俯仰角度而不是依靠編碼器。

2.1.2 高位卸料小車和倉頂卸料小車

高位下料小車作業(yè)方式包括定點(diǎn)走行堆料和往返走行堆料，本文采用往返走行堆料的料面更加平整，有利于提高取料效率。

倉頂卸料小車采用定點(diǎn)方式將物料加入混勻配料倉，每個(gè)倉設(shè)有三個(gè)卸料點(diǎn)，正常情況下在料倉中心卸料點(diǎn)卸料，當(dāng)停料不及時(shí)或其它原因?qū)е挛锪弦绯隽蟼}時(shí)，小車移動(dòng)至兩側(cè)卸料點(diǎn)卸料。

卸料小車作業(yè)過程中常見的異常包括下料斗堵料和飛車。目前堵料檢測的方法和裝置有很多，但準(zhǔn)確率不盡人意，本文采取視頻識(shí)別方式進(jìn)行堵料報(bào)警和連鎖保護(hù)，準(zhǔn)確率接近99%，但由于無法識(shí)別堵料程度，輕微堵料有時(shí)會(huì)在振動(dòng)器的作用下自動(dòng)恢復(fù)，這種情況下根據(jù)堵料報(bào)警連鎖停機(jī)會(huì)導(dǎo)致不必要的重負(fù)荷停機(jī)，解決此問題需要一方面優(yōu)化視頻識(shí)別模型和識(shí)別信號(hào)處理，另一方面開發(fā)自動(dòng)疏通裝置，才能保證無人化控制的效果。2.1.3 搖臂式斗輪堆取料機(jī)和斗輪取料機(jī)

搖臂式斗輪取料機(jī)除不具備堆料功能外，其它控制功能和斗輪堆取料機(jī)基本相同。取料采取回轉(zhuǎn)分層取料方式，控制功能的要點(diǎn)包括快速準(zhǔn)確切入、回轉(zhuǎn)角度范圍自動(dòng)調(diào)整、不斷料換層、恒流量控制。

根據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算切入點(diǎn)是目前無人化系統(tǒng)慣用的方法，本文在計(jì)算切入點(diǎn)開始取料動(dòng)作后加入斗輪電流判斷，若回轉(zhuǎn)一定角度后未取到料，則驅(qū)動(dòng)走行機(jī)構(gòu)向前運(yùn)行直到取到料后再繼續(xù)回轉(zhuǎn)取料，這種方法避免了由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)誤差和計(jì)算誤差導(dǎo)致懸臂持續(xù)空轉(zhuǎn)的情況，有效提高取料切入的效率。

回轉(zhuǎn)角度范圍自動(dòng)調(diào)整通常利用設(shè)置斗輪電流閾值來控制回轉(zhuǎn)換向，閾值偏小容易造成換向時(shí)斷料，閾值偏大容易造成邊部積料。對(duì)于不同形狀、不同品種、不同粒度的物料以及不同的層高斗輪負(fù)載不同，閾值設(shè)定要做相應(yīng)的調(diào)整，目前為手動(dòng)微調(diào)，閾值的自適應(yīng)調(diào)整是回轉(zhuǎn)取料待解決的難題。

2.1.4 搖臂式混勻堆料機(jī)和熔劑堆料機(jī)

混勻堆料機(jī)在整個(gè)料條內(nèi)往返走行堆料，控制要點(diǎn)是有料即走，無料則停，因此懸臂皮帶上的料流（有無）信號(hào)的準(zhǔn)確性是混勻堆料機(jī)控制的關(guān)鍵。料流檢測開關(guān)是傳統(tǒng)的料流檢測裝置，其誤報(bào)率較高，且非常容易損壞。本文通過從混勻料槽圓盤給料機(jī)開始對(duì)物料進(jìn)行跟蹤，當(dāng)物料到達(dá)堆料機(jī)懸臂端頭時(shí)給出料流到達(dá)信號(hào)。物料跟蹤必須記錄任何時(shí)刻物料頭尾的位置，否則在急停或圓盤故障停機(jī)重啟時(shí)無法準(zhǔn)確判斷流量信號(hào)。

此外在有料流信號(hào)時(shí)堆料機(jī)意外停機(jī)（無故障報(bào)警信息）時(shí)，通過對(duì)堆料機(jī)走行位置變化的分析及時(shí)停機(jī)，可以避免料堆“鼓包”。熔劑堆料機(jī)與混勻堆料機(jī)的控制功能基本相同。

2.1.5 雙斗輪橋式取料機(jī)

雙斗輪橋式取料機(jī)通過雙斗輪往返運(yùn)行對(duì)混勻料堆進(jìn)行全斷面取料，雙斗輪橫移到任意一側(cè)時(shí)走行機(jī)構(gòu)向前寸進(jìn)一次。由于混勻料堆斷面為等腰三角形，雙斗輪橫移往返取料的流量在料堆中間偏大，邊部偏小，物料在皮帶上呈“葫蘆”狀。根據(jù)橫移小車的位置控制橫移速度來調(diào)節(jié)取料流量是不錯(cuò)的辦法，但這種方法在料堆兩側(cè)時(shí)要求橫移速度加快與靠近兩側(cè)限位需要減速是矛盾的，本文采用在橫移靠近兩端時(shí)交替進(jìn)行兩步并一步的取料方式進(jìn)行取料流量控制。

2.2 無人化系統(tǒng)采用的共性技術(shù)

新鋼智能化綜合料場堆取料機(jī)無人化系統(tǒng)采用格雷母線+編碼器冗余定位、有線+無線冗余網(wǎng)絡(luò)、激光掃描三維成像、主動(dòng)演算+被動(dòng)檢測防撞、硬件+軟件多重限位保護(hù)、視頻隨動(dòng)控制、直接檢測+推理計(jì)算+視頻識(shí)別綜合故障報(bào)警等共性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在主控室由4人遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場28臺(tái)堆、取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控一體化操作界面

堆取料機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控一體化操作界面集手動(dòng)操作面板、自動(dòng)作業(yè)參數(shù)面板、料場平面圖、料場三維模型、視頻顯示和控制、報(bào)警顯示和記錄、歷史趨勢、用戶權(quán)限管理于一體，采用配置化方式部署，所有堆取料機(jī)均采用一套操作界面，根據(jù)登錄的用戶權(quán)限和選擇的堆取料機(jī)顯示對(duì)應(yīng)的監(jiān)控界面，操作站具備良好的互換性。

3 智能化管理系統(tǒng)

智能化管理系統(tǒng)從物料進(jìn)廠開始，將來料接收入庫、卸料作業(yè)、混勻配料、供料作業(yè)的生產(chǎn)過程規(guī)范化、數(shù)字化，以混勻自動(dòng)加倉、Block自動(dòng)劃分、自動(dòng)分倉、場地自動(dòng)分配等智能模型加持，具備作業(yè)任務(wù)自動(dòng)生成、作業(yè)實(shí)績自動(dòng)記錄、庫存自動(dòng)更新、報(bào)表自動(dòng)生成等功能，實(shí)現(xiàn)原料作業(yè)全過程的智能化管理。

3.1 信息互通

信息互通是智能化管理系統(tǒng)的重要作用之一，也是管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)功能。管理系統(tǒng)與MES系統(tǒng)互通獲取來料信息，同步物料品種，推送作業(yè)實(shí)績和統(tǒng)計(jì)報(bào)表；與計(jì)量系統(tǒng)互通，獲取過磅數(shù)據(jù)，推送驗(yàn)收入庫信息；與基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)互通，跟蹤物料流轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)分類庫存，采集設(shè)備狀態(tài)和故障信息；與數(shù)字孿生平臺(tái)互通，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化。

3.2 過程追朔

通過信息互通智能化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了料場中物料流對(duì)應(yīng)的信息流，使生產(chǎn)過程的每一步可追朔成為可能，管理系統(tǒng)的另一個(gè)重要功能就是將這種可追溯的信息可視化、可查詢、可分析。物料流轉(zhuǎn)過程的一個(gè)最重要的數(shù)據(jù)是物料重量，這使得皮帶秤作為主要計(jì)量裝置顯得尤為重要，皮帶秤的配置和定期校準(zhǔn)、維護(hù)成為智能化料場正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。皮帶秤在物料進(jìn)場、出場的路徑和內(nèi)部關(guān)鍵的轉(zhuǎn)運(yùn)路徑上進(jìn)行配置。

庫存是原料場的主要運(yùn)營數(shù)據(jù)之一，曾一度時(shí)期三維激光掃描成為料場盤庫的流行方法。在沒有管理系統(tǒng)對(duì)物料轉(zhuǎn)運(yùn)跟蹤計(jì)量的情況下，通過三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行盤庫是代替人工盤存的優(yōu)選方法，但是其庫存是體積庫存，由于堆密度與多種因素相關(guān)無法準(zhǔn)確獲取導(dǎo)致?lián)Q算的庫存數(shù)據(jù)并沒有通過皮帶秤計(jì)量的結(jié)果更準(zhǔn)確。因此本文中庫存以皮帶秤計(jì)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，輔以掃描體積庫存進(jìn)行校驗(yàn)。

3.3 決策支持

決策支持是智能化管理系統(tǒng)最能體現(xiàn)智能的功能。智能化管理系統(tǒng)在信息互通和過程追朔的基礎(chǔ)上，通過大量數(shù)據(jù)的優(yōu)化計(jì)算，對(duì)原料場場地分配、料倉分配、加倉計(jì)劃、混配計(jì)劃等生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃給出優(yōu)選方案，對(duì)生產(chǎn)決策給予支持。

值得注意的是，大部分的優(yōu)化模型在對(duì)約束條件或多或少的簡化后，適用于相對(duì)理想的生產(chǎn)工況。在實(shí)際應(yīng)用過程中，模型對(duì)異常干擾的應(yīng)對(duì)，對(duì)各種耦合條件的解耦才是成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

4 數(shù)字孿生平臺(tái)

數(shù)字孿生平臺(tái)是一個(gè)同步再現(xiàn)實(shí)際料場空間、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程的可視化平臺(tái)。新鋼綜合料場數(shù)字孿生平臺(tái)在料場及設(shè)備三維模型的基礎(chǔ)上，集設(shè)備狀態(tài)信息、料場堆型數(shù)據(jù)、生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、視頻信號(hào)于一體，具有全局三維概覽、數(shù)字看板、庫存信息、設(shè)備信息、視頻監(jiān)視、報(bào)警信息、漫游解說等功能，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全過程可視化，直觀掌握料場生產(chǎn)動(dòng)態(tài)。

該平臺(tái)涵蓋內(nèi)容豐富全面，但對(duì)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)配置的要求還比較高，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，平臺(tái)的架構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化，輕量化，以便于網(wǎng)絡(luò)訪問和展示。

5 結(jié)語

鋼鐵原料場智能化、無人化在近幾年發(fā)展很快，新鋼智能化綜合料場是一個(gè)比較成功的案例，盡管如此，相關(guān)的技術(shù)還有較大的優(yōu)化空間。本文結(jié)合前期研究成果和實(shí)際工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新鋼智能化綜合料場實(shí)踐中技術(shù)優(yōu)化和關(guān)鍵要素進(jìn)行總結(jié)和思考，希望本文有助于原料場智能化系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，有助于推進(jìn)鋼鐵原料場智能化技術(shù)升級(jí)。