軋后庫無人化起重機控制安全策略的研究*

張 勇 張衛斌 王 栓 陸順峰 王朱濤

1 江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 蘇州 215600 2 江蘇沙鋼集團有限公司 蘇州 215625

0 引言

市場監管總局印發的《特種設備安全與節能事業發展“十四五”規劃》指出，要切實提高特種設備安全監管效能，加快起重機械損傷感知與健康監測技術創新。特別是冶金行業的橋式起重機工作環境更為惡劣，金屬結構長期承受高溫輻射，并且在表面往往會沉積大量冶煉過程中產生的灰塵。由于這些因素的影響，起重機面臨著使用管理、檢驗檢測、市場監管等方面的痛點、難點。因此，冶金企業的起重機亟需整體健康狀態評估與預警，控制生產管理、檢驗檢測、市場監管等各個環節的風險。

無人化、自動化是起重機械發展的一個重要方向。無人化起重機在國內的探索與研究正在開展，工信部“建設智能制造標準試驗驗證公共服務平臺（5G 新一代信息技術與鋼鐵行業融合）”項目明確提出，要制定《智能制造 鋼鐵行業 無人化起重機通用技術要求》標準，該標準的制定將對我國的無人化起重機的研究與開發起到指導作用。

當前，網絡技術、智能感知技術、協同與控制技術得到了空前發展。對冶金行業而言，加快企業智能化進程，深度融合工業化和信息化將為冶金企業帶來新的機遇和發展。

冶金企業的起重機預警平臺包括數據采集、數據傳輸、及數據分析等模塊。自安全技術規范出臺至今，各類廠家生產的起重機械安全監控管理系統趨于完善、成熟、穩定，并已廣泛應用于不同類別和使用場合的起重機械。胡靜波等[1]從數據來源、現場采集技術、大數據預處理、大數據存儲技術、大數據分析技術、大數據挖掘方法、多類型用戶平臺架構和軟件實現等角度分析了起重機安全監管大數據平臺建設的難點；王松雷等[2]分析了目前起重機械監管存在的困難和原因，采用物聯網、4G 和云平臺技術，以無線遙控器為核心，研發了一套綜合性監管平臺，可以實現安全監控、安全監管、智慧維保、智慧特檢等功能，開發了硬件系統、終端小程序、遠程監管平臺，便于相關人員使用。傳感器優化布置是冶金企業起重機整體健康評估研究中十分重要的問題。基于動態特性的健康評估通常需要安裝多個傳感器，其安裝位置及數量對準確檢測結構動態行為具有十分關鍵的影響。Qin X R 等[3]利用改進的單親遺傳算法，提出了一種基于初始傳感器布局的傳感器優化布置方法，通過港口集裝箱起重機的算例驗證了該方法的有效性和可靠性；對于實際工程結構，往往需要考慮多個傳感器布置性能要求，Saleem M M等[4]利用卡爾曼濾波及多目標遺傳算法，實現了橋梁的多目標傳感器優化布置。

分析已有文獻，發現現有研究的無人化起重機安全控制系統有如下問題：

1）針對傳感器優化布置問題的研究頗多，從單目標到多目標優化、單工況到多工況數據、單類型到多類型傳感器，這些方法都較好地實現了特定環境下特定結構的傳感器優化布置，而冶金企業起重機因結構復雜性與載荷多樣性等因素所致多類型傳感器的多目標優化布置問題尚待進一步研究。

2）市場上冶金企業的起重機安全監管系統日趨完善、成熟、穩定，能較好地應用于特定場合下特定設備的安全監管，但系統的可遷移性不夠，且不大部分研究是硬件和軟件安全、起重機和數據管理分開研究探索，并沒有將其聯動設計研究。

軋后庫起重機是對軋制后的鋼板進行深加工的重要機械，本文對軋后庫起重機的無人化控制的安全策略進行研究，無人化起重機安全策略主要分為硬件安全策略和軟件安全策略。通過硬件和軟件安全、起重機和數據管理聯系開發，望能為無人化起重機的發展提供有益探索。

1 無人化起重機硬件安全策略設計

本文研究的對象是位于江蘇某公司冷軋板軋后庫8臺通用橋式起重機的無人化實施過程。

軋后庫是鋼板冷軋等待并進行后繼深加工的中間庫區，軋后庫的起重機械是冷軋鋼卷存卷、挪庫及深加工的重要生產設備。根據起重機械使用單位的技術要求，結合軋后庫自身的特點，在對現場起重機械及庫區物流流程詳細了解的基礎上，參照TSG Q7016—2016《起重機械安裝改造重大修理監督檢驗規則》、GB/T 6067.1—2010《起重機安全規程 第1 部分總則》相關規定，對軋后庫起重機械無人化改造項目的8 臺通用橋式起重機控制安全策略進行了設計。

冷軋板軋后庫共有2 跨，其中北跨5 臺、南跨3 臺起重機。庫區涉及4 個過跨車、5 個步進梁、3 個汽車運輸線、2 個打包區，庫區布置如圖1 所示。

圖1 軋后庫布置圖

起重機自動控制功能包括：操作方式、起重機本體自動控制系統、傳動控制系統、定位控制系統、防碰撞系統、吊具控制系統、防搖擺控制系統和數據系統等，實現起重機無人駕駛、精準定位、自動吊放鋼卷等功能。通過對起重機進行無人化改造，使其具有自動、遙控、手動、檢修4 種操作模式。

起重機本地自動化系統包括：對所需改造的起重機進行本體自動化改造，新增安全型PLC，系統以主從結合，全部采用以太網通訊方式。具體改造是在起重機電氣室布置控制器，在司機室、夾鉗信號柜內布置遠程I/O，減少起重機連接電纜，以滿足無人起重機的高可靠性控制要求，降低線路故障排查工作，減少電纜維護工作[5-8]。

1.1 傳動控制系統

起重機大小車、主起升傳動系統變頻器控制均采用通訊控制，并在鋼絲繩卷筒出軸處安裝絕對值編碼器用于測量主鉤高度；更換7 臺起重機主起升電動機為變頻電動機，同時新增主鉤變頻器，主起升變頻器采用閉環電流矢量控制算法或DTC 直接轉矩控制算法，可實現零速松閘或合閘，減少對制動器、鋼絲繩的磨損，減少維護費用，延長使用壽命；對起重機的大、小車減速電動機進行改造，變頻器利舊，大小車運行采用矢量化VF 控制算法，實現多個電動機之間的運行同步，精確實現剎車制動，同時啟動停止更柔和，減少起重機啟停時沖擊負載，減少起重機輪對軌道的磨損，延長大、小修時間。另外對主起升機構、大小車機構加裝在線振動、溫度等檢測傳感器。

1.2 定位控制系統

庫區需新增起重機定位設備，大車采用格雷母線定位方式，小車采用激光測距定位方式，且所有起重機都新增Z軸絕對值編碼器測定夾具高度，新增夾具旋轉編碼器測定夾具旋轉角度。

1.3 防碰撞系統

增加防碰撞功能，保證在PLC 系統或定位系統出現問題的情況下防碰撞系統仍然有效，防止起重機之間發生碰撞事故。

1.3.1 起重機間防撞

同一跨存在手動或遙控起重機時，需要考慮與無人起重機的防撞與避讓，防撞策略為：

1）手動/遙控起重機增加大車測距功能、指示燈；

2）無人起重機運動時，如果被手動/遙控起重機擋住，則通過指示燈通知手動/遙控起重機避讓；如果沒有被擋住，則鎖住運動路徑進行運動；

3）手動起重機進行手動移動時，經起重機PLC 判斷是否碰到被無人起重機鎖住區域，如碰到則手動起重機無法通過；

4）手動起重機與無人起重機雙向之間安裝有激光測距儀，當發現對方離自身距離小于安全距離時進行停車；系統具有起重機規避安全通道功能，起重機在自動運行中，按照設定路線吊卷或者空載行走，避開安全通道及工藝要求的安全區域。系統具有地面障礙物回避控制功能，在無人起重機的移動區間里存在地面障礙物時，吊具以最優路徑向目標移動，實現安全吊運、避免與障礙物相撞的控制（見圖2）。

圖2 起重機避讓危險區域

1.3.2 避讓功能

系統具有多臺起重機之間避讓功能，該規避功能的實現包括3 個層次。

1）起重機之間的規避按照后車避讓前車的原則，由無人起重機自動化控制系統(Warehouse Management System，WMS)安排避讓調度指令，按工作指令優先級優化起重機之間的防撞控制。先接到指令的起重機優先動作，排在后面的起重機避讓排在前面的起重機，一個起重機運行，一個起重機回避；

2）地面安全控制器實時采集起重機運行的坐標數據，執行20 m減速運行，10 m制動功能（該距離可設置），實現起重機之間的安全避讓；

3）起重機本身具有激光距離檢測傳感器和限位開關實現最終的防碰撞保護，一旦監測到越限則按照設定的程序動作。

1.3.3 固定危險區域吊運軌跡最優設計

冷軋廠酸軋車間軋后庫鋼卷存放位置、吊運軌跡的優化直接關系到整個庫區的運行效率和起重機運行能耗，本方案自鋼卷入庫之后，全程進行庫位的優化計算。

鋼卷入庫時，WMS 系統跟蹤作業規則自動確定最優的存放區域；多個庫的鋼卷推薦算法的推薦規則根據車間業務需求確定。系統根據制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）的上料計劃實現自動倒跺，將目標鋼卷提前擺放到上料口附近。根據最優吊運效率要求，自動分配起重機執行本吊運任務、自動調度起重機執行，實現庫區作業效率最優。起重機自動避讓障礙物，自動規劃路徑，并且實現無靜止點通過，大大提升庫區起重機的運轉效率[9，10]（見圖3）。

圖3 無人起重機無靜止點通過示意圖

2 無人化起重機軟件安全策略設計

無人起重機的自動庫管系統是在常規庫區管理系統WMS 基礎上增加了各類自動化設備接口、庫區自動作業管理、起重機調度、無人控制、遠程監控等功能。自動WMS 系統是無人起重機的控制核心，在系統發生故障的情況下能夠確保數據不丟失。

2.1 庫區起重機作業自動排程

起重機WMS 系統根據庫區業務計劃自動形成起重機作業。一條完整的起重機作業主要包括：吊卷位置、放卷位置、鋼卷屬性(鋼卷的ID、寬度、自重、質量、外徑和內徑)以及作業路徑等，MES 通過相關的通訊接口實現信息的交互。系統根據作業優先級、起重機位置、起重機狀態等信息，調度庫區起重機分配起重機任務。

2.2 多起重機作業自動調度

對運輸鋼卷的起重機實時狀態進行監控，根據作業任務合理分配作業指令，引導、協調相關轉運設備完成鋼卷的運轉任務。起重機作業實時狀態顯示在終端畫面上，同跨多車同時作業時，具備沖突和實時調度功能，以免起重機作業時相撞造成事故。系統具備優化管理功能，包括起重機作業指令優化、吊運路徑優化、多車任務優化、物料存儲優化、起重機避障路徑計算等，庫管系統規則要求可自定義。

2.3 起重機與設備的聯鎖控制

當起重機作業與地面移動設備有關時，起重機中控系統會根據移動設備的狀態實時控制起重機。當起重機執行上料作業指示時，起重機中控系統會與生產線控制系統實時交互，完成設備動作安全連鎖設置、吊放位置確定和鋼卷信息的傳送。當起重機自動作業順利完成后，將作業結果同步到生產線控制系統，并解除設備安全聯鎖狀態，做到產線生產與起重機作業安全無縫對接和諧生產。

2.4 人機交互和 HMI 操作控制

在無人起重機控制室中布置相應的操作站，操作員在控制室通過人機操作系統（Human Machine Interface，HMI）監控整個庫區的運行（見圖4），HMI系統即WMS 的客戶端，客戶端包括：庫區庫存圖形化顯示、用戶管理、設備智能配置、垛位鋼卷信息化管理、人工干預、應急處理等功能。

圖4 總覽界面

可對起重機等設備進行實時信息展示查看（見圖5），并具備模式切換、上斷點、急停等控制指令下達功能。客戶端操作界面設置登錄管理，操作權限分組管理。權限由低到高分別為只讀權限、可操作權限、可配置權限、廠家權限。只讀權限用戶只能查看設備、作業、配置等信息，不能修改，一般適用于上級領導查看信息。可操作權限用戶可以切換設備模式、調整作業順序和內容，但不能進行配置，一般適用于庫管值班人員。可配置權限除了有操作權限外，還可以對庫管系統進行配置，如修改作業優先級、修改作業范圍、修改垛位禁用等，一般適用于維護人員。廠家權限包含所有權限，以便廠家進行維護和升級。

圖5 起重機信息控制界面

3 應用實例

采用以上硬件程序防護、軟件程序防護的無人化起重機的控制系統目前已在軋后庫的起重機上試運行。根據現場鋼卷庫存管理要求，通過無人起重機位置跟蹤、防搖擺和防碰撞等控制技術可實現起重機無擺動、無沖擊吊運；實現垛位分配、起重機調度、起重機路徑規劃、危險區域管理、無靜止通過等功能，實現庫區全過程跟蹤與智能優化調度，達到減少工作強度、提高信息化程度、提升設備安全性、提升庫區運行效率等目標。

目前，該項目已經可以完成以下功能：1）以物流自動化為基礎，利用庫存管理平臺和無人化起重機調度與控制，對鋼卷的入庫、起重機的作業調度、倒垛、倒跨、出庫等過程進行全面跟蹤，實現庫房的精細化管理。2）優化人員結構，實現人員合理配備。利用統一監控、調度平臺，實現庫區無人化設備、系統集中化管理，進一步縮減人力投入。3）保障鋼卷吊運質量，避免鋼卷操作損傷。4）延長設備維護周期，降低事故率。5）起重機吊運作業標準化，提高起重機運行效率。

4 結論

經現場對該無人化起重機進行檢驗驗證，該無人化起重機的控制系統符合特種設備相關規范的要求，可以實現起重機械無人化運行,全方位提升了智能工廠的生產效率。