技術(shù)引領(lǐng)，開啟有色金屬領(lǐng)域新篇章
—陽極銅堆場智能重載搬運(yùn)系統(tǒng)介紹

供稿/胡曉飛 采編/馬 晨

電解銅生產(chǎn)是銅冶煉業(yè)的核心方法之一，用于從銅礦石或廢銅中提取高純度的銅金屬，生產(chǎn)各種銅制品，如導(dǎo)線、管道、合金等。其生產(chǎn)工藝包括礦石選礦、熔煉、電解、收集和提煉等主要步驟。該生產(chǎn)工藝具有高效、環(huán)保特點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在電解銅的生產(chǎn)過程中，陽極板轉(zhuǎn)運(yùn)存儲是銅冶煉智能化生產(chǎn)中重要的物流環(huán)節(jié)，需要將精煉車間產(chǎn)出的陽極銅板轉(zhuǎn)運(yùn)到電解車間進(jìn)一步加工。在現(xiàn)有的工藝中，陽極板往往通過叉車，貨車等搬運(yùn)式交通工具在廠內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸，不僅成本高，效率低下，危險系數(shù)高，且無法24 h 不間斷作業(yè)。眾多電解銅生產(chǎn)企業(yè)在陽極板轉(zhuǎn)運(yùn)存儲環(huán)節(jié)，有著強(qiáng)烈的智能化升級的內(nèi)在需求。

北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司( 以下簡稱北起院) 作為智能搬運(yùn)系統(tǒng)的重要生產(chǎn)企業(yè)，結(jié)合電解銅陽極板廠內(nèi)物流智能化升級的發(fā)展潮流，融合陽極板以組為單元進(jìn)行專用貨架存放的工藝特點(diǎn)，研制陽極銅堆場智能重載搬運(yùn)系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)起重機(jī)技術(shù)架構(gòu)，集緊湊性結(jié)構(gòu)布置，同步性傳動設(shè)計(jì)，高精度精確定位及5G數(shù)據(jù)互聯(lián)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)與一體，實(shí)現(xiàn)陽極板堆場搬運(yùn)機(jī)械的全面智能化提升。下面以我司與某電解銅生產(chǎn)企業(yè)合作的銅陽極板廠內(nèi)物流智能化升級項(xiàng)目為例對該系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

設(shè)備應(yīng)用場景描述

本項(xiàng)目以工業(yè)5G 通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，通過陽極銅堆場智能重載搬運(yùn)系統(tǒng)與RGV 等物流設(shè)備的接駁，實(shí)現(xiàn)陽極板轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲；通過AI算法、自動避障、柔性調(diào)速自動運(yùn)行、智能調(diào)度系統(tǒng)等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)陽極銅堆場智能重載搬運(yùn)系統(tǒng)智能調(diào)度與控制，針對銅冶煉核心工藝對物流配送路徑和運(yùn)輸模式的精益化規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)物流轉(zhuǎn)運(yùn)路徑和裝載的優(yōu)化。

陽極板廠內(nèi)物流工藝如（圖1）所示。本項(xiàng)目智能重載搬運(yùn)系統(tǒng)包括3 臺25 t 智能接力門式起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）（圖2），1 臺25 t 貨場智能懸臂門機(jī)。3 臺智能接力門機(jī)的工作區(qū)域?yàn)榫珶捾囬g至電解車間的運(yùn)輸路段，該路段全程410 m，共布置了208個貨位供轉(zhuǎn)運(yùn)陽極板。1 臺智能懸臂門機(jī)的工作區(qū)域?yàn)殡娊廛囬g南面的陽極板貨場，貨場共布置了130 個貨物，當(dāng)精煉車間的陽極板無法提供給電解車間時，將由智能懸臂門機(jī)從貨場調(diào)取陽極板送入電解車間完成生產(chǎn)任務(wù)。

圖1 陽極銅堆場智能搬運(yùn)系統(tǒng)工藝

圖2 智能接力門機(jī)

陽極板轉(zhuǎn)運(yùn)起始點(diǎn)（精煉車間）位于生產(chǎn)區(qū)域的西區(qū)，首先由圓盤澆鑄機(jī)生產(chǎn)成熱態(tài)陽極板，取板桁架機(jī)械手將陽極板抓取至清洗線完成清洗檢測工藝后，由RGV 軌道小車將陽極板從精煉車間運(yùn)送到西側(cè)接駁點(diǎn)，在此1 號智能接力門機(jī)全自動與RGV 精準(zhǔn)對接，將RGV上的48 片陽極板（約24 t）取出，按照上位調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的貨架位號，自動完成精準(zhǔn)入貨位，接著由2 號、3 號智能接力門機(jī)完成整條轉(zhuǎn)運(yùn)道路的接力搬運(yùn)工作，最終在道路東側(cè)接駁點(diǎn)，由3 號智能接力門機(jī)與RGV 接駁，將陽極板送入轉(zhuǎn)運(yùn)終點(diǎn)（電解車間）完成后續(xù)的電解工藝。

系統(tǒng)特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

我司供貨的智能重載搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，智能化程度高，能有效幫助客戶完成減人增效的優(yōu)化目標(biāo)。該項(xiàng)目投產(chǎn)后，每年將為客戶節(jié)省上千萬的廠內(nèi)運(yùn)輸成本。在技術(shù)創(chuàng)新方面，系統(tǒng)從電氣技術(shù)、智能調(diào)度管控系統(tǒng)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面有著眾多核心技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)。

1）在電控技術(shù)及管控平臺創(chuàng)新點(diǎn)

①工業(yè)5G 專網(wǎng)通訊

本項(xiàng)目為戶外工況，轉(zhuǎn)運(yùn)通道長達(dá)400 多米，并與智能懸臂門機(jī)貨場形成不規(guī)則形狀工作區(qū)域。傳統(tǒng)工業(yè)有線、無線方式均不適用。經(jīng)設(shè)計(jì)評估后，采用工業(yè)5G 專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備通訊。廠內(nèi)設(shè)工業(yè)5G基站，在4 臺起重機(jī)上均裝有5G無線數(shù)據(jù)終端（圖3），通過超低延時5G 網(wǎng)絡(luò)，與上位系統(tǒng)通訊傳輸任務(wù)指令、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)，且在通訊中設(shè)置有心跳檢測，可實(shí)時檢測當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)情況，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)卡頓、掉線等情況，現(xiàn)場端起重機(jī)隨即停止當(dāng)前任務(wù)，原地待機(jī)，等待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再人工處理先前任務(wù)，保證無指揮不運(yùn)行。

圖3 工業(yè)5G 數(shù)據(jù)終端

②高精度定位

傳統(tǒng)起重機(jī)定位方式為使用機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行相對位置定位，此項(xiàng)目采用絕對位置編碼尺定位，全長410 m，戶外專用高防護(hù)等級。各機(jī)構(gòu)運(yùn)行時，以絕對位置進(jìn)行定位，可降低打滑及設(shè)備慣性等因素帶來的精度損失。現(xiàn)場實(shí)測重載情況下定位精度可達(dá)±5 mm 以內(nèi)。

③柔性調(diào)速功能

因設(shè)備執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)時，前往的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置是確定的，且最大運(yùn)行速度也已知，所以在人為設(shè)定一個柔性加速度后，根據(jù)運(yùn)行距離可反推出設(shè)備自動加速運(yùn)行后的最高速度。通過智能算法生成連續(xù)的速度給定到變頻器即可實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)速。現(xiàn)場實(shí)測運(yùn)行曲線非常平順，具有優(yōu)異的電子防搖擺特性，且比傳統(tǒng)多檔位調(diào)速提高了運(yùn)行效率，并降低了頻繁升降檔帶來的機(jī)械沖擊。

④大跨度門機(jī)程序糾偏功能

現(xiàn)場的大跨度智能雙懸臂門機(jī)（圖4）主梁總長達(dá)42.2 m，兩側(cè)支腿間距30.8 m，在吊起24 t 物料后小車停在兩側(cè)懸臂上時，大車行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行會出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。本項(xiàng)目在主梁兩側(cè)支腿加裝位置檢測裝置，實(shí)時監(jiān)測兩端運(yùn)行位移差值，當(dāng)大于允許值時糾偏功能開啟介入，將快的一側(cè)電機(jī)速度微降，小于允許值即關(guān)閉，實(shí)時監(jiān)測實(shí)時調(diào)節(jié)達(dá)到動態(tài)平衡。現(xiàn)場測試動態(tài)運(yùn)行時可將偏斜降低至5 mm 以內(nèi)。

圖4 智能雙懸臂門機(jī)

圖5 設(shè)備接駁區(qū)

⑤設(shè)備接駁區(qū)智能待機(jī)避讓功能

現(xiàn)場陽極板出入庫RGV 與智能接力門機(jī)均需進(jìn)入東、西兩側(cè)接駁區(qū)進(jìn)行貨物轉(zhuǎn)運(yùn)對接，因此設(shè)備的時序控制與調(diào)度異常關(guān)鍵。為此在智能接力門機(jī)進(jìn)入接駁區(qū)之前，設(shè)計(jì)增加等待區(qū)。智能接力門機(jī)受上位調(diào)度系統(tǒng)的位置管控，在進(jìn)入接駁區(qū)之前在等待區(qū)待機(jī)，當(dāng)RGV就位完畢，并獲得上位調(diào)度系統(tǒng)的進(jìn)入許可，方可進(jìn)入接駁區(qū)對接RGV。

⑥智能調(diào)度系統(tǒng)

智能調(diào)度系統(tǒng)（圖6）由我司自主研發(fā)，在標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程、規(guī)范的操作過程的基礎(chǔ)上，根據(jù)廠區(qū)DCS 相關(guān)信息及庫存情況等，基于生產(chǎn)管理思想，自主決策陽極板管理方案及智能起重機(jī)調(diào)度方案，完成設(shè)備任務(wù)流程管控、上下游作業(yè)協(xié)同等，實(shí)現(xiàn)陽極板轉(zhuǎn)運(yùn)過程自動化、無人化。

圖6 智能調(diào)度系統(tǒng)

該調(diào)度系統(tǒng)采用工業(yè)自動化、IT 信息技術(shù)、AI 算法、智能傳感與定位、電氣防搖、無人駕駛、智能調(diào)度、虛擬庫區(qū)、3D 數(shù)字建模、工業(yè)無線通訊等行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，充分結(jié)合庫區(qū)布局、庫內(nèi)業(yè)務(wù)內(nèi)容和作業(yè)流程，本著智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、減人增效的基本原則進(jìn)行設(shè)計(jì)、部署。有效提高庫區(qū)相關(guān)業(yè)務(wù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，實(shí)現(xiàn)無人化庫區(qū)管理，輔助生產(chǎn)決策，提升庫區(qū)安全、作業(yè)效率和管理效益以及庫區(qū)的整體數(shù)字化和智能化水平。

2）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

①下橫梁裝設(shè)起升動力系統(tǒng)

結(jié)合設(shè)備的作業(yè)特點(diǎn)，突破傳統(tǒng)門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)型式，起升機(jī)構(gòu)布置在起重機(jī)一側(cè)下橫梁，方案主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：將傳統(tǒng)門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)頂部設(shè)置方案的凈空需求高度顯著壓縮；維保人員攜帶工器具由原有的攀爬至起重機(jī)主梁改換直接在地面開展相關(guān)作業(yè)，設(shè)備維保的便捷性和安全性明顯提高。同時另外一側(cè)下橫梁安裝電氣柜、電阻箱等電氣裝置，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊程度顯著提升。

②起升機(jī)構(gòu)立式布置

傳統(tǒng)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)以平面臥式布置為主，本系統(tǒng)針對起升機(jī)構(gòu)下橫梁安裝方案，結(jié)合起重機(jī)寬度尺寸壓縮需求，首次采用以三支點(diǎn)減速器立式布置為基礎(chǔ)的整套起升機(jī)構(gòu)立式安裝（圖7）方案，減速器通過起重機(jī)中橫梁和固定至下橫梁的底座進(jìn)行有效固定，位于減速器上端的輸入軸以聯(lián)軸器、浮動軸等與起升電動機(jī)進(jìn)行連接，位于減速器下端的輸出軸則通過卷筒聯(lián)軸器與四聯(lián)鋼絲繩卷筒對接，整套起升機(jī)構(gòu)以上部設(shè)置電動機(jī)及制動器，下部設(shè)置四聯(lián)鋼絲繩卷筒的立式特點(diǎn)進(jìn)行布置，充分利用了門式起重機(jī)支腿高度空間的同時，有效降低了傳統(tǒng)起升機(jī)構(gòu)平面布置導(dǎo)致的車體尺寸超寬缺點(diǎn)。

圖7 起升機(jī)構(gòu)立式安裝

③四繩聯(lián)動同步升降鋼絲繩繞繩系統(tǒng)

系統(tǒng)考慮戶外門式起重機(jī)的作業(yè)效率要求，采用剛?cè)岵?jì)的特種機(jī)械防搖機(jī)構(gòu)，為保證機(jī)械防搖機(jī)構(gòu)工作不收起升鋼絲繩系統(tǒng)作業(yè)時產(chǎn)生的斜拉力影響，總體以四繩聯(lián)動鋼絲繩卷筒為基礎(chǔ)，四根鋼絲繩自卷筒出繩至楔形繩套收繩全長范圍充分考慮活動繩段部分各根鋼絲繩長度變動的一致性，確保吊具始終處于垂直升降的作業(yè)狀態(tài)。

④ 剛?cè)岵?jì)機(jī)械防搖機(jī)構(gòu)

陽極板在搬運(yùn)過程當(dāng)中需要多次進(jìn)出存儲貨架進(jìn)行倒運(yùn)，因此貨架與陽極板的定位誤差控制要求精度較高，連續(xù)倒運(yùn)所導(dǎo)致的累積誤差消除較為關(guān)鍵，同時起重系統(tǒng)與攜帶不同安裝誤差的數(shù)百套陽極板存放貨架的有效對接也極為關(guān)鍵。為此吊具配置定位套筒與貨架配置定位錐進(jìn)行精準(zhǔn)引導(dǎo)定位以避免陽極板取放動作失效故障出現(xiàn)，針對該技術(shù)方案起重系統(tǒng)采用傳統(tǒng)剛性防搖導(dǎo)柱與自主研發(fā)的自適應(yīng)錐筒底部定位相結(jié)合的技術(shù)思路，實(shí)現(xiàn)剛性與柔性的有機(jī)結(jié)合，柔性體現(xiàn)為起重機(jī)吊具下降至低位能夠由原有的導(dǎo)柱鎖定防搖狀態(tài)被釋放至吊具靈活浮吊狀態(tài)以滿足吊具對各個陽極板貨架精準(zhǔn)引導(dǎo)對位要求，剛性體現(xiàn)在吊具升至高位后平移機(jī)構(gòu)運(yùn)行時可以防搖抑?jǐn)[的技術(shù)性能。機(jī)構(gòu)在剛性防搖導(dǎo)柱底部設(shè)置外錐筒，側(cè)壁設(shè)置擋塊，吊具頂部設(shè)置內(nèi)錐筒，防搖導(dǎo)柱下放至預(yù)定高度后，擋塊動作阻止防搖導(dǎo)柱繼續(xù)下降，吊具則繼續(xù)下放，實(shí)現(xiàn)吊具和防搖導(dǎo)柱的有效分離，同時防搖導(dǎo)柱外錐筒和吊具內(nèi)錐筒分離后的設(shè)計(jì)間隙滿足吊具受貨架定位錐的引導(dǎo)進(jìn)行微動的作業(yè)要求。同時外錐筒和內(nèi)錐筒之間設(shè)置拉掛裝置，確保防搖導(dǎo)柱卡滯時吊具對防搖導(dǎo)柱的重力牽引作用，達(dá)到機(jī)構(gòu)通暢作業(yè)的技術(shù)目的。

⑤ 陽極板組專用智能吊具

專用智能吊具（圖8）由鋼絲繩滑輪、吊臂結(jié)構(gòu)、動力開合系統(tǒng)和動力傳動機(jī)構(gòu)組成，驅(qū)動方案以一臺三合一驅(qū)動單元連接雙連桿帶動吊臂實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步以達(dá)到實(shí)現(xiàn)對陽極板的取放，傳動機(jī)構(gòu)簡練，同步性穩(wěn)定可靠。智能技術(shù)方面，吊具自帶吊臂的打開到位、閉合到位、落到位等系列智能化檢測手段，確保吊具取放陽極板動作的精準(zhǔn)性。各到位檢測措施除電子監(jiān)測之外，各另外配置獨(dú)立的機(jī)械限位裝置，達(dá)到吊具各個關(guān)鍵動作冗余設(shè)計(jì)的高度可靠性。

圖8 專用智能吊具

北起院自主研發(fā)的陽極銅堆場智能重載搬運(yùn)系統(tǒng)為銅電解企業(yè)陽極板轉(zhuǎn)運(yùn)工作帶來諸多優(yōu)勢和效益。優(yōu)化陽極板的轉(zhuǎn)運(yùn)流程，減少人為干預(yù)，從而提高操作效率和準(zhǔn)確性。降低人力成本，同時減少了潛在的人為錯誤和事故風(fēng)險。在危險環(huán)境下操作，減少人員接觸風(fēng)險。此外，它可以提供實(shí)時監(jiān)控和報(bào)警功能，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的安全問題。幫助企業(yè)進(jìn)行精細(xì)化管理和決策，優(yōu)化流程并改進(jìn)效率。