智能化的廢鋼自動配料系統(tǒng)設計策略

［摘 要］隨著智能制造技術在鋼鐵行業(yè)的發(fā)展應用，廢鋼的回收和利用在煉鋼過程中變得日趨重要。實現(xiàn)煉鋼區(qū)域廢鋼車間智能化運行，解決廢鋼天車無人化配料的技術難題已經(jīng)成為當務之急。通過智能化的廢鋼配料系統(tǒng)，結合激光掃描識別技術，對無人天車進行自動調(diào)度，可以從很大程度上解決鋼鐵行業(yè)在物料搬運中存在的普遍難題。文章結合前人的研究與實踐，給出了一種較為完整的設計方案，為煉鋼區(qū)域廢鋼車間的智能化建設提供了相應的技術服務與方案指導。

［關鍵詞］智能制造；廢鋼；智能化；配料系統(tǒng)；激光掃描

［中圖分類號］TM301.2 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0149–03

廢鋼配料是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)煉鋼過程中的關鍵工序，由于廢鋼品種繁多，場地擺放雜亂無章，現(xiàn)場還有各種自卸車輛穿插作業(yè)，存在著生產(chǎn)效率和物流效率較低、冶煉信息不暢通等問題。隨著自動化和智能化進程的加快，廢鋼的回收和再利用在煉鋼工藝流程中變得越來越重要，直接影響著鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。通過智能制造技術在廢鋼配料環(huán)節(jié)的應用，采用先進的自動化設備和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精確的廢鋼配料作業(yè)。

1 廢鋼車間概況

廢鋼配料是鋼鐵企業(yè)煉鋼車間在生產(chǎn)鋼水的過程中，根據(jù)所煉鋼種的特性和要求，將回收的各種廢鋼通過電磁吊行車按照一定的比例和重量加入到廢鋼槽后，再一起倒入加熱爐中的鐵水進行煉鋼的生產(chǎn)流程。圖1 為某大型鋼鐵企業(yè)廢鋼配料車間的平面布置，廢鋼車間通過外購貨運和內(nèi)倒自卸將各種廢鋼倒入指定的庫區(qū)存放，采用廢鋼跨和廢渣跨共4 臺電磁吸盤行車作業(yè)，其承擔的主要工作任務是廢鋼卸車、配料裝槽及配合檢修等作業(yè)。

2 廢鋼自動配料系統(tǒng)組成

廢鋼自動配料系統(tǒng)是一套基于無人天車技術、自動定位防搖技術、激光掃描識別技術及自動控制技術的綜合性系統(tǒng)，主要包括智能起重機無人搬運系統(tǒng)和智能庫區(qū)管理系統(tǒng)。智能起重機無人搬運系統(tǒng)主要是通過科學合理的調(diào)度管理，實現(xiàn)庫區(qū)所有智能天車多車協(xié)同作業(yè)，達到無人化運行，以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的司機駕操作業(yè)，可減人增效，提高車間的生產(chǎn)效率。智能庫區(qū)管理系統(tǒng)通過與MES 系統(tǒng)（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）及TMS 系統(tǒng)（車輛管理系統(tǒng)）的互聯(lián)，獲取作業(yè)計劃和指令解析后，生成任務并派發(fā)。依據(jù)廢鋼堆場的實時庫存狀態(tài)，分配具體的配料任務到無人天車，調(diào)度各無人天車作業(yè)，實現(xiàn)設備的自動化運行。同時依靠門禁道閘車牌識別系統(tǒng)，對現(xiàn)場的運輸車輛進行出入管理，實現(xiàn)庫區(qū)管理的信息化，提升料場的運維管理水平和效率。

本料場智能化的配料系統(tǒng)按照控制層級架構從上至下分解為計劃層、調(diào)度層、控制層及執(zhí)行層，如圖2 所示。

計劃層主要實現(xiàn)與上級生產(chǎn)管理系統(tǒng)（如TMS或MES） 的對接，如獲取廢鋼發(fā)車、入庫計劃，獲取車輛、車牌、運單等信息，同時向上級管理系統(tǒng)反饋車輛出庫、運單完成情況、卸貨作業(yè)完成信息等。調(diào)度層主要根據(jù)上級發(fā)出的生產(chǎn)計劃，給智能天車派發(fā)具體的裝槽工作任務，同時對廢鋼庫區(qū)各種廢料的庫存信息進行實時統(tǒng)計。控制層主要是通過各種可編程控制器，根據(jù)調(diào)度層下達的任務解析為控制指令，控制和驅(qū)動起重機等設備自動執(zhí)行各項作業(yè)任務，實現(xiàn)設備的無人化運行，并將實際的執(zhí)行結果傳遞給調(diào)度層。執(zhí)行層主要是根據(jù)控制層發(fā)出的指令，執(zhí)行具體的單個動作，對設備狀態(tài)和作業(yè)結果進行采集、變送及反饋。

3 無人電磁吊天車

天車作為鋼鐵企業(yè)最重要的搬運裝備，其運行效率直接影響煉鋼車間的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)天車依靠人工駕駛、遙控操作、地面指揮的作業(yè)方式，效率低下，安全可靠性差，勞動強度大，無法滿足自動化和信息化驅(qū)使下生產(chǎn)發(fā)展的需要。進入智能化時代，整個智能工廠結構不再是多層金字塔式結構，而是向著扁平化發(fā)展，即互聯(lián)網(wǎng)+ 智能服務信息系統(tǒng)。開發(fā)無人天車系統(tǒng)，實現(xiàn)天車與各生產(chǎn)工序、庫管物流、工廠管理系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)信息交換，并根據(jù)訂單生產(chǎn)，滿足客戶個性化需求，對實現(xiàn)智能制造、建設智能工廠意義重大。

無人天車采用PLC 電控系統(tǒng)，配備相應的CPU模塊、IO 模塊、模擬量模塊、電源模塊、通訊模塊等，大車、小車、起升機構均為變頻控制，配套變頻電機，同時配備起重機電子稱重系統(tǒng)，稱重精度可以滿足實際作業(yè)和控制精度需求。采用當前先進的位置檢測傳感器，絕對值編碼尺檢測吊具在大車運行方向的位置，激光測距儀檢測吊具在小車運行方向的位置，絕對值編碼器檢測吊具在起升運行方向的位置，3 個數(shù)據(jù)結合起來可以形成吊具的3D 空間坐標。這樣，起重機三維位置檢測系統(tǒng)就能實時檢測起重機的三維位置，通過 PLC 的調(diào)度子程序，向起重機發(fā)送目標位置。車載 PLC 接收到該位置后，控制各機構變頻器驅(qū)動各機構電機向目標位置運行，通過一定的起重機定位優(yōu)化算法，當起重機停止時，剛好達到目標位置，可有效提高定位效率。同時，天車自帶電子稱重系統(tǒng)，可以檢測出吊具吸料的重量。PLC 控制器通過無線通信的方式與庫區(qū)管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機軟件給定的目標位置自動運行到庫區(qū)吸取廢鋼，然后搬運到槽車停放的位置加料到車斗，整個配料過程不需要人工干預，完全能夠?qū)崿F(xiàn)全自動無人化運行。

4 機器識別系統(tǒng)

機器識別系統(tǒng)采用三維激光掃描識別和智能建模技術，通過傳感器實時獲取堆場物料、廢鋼料斗等3D 點云數(shù)據(jù)，利用相應的圖像及數(shù)據(jù)處理硬件和軟件系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行建模、解析，實時計算出堆場物料邊界、高度等狀態(tài)信息，并準確測算物料體積，估算物料庫存重量。3D 掃描數(shù)據(jù)是智能化系統(tǒng)任務規(guī)劃、作業(yè)調(diào)度及輔助人機交互的重要基礎數(shù)據(jù)。此裝置按照預先設定的掃描角度，以一定的角度分辨率連續(xù)不停地發(fā)射激光脈沖波，通過自身的移動或外部機構帶動掃描儀移動的方式，測量輸出每個測量點的距離，經(jīng)過反復多次掃描，能夠得到被測物體三維輪廓的點云數(shù)據(jù)，并且以DEM（數(shù)字高程模型）高程數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)在庫區(qū)管理系統(tǒng)。

廢鋼配料系統(tǒng)根據(jù)接收的廢鋼配方數(shù)據(jù)，通過安裝在天車上和停車區(qū)的激光掃描儀，對廢鋼料堆和廢鋼槽車進行三維建模。在此基礎上，通過智能算法自動規(guī)劃天車的取料位置、放料位置及最優(yōu)工作路徑，并通過工業(yè)無線網(wǎng)絡發(fā)送給智能天車，通過天車自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)廢鋼天車的無人駕駛并完成從廢鋼堆場取料和到廢鋼槽放料的重復性作業(yè)。

5 地面裝卸和車輛引導系統(tǒng)

由于無人天車系統(tǒng)智能化程度高，地面裝卸和輸送系統(tǒng)（如過跨料槽車、運輸車輛等地面設備）必然需要與天車系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互，實現(xiàn)聯(lián)動控制。運輸車輛智能調(diào)度管理系統(tǒng)作為該智能配料及倉儲管理系統(tǒng)一個重要的功能子系統(tǒng)，用于輔助物流中心廢鋼料場實現(xiàn)各類運輸車輛的高效管控。該調(diào)度管理系統(tǒng)與上級（供銷中心）的物流信息系統(tǒng)及料場智能管理系統(tǒng)本身進行對接和數(shù)據(jù)交互，且能與下級的無人天車、智能質(zhì)檢判級系統(tǒng)等進行聯(lián)動控制。車輛信息（主要指車牌號）由門禁道閘系統(tǒng)識別，車牌、貨物等信息與天車上位機系統(tǒng)自動完成信息對接。非準入車牌與非計劃入庫車輛駛?cè)霑r，車輛道閘不會自動開啟和放行，杜絕了其他車輛的任意進出。利用TMS 物流管理系統(tǒng)將車輛信息與物料信息提前綁定，當車輛進入廢鋼庫區(qū)后，通過車牌識別系統(tǒng)與轉(zhuǎn)爐MES 之間的相互對接，智能庫區(qū)管理系統(tǒng)即可自動獲取該運輸車輛的物料和運單信息。

6 庫區(qū)管理系統(tǒng)（WMS）

智能庫區(qū)管理系統(tǒng)主要用于廢鋼從卸車、質(zhì)檢、自動判級、入庫到存儲、倒運、智能配料、出庫整個生命周期的庫房物流的管理、跟蹤、記錄。智能庫區(qū)管理系統(tǒng)通過與天車智能調(diào)度系統(tǒng)、產(chǎn)線二級控制系統(tǒng)緊密集成，可提升庫區(qū)整體信息化和智能化水平，減少庫管崗位定員，改變傳統(tǒng)的人工指揮和人工紙質(zhì)記錄的生產(chǎn)管理模式，降低人為差錯和弄虛作假，提升庫區(qū)生產(chǎn)的計劃性、實時性及準確性。

WMS 及其智能調(diào)度管理系統(tǒng)作為無人天車搬運及智能庫區(qū)管理系統(tǒng)的核心，其主要功能包括以下方面。

（1）庫區(qū)規(guī)劃管理。對整個庫區(qū)的物理布局進行統(tǒng)一管理，為每種具體的廢鋼分配對應的庫位。

（2）庫存動態(tài)管理。根據(jù)每天入庫車輛的運單信息統(tǒng)計當天廢鋼的入庫量，通過實際執(zhí)行完的配料任務統(tǒng)計消耗量，還要實時計算每種物料的當前實際庫存，為后續(xù)的生產(chǎn)任務提供數(shù)據(jù)支持。

（3）作業(yè)任務管理。負責接收MES 或其他外圍信息管理系統(tǒng)調(diào)度員的生產(chǎn)計劃、發(fā)運計劃，結合庫區(qū)信息動態(tài)自動生成相關作業(yè)任務，并將作業(yè)實績返回給MES 或外圍信息管理系統(tǒng)。

（4）設備調(diào)度管理。對運輸物料的各種搬運設備（無人天車、汽車、槽車等）進行實時狀態(tài)監(jiān)控，根據(jù)作業(yè)任務合理分配作業(yè)指令，引導、協(xié)調(diào)相關設備按照最優(yōu)算法策略高效完成物料搬運任務。

智能庫區(qū)管理系統(tǒng)從MES、TMS 等上級管理系統(tǒng)接收物料數(shù)據(jù)、入庫計劃、上料計劃、出庫計劃等，自動生成作業(yè)任務，并解析為具體作業(yè)指令（工單）或信號下發(fā)給無人天車及其他庫區(qū)相關輸送設備。WMS 可以為每個物料選擇最合適的存儲庫位，通過自動生成各種天車作業(yè)指令來支持庫房內(nèi)物料的運轉(zhuǎn)。同時負責庫區(qū)規(guī)劃建模，制訂調(diào)度算法、異常處理策略等，實現(xiàn)天車、運輸車輛等設備調(diào)度及庫區(qū)作業(yè)全過程的智能化管控。

7 結束語

智能化的廢鋼自動配料系統(tǒng)通過開發(fā)部署一整套先進的智能化硬件和軟件系統(tǒng)，如對天車、運輸載具等庫區(qū)相關設備設施進行智能化升級，采用激光掃描、機器視覺、自動防搖、無人駕駛、虛擬庫房管理、工業(yè)無線及互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)先進技術。同時充分參照項目整體規(guī)劃布局，結合庫內(nèi)業(yè)務內(nèi)容和作業(yè)流程，本著智能化、信息化、網(wǎng)絡化、減人增效的基本原則，實現(xiàn)整個庫區(qū)管理與MES、TMS 等上級和外部信息管理系統(tǒng)的無縫對接與交互。通過自動對接生產(chǎn)計劃，合理安排生產(chǎn)任務，可以實現(xiàn)行車設備的智能調(diào)度、無人駕駛、全自動卸車和裝槽作業(yè)，并對地面運輸車輛進行有序管理，將顯著提升庫區(qū)信息化和智能化水平，同時大幅提升勞動生產(chǎn)效率和管理效率。

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