一種堆取料機智能化改造方案

供稿|金闖，滕樹滿，周茂濤 / JIN Chuang, TENG Shu-Man, ZHOU Mao-Tao

隨著“中國制造2025”的逐步推進，鋼鐵企業的裝備技術水平也在不斷提高。在現代化原料場的建設方面，國內各大鋼鐵企業逐漸形成了一套以先進設備為基礎、以自動化技術為主線、以數字化和信息化技術為助力的原料場建設理念，建設了一批技術先進、裝備一流、生產高效、綠色環保的智能化料場。對于部分老廠區的料場，堆取料機基本采用人工操作，工作要求高、強度大、現場環境差，為了改善這一現狀，各鋼鐵企業正在逐步嘗試對堆取料機及料場內其他設備進行自動化改造，以達到無人值守的目標。本文將重點介紹一種堆取料機智能化改造的方案。

堆取料機智能化系統改造方案

對堆取料機進行智能化改造，需設計搭建軟硬件平臺，并建立基礎自動化系統通訊，主要內容包含：堆取料機智能化系統架構的建立，堆取料機基礎自動化系統改造，堆取料機過程控制系統改造等內容。

建立堆取料機智能化系統架構

堆取料機智能化系統網絡圖見圖1。本系統包含堆取料基礎自動化系統和堆取料機過程控制系統。

堆取料機基礎自動化系統改造方案

堆取料機基礎自動化系統主要由堆取料機中控智能化設備、機上智能化設備、視頻監控設備組成。通過PLC控制器，控制堆取料機各機構動作，采集智能化檢測設備信號，保證堆取料機動作安全有序運行。

圖1 堆取料機智能化系統網絡圖

(1) 中控室設置操作臺。中控操作臺用于堆取料機工作中人工干預后備手段，在緊急情況下，可由操作人員在中控使用手柄控制堆取料機遠程作業。人工操作與自動操作可無縫切換，保證切換對作業流程影響最小。

(2) 增設操作終端。堆取料機新設置1臺操作終端，用于堆取料機人機交互。堆取料機智能化操作終端可進行一對多操作，即一臺終端可任意控制多臺堆取料機同時自動作業。

(3) 新增服務器。中控增加1套服務器柜，包含數據庫、圖像及應用服務器共用 1臺。

(4) 增設智能化PLC柜。增設智能化PLC控制柜，布置于中控電氣室。配置IO模塊用于采集操作面板控制信號，設置以太網卡，與堆取料機車載PLC、系統流程PLC及堆取料機過程控制系統應用服務器進行通訊。主要功能為：對中控PLC進行程序設計，實現操作臺料機選擇控制、遠程手動控制及堆取料過程控制接口程序；讀取料場內堆取料機當前位置，計算相鄰料場兩臺料機間相互位置，設計相鄰料場間料機防撞程序，對進入防撞區的堆取料機給出報警限制料機動作，并控制堆取料機避讓。

(5) 增設視頻監控系統。堆取料機智能化視頻監控作為全場視頻系統的一部分，采集堆取料機機上視頻圖像，在中控電氣室進行統一存儲管理。視頻監控系統硬件網絡系統圖見圖2。

圖2 視頻監控系統硬件網絡系統圖

監控系統總體架構從橫向的角度看可分為三個部分。前端接入層，主要負責現場圖像的采集；平臺管理層，負責前端設備接入及管理、賬號管理、認證鑒權、圖像資源調度、平臺錄像存儲、網管等；輸出顯示層，負責將平臺調度到的圖像通過高清解碼器輸出到中控室的電視墻進行顯示，或通過PC客戶端查看。

(6) 增設中控網絡設備。增設工業級交換機及網絡附件。建立中控與堆取料機的有線通訊網絡，分別設立視頻交換機、控制網交換機、數據網交換機，使視頻網絡、控制網絡、數據交互網絡相互獨立無干擾。

堆取料機過程控制系統改造方案

堆取料機過程控制系統主要由服務器、客戶端組成，采用Client/Server結構設置數據庫服務器、應用服務器、圖像服務器。與堆取料機基礎自動化系統通訊，讀取機上激光掃描儀數據及堆取料機狀態，進行三維計算，控制堆取料機作業流程，完成堆取料機狀態信息監控及料堆三維展示。

在堆取料機基礎自動化系統改造的基礎上，對堆取料機過程控制系統進行詳細設計：

(1) 建設通訊通道。

與車載PLC通訊：利用機上工業通訊模塊、工業網絡設備，采用光纜方式連接，建立中控與地面堆取料機之間工業以太網及工業控制網的鏈路，作為雙方各類信息交換的通信平臺。網絡設計配置有線通信方案，機上-轉運站間通過定制含光纖軟電纜進行連接通訊，轉運站-中控間通過光纜進行連接通訊。機上-轉運站-中控皆采用有線連接的方式進行通訊。

與中控智能化PLC通訊：使用以太網采用OPC協議讀取，對堆料機的設備狀態流程狀態進行監控，并下發自動作業命令。

與原料智能決策執行系統通訊：讀取作業計劃，并將作實績等信息發送給原料智能決策執行系統。

(2) 增設料堆數據采集設施，建立三維模型。

在堆料機懸臂兩側安裝高精度激光掃描儀，激光掃描儀通過網絡接口設備與中控圖像處理服務器通信。圖像服務器實時接收激光掃描儀點云數據，接收料機實時位置，并進行分析、處理、與料機狀態相匹配，并對初步處理后的數據進行存儲。用于后續數據計算及圖形展示和料堆補堆作業參考。

堆取料模型計算：圖像服務器與流程控制的應用服務器進行通信。對堆取料機當前作業任務進行跟蹤，同時調用數據庫中存儲的相關數據。通過數學模型將數據進行變換，完成三維建模，確定料堆在堆場高度、寬度、外部形狀等重要位置的坐標信息。

三維數據處理是三維成像模塊的核心功能：將三維建模后的料堆圖形，通過HMI畫面展示出，三維畫面可隨時調用，也可直接嵌入至計算機操作畫面。堆料作業中，實時跟蹤料堆堆型，提供料堆取料點周圍形狀的變化，并刷新生成料堆堆型圖。

(3) 增設人機交互界面。

中控設置人機交互界面，包含料場信息管理、取料機狀態顯示、過程數據監控、報警信息記錄、自動操作畫面和視頻監控系統，實現料場單機遠程統一監控管理。

(4) 建立堆料模型。

堆料流程管理：將堆料流程模塊化，從接收原料智能決策執行系統作業計劃至堆料結束，將各項工藝過程轉換為功能策略。流程管理在堆料不同階段調用不同功能策略。

料場管控系統：根據原料智能決策執行系統的作業計劃，分析處理后發送作業指令；同時設置調試用“人機交互界面”可人工按作業計劃設定料種、起始位置、終止位置、堆料總量，方便人工對堆料控制過程進行優化。下發計劃后流程管理判斷堆料機是否滿足運行條件，若滿足條件調用自動對位策略。

自動對位策略：堆料作業任務下發后，堆料機滿足自動對位要求。補堆時調用三維成像模型進行落料點計算，三維成像模型調用智能化系統堆料時，存儲在數據庫的料堆三維數據，對目標料堆進行三維計算，分析堆料落料點位置，并將位置信息反饋給堆料模型，開始自動對位。

堆取料機遛垛策略：當堆料機走行至堆料終止地址時，開始自動遛垛或根據剩余料量判斷是否進行自動遛垛。

(5) 建立取料模型。

取料流程管理：將取料流程模塊化，從接收原料智能決策執行系統作業計劃至取料結束，將各項工藝過程轉換為功能策略，在取料不同階段調用不同功能策略。料場管控系統根據原料智能決策執行系統的作業計劃，分析處理后發送作業指令，同時設置調試用“人機交互界面”按作業計劃設定料種、起始位置、終止位置、取料總量、開層長度、取料分層、并確定寸動量，方便人工對取料控制過程進行優化。下發計劃后流程管理系統判斷取料機是否滿足運行條件，若滿足條件則調用自動對位策略；自動對位完成后，調用自動取料策略，實現取料機回轉取料及邊界寸動；在取料過程中，調用邊界流量策略和取料流量策略，保證取料量穩定；取料機取料至計算開層量后，調用換層策略實現取料機自動換層。

(6) 設置故障分析處理方案。

采用多種檢測保護方案，對故障進行分析處理，設置軟限位及硬件限位，通過精確定位裝置對取料機前進、后退、上仰、下俯、回轉左右極限進行限定，保證大車運行過程中的安全。根據中控PLC中堆取料機間防撞判斷，發出報警，提示操作人員進行干預，提高故障處理效率。

堆取料機智能化系統作業方案

料堆的激光成像掃描儀安裝在堆取料機大臂兩側，當堆取料機作業開始時自動啟動掃描儀工作，作業過程中實時采集料堆三維數據，形成三維圖形，當作業完成時，自動停止掃描儀工作。堆取料機智能化系統作業方案為：

(1) 堆取料機自動作業開始時，自動啟動掃描儀開始工作，根據作業指令、三維圖形以及模型計算的結果，控制堆取料機完成自動對位并實時采集料堆數據，形成三維圖形。

(2) 當堆取料機在堆料作業時，根據實時形成圖形和采集的三維數據，判斷料堆高度以及料堆的邊界，配合料位計控制大機完成自動堆料作業；堆料作業完成后，最新的料堆信息保存于數據庫，以備為后續的自動堆料或自動取料作業提供作業數據。

(3) 當堆取料機在取料作業時，根據采集的三維數據和更新的三維圖形，實時模型計算出堆取料機的取料回轉角度，控制堆取料機的大臂回轉；同時根據實時三維圖形和當前流量，實時控制堆取料機的回轉速度和進斗深度；對于有塌垛的情況，根據三維圖形的實時性，通過模型計算，便于自動取料控制的調整，防止悶斗等對設備產生的危害。

(4) 堆取料機的堆料和取料過程中實時采集料堆數據，形成料堆三維圖形，保存于數據庫，形成數據共享?？梢詫崟r進行盤庫及料堆三維、二維電子地圖的生成，便于庫存管理和作業指導工作，實時導出作業信息及庫存信息報表。

堆取料機智能化改造效果分析

堆取料機改造方案充分運用信息網絡、三維掃描、精確定位等技術，從智能、高效、安全等方面入手，通過系統性的更新升級提升原料場堆取料機的綜合控制和管理水平。建立原料場堆取料機視頻監控系統，通過 TCP/IP協議將料場視頻信息匯總至中控集中監控，完善料場監控管理。對料場堆取料機進行智能化升級，實現料場系統的自動化與信息化。

(1) 根據三維模型，準確計算出料堆的邊界角度，有效控制堆取料機回旋角度，確保堆取料機不空轉。取料流量的穩定控制：根據斗輪有料、無料以及取料很少的情況，通過三維實時計算可以保證取料流量的穩定?？梢钥刂贫份喅粤仙疃纫约叭×线^程中的回轉速度，保證取料作業的高效率。實時的三維圖形確保三維模型計算的實時性，迅速完成堆取料機的自動對位，有效提高堆取料機整體智能化作業效率。

(2) 實現堆取料機的自動控制，包括堆料流程管理、自動對位策略、新堆及補堆處理策略、自動取料策略、取料分層策略、取料換層策略、取料流量策略、邊界流量策略。

(3) 設置堆取料機視頻監控、運行狀態顯示、過程數據監控報警信息記錄、自動操作界面，可在機上無人的情況下，中控室操作人員完成自動堆取料作業，一人可以監控多臺堆取料機自動作業。

(4) 料堆信息實時保存于數據庫，工作人員可以實時了解料種、料堆以及料場庫存信息，實時形成料場二維、三維電子地圖以及生產作業報表，有利于作業指導。

(5) 堆取料機統一管理，優化堆取料機控制模式，提高堆取料機作業效率及設備安全性，同時降低操作人員的勞動量改善勞動環境。

結束語

堆取料機是料場內最主要的設備，其工作時間長，動作復雜，控制要求高，實現堆取料機智能化是建設“智慧料場”的首要工作。各企業和科研機構對堆取料機智能化和“智慧料場”的建設進行了廣泛而深入的研究。目前，寶鋼、華能曹妃甸港、山鋼日照基地等都相繼實施了堆取料機智能化的建設，實現了料場無人值守的目標，對深化標準生產流程控制的監管和提高料場管理水平起到了較大的促進作用。