大型鋼鐵企業(yè)原料場作為生產(chǎn)流程的起始環(huán)節(jié)，自動化水平總體偏低，不少環(huán)節(jié)仍然依靠人工操作，強(qiáng)度大且環(huán)境惡劣，勞動效率與作業(yè)效率都受到較大限制。寶鋼湛江鋼鐵原料引入3D激光云圖采集與處理、超聲波與RFID定位等技術(shù)，通過集成與軟件開發(fā)，率先在原料場實(shí)現(xiàn)了智能化系統(tǒng)，使得生產(chǎn)勞動效率與作業(yè)效率大幅提升，人力需求大幅下降，在行業(yè)內(nèi)開創(chuàng)了智能化先河，提供了重要借鑒。

 

1 前言

 

1.1湛江鋼鐵原料場概況

 

寶鋼湛江鋼鐵廠原料場為近期新建成的大型原料場，占地面積 101.1萬平方米，廠內(nèi)、廠外年受料量共計(jì)約 3470 萬噸/年，料場有效貯量246.88萬噸，40余個工藝流程，13個電氣室，24套除塵系統(tǒng)，83個轉(zhuǎn)運(yùn)站，310條膠帶機(jī)，總長約61km，16條料場，18臺堆取料設(shè)備。

 

1.2原料場現(xiàn)狀與難題

 

湛江鋼鐵目前平均年產(chǎn)鐵能力突破823萬噸，原料為滿足日常生產(chǎn)節(jié)奏，18臺堆取料設(shè)備需配備大量司機(jī)在機(jī)上完成作業(yè)，人力資源消耗大、勞動強(qiáng)度高、作業(yè)環(huán)境惡劣。特別夜間因視線不好，還可能出現(xiàn)各種操作事故，危及設(shè)備及人身安全。堆料過程中，堆高檢測靠人眼觀察與采用人工懸臂放下水銀開關(guān)探測的方法實(shí)現(xiàn)，不但效率低、勞動強(qiáng)度大，水銀開關(guān)也時常因忘記收起而被埋損壞。堆出的料堆堆型因作業(yè)司機(jī)的水平差異，很難規(guī)整，導(dǎo)致取料作業(yè)困難加大，實(shí)現(xiàn)恒料流取料困難。

 

原料日常生產(chǎn)管理的核心是對料堆的堆位進(jìn)行管理，傳統(tǒng)做法是定期通過人員前往現(xiàn)場，清點(diǎn)不同料條上的料堆，靠目測估計(jì)其起始、結(jié)束、高度等數(shù)據(jù)并記錄，返回后手工繪制料場圖的方式進(jìn)行管理。這種方式存在耗時耗力，更新時間長，精度差等缺點(diǎn)，料場難以達(dá)到高效利用等問題。原料量的計(jì)量僅能通過皮帶秤在輸入與輸出時進(jìn)行稱量，經(jīng)較長一段時間后，會出現(xiàn)較大庫存差，且每個品種原料在不同料堆的分布也難以掌握。

 

當(dāng)今中國制造正迎來新一輪工業(yè)革命，在國家大力倡導(dǎo)“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的背景下，針對以上長期困擾原料場的難題，湛江鋼鐵原料場智能化系統(tǒng)先后研發(fā)并實(shí)施了料堆堆位管理、無人化堆取料機(jī)等兩大子系統(tǒng)，并取得了較好的實(shí)際效果。

 

2 湛江鋼鐵原料場智能化系統(tǒng)簡介

 

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

 

系統(tǒng)主要由堆取料機(jī)車上部分與中控室中控系統(tǒng)兩大部分組成。車上部分主要配備了一套3D激光料堆云圖采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)在作業(yè)完成后短時間內(nèi)采集料堆高質(zhì)量的3D云圖，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速獲取料場料堆的變化情況。在懸臂的前端配備自動料堆堆高檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集料堆堆高，根據(jù)堆料控制模型，自動判斷換堆、走行等。堆取料機(jī)機(jī)上配備走行定位系統(tǒng)，配合部署在地面主皮帶托架上的RFID標(biāo)簽（需事先精確測定坐標(biāo)），結(jié)合機(jī)上的走行編碼器，實(shí)現(xiàn)軌道方向的走行精確定位，為機(jī)上無人化作業(yè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。對機(jī)上原有PLC程序進(jìn)行無人化改造，加入自動駕駛模塊，堆料模型、取料模型、姿態(tài)識別模型、作業(yè)任務(wù)接收模塊等，實(shí)現(xiàn)機(jī)上控制系統(tǒng)具備無人化作業(yè)能力。機(jī)上還需配備多個視頻監(jiān)控鏡頭，以便對機(jī)上不同部位進(jìn)行遠(yuǎn)程觀察、監(jiān)控。

 

中控室部分主要包括遠(yuǎn)程操控平臺，通過對機(jī)上的視頻監(jiān)控信號、HMI操控畫面集成，可實(shí)現(xiàn)多臺堆取料設(shè)備僅需1人遠(yuǎn)程監(jiān)視與操控，堆取料機(jī)的數(shù)量與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的比例可根據(jù)設(shè)備的作業(yè)頻率而定，一般為3∶1即可滿足需要。1臺通信服務(wù)器，負(fù)責(zé)機(jī)上PLC系統(tǒng)、3D掃描系統(tǒng)、作業(yè)任務(wù)管理系統(tǒng)以及L2等第三方MIS系統(tǒng)的連接。1臺3D云圖處理圖形工作站，主要負(fù)責(zé)對各臺堆取料設(shè)備發(fā)送回的3D料堆云圖進(jìn)行過濾、拼接、體積計(jì)算等，每次作業(yè)后刷新相應(yīng)料堆的體積數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確盤庫，從料堆的3D云圖還可提取料堆的位置、形狀數(shù)據(jù)，以便于精確、足不出戶地繪制出高質(zhì)量的料場圖。

 

2.2 主要關(guān)鍵技術(shù)

 

2.2.1 3D掃描技術(shù)及云圖處理

 

3D激光掃描技術(shù)采用現(xiàn)代高精度光學(xué)傳感技術(shù)，運(yùn)用無接觸方式，能夠深入到復(fù)雜料面及空間中進(jìn)行掃描操作。直接獲取料面的三維數(shù)據(jù)，得到料堆表面的點(diǎn)集合——“點(diǎn)云”，具有快速、簡便、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

 

裝備于堆、取料機(jī)上的3D激光掃描系統(tǒng)，在每次作業(yè)完成后對作業(yè)料堆進(jìn)行采集，采集到的局部云圖通過匹配技術(shù)，與事先建立的云圖進(jìn)行匹配，刷新局部，從而以僅需掃描的最小掃描區(qū)域獲得整個料條的最新3D云圖。

 

匹配技術(shù)是把多個不同3D掃描設(shè)備獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼合在一起，以區(qū)域內(nèi)確定的標(biāo)志物為坐標(biāo)0（X=0、Y=0、Z=0）點(diǎn)，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系。當(dāng)拼接完成后，多個掃描云圖被合并成一個新云圖。

 

2.2.2超聲波測距

 

原料場具有浮塵大、料堆對光反射極弱的特點(diǎn)，一般采用激光或電磁類進(jìn)行距離測定困難很大，效果欠佳。超聲測距不受光線、被測對象顏色等影響。尤其在原料粉塵很大的環(huán)境中能夠很好的工作、在有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。超聲波測距的基本方法為渡越時間檢測法（TOF time of f l ight）。超聲傳感器由強(qiáng)電脈沖信號激勵，向外發(fā)射超聲波，遇到被測物體返回傳感器，通過發(fā)射、接收聲波存在的時間差判別物體距離，計(jì)算式如下：

 

D=C × T × 1/2式中，D為被測物距離；C為聲音傳輸速度；T為渡越時間。

 

通過本項(xiàng)目對超聲波檢測堆高的大量實(shí)際應(yīng)用，證明了超聲波在戶外強(qiáng)光、雨水、浮塵環(huán)境下的有效性和穩(wěn)定性。

 

但超聲波測距也存在方向性較差、被測區(qū)域要求的反射面較大等問題。

 

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

 

3.1 自動堆、取料

 

通過研發(fā)的堆、取料模型，根據(jù)不同原料的安息角、堆高，設(shè)定流量、極限流量等參數(shù)，快速計(jì)算出最優(yōu)過程，引導(dǎo)機(jī)上控制系統(tǒng)進(jìn)行自動堆、取料。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)堆料全程無人干預(yù)，自動走行、自動檢測堆高、自動換堆等功能。取料僅需人工完成最后段的近距離對位，實(shí)現(xiàn)了在扇形段恒定料流下的自動取料，后期還將在掃描完成后，利用3D掃描云圖提取料堆折返邊界等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步降低取料過程中人工干預(yù)的程度。

 

對比傳統(tǒng)人工堆料與模型控制的自動堆料的前后效果，料場料堆排列出現(xiàn)了明顯變化，堆間距、堆高等數(shù)據(jù)大幅提升，不但提升料場有效空間10%以上，同時為取料效果的改善也打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 

在自動取料模型控制下，通過對斗輪作業(yè)電流的實(shí)時檢測，成功實(shí)現(xiàn)了恒流量取料。

 

3.2 人力需求的降低

 

2016年開始原料場以提升作業(yè)效率、料場智能化為導(dǎo)向，開展原料場智能化系統(tǒng)研究公關(guān)，至2017年4月，原料場所有堆、取料機(jī)全部實(shí)現(xiàn)智能化，料場堆取料實(shí)現(xiàn)智能化操作，中央控制室通過兩位崗位人員對電腦參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)11臺堆、取料機(jī)根據(jù)作業(yè)指令全自動化操作。

 

智能化系統(tǒng)上線后，勞動效率提升了300%，作業(yè)人員降低了75%，勞動強(qiáng)度大大降低，人工優(yōu)勢非常明顯。智能化作業(yè)流量與技術(shù)最嫻熟的人工操作作業(yè)流量相比，有一定程度的提升，同時作業(yè)效率也得到提升。智能化作業(yè)率比人工作業(yè)率明顯提高。

 

3.3 快速、精確盤庫

 

當(dāng)前湛江鋼鐵原料場已經(jīng)投入3D自動盤庫，可以通過安裝在堆、取料機(jī)上的自動掃描儀對料堆進(jìn)行體積掃描，然后輸入原料堆比重，即可盤出料堆庫存，大幅降低了員工的勞動力強(qiáng)度，提升了庫存管理的準(zhǔn)確性。

 

當(dāng)前，湛江鋼鐵原料場利用智能化系統(tǒng)已經(jīng)具備自動生成2D料場圖的功能，可以通過安裝在堆、取料機(jī)上的自動掃描儀對料堆進(jìn)行形狀掃描，然后通過數(shù)據(jù)分析處理即可完成自動生成料場圖，顯著降低了員工的勞動強(qiáng)度，之前需要人工現(xiàn)場繪制。

 

4 效益分析

 

在實(shí)現(xiàn)堆、取料機(jī)智能化后，堆、取料機(jī)操作崗位人數(shù)設(shè)置將大幅降低，僅為實(shí)施前的30%以下，減少70% 。在實(shí)現(xiàn)料堆堆位管理后，原料場的庫存盤點(diǎn)無需大量人員手工現(xiàn)場測繪，使盤庫工作變得高效、準(zhǔn)確，且大幅降低了勞動強(qiáng)度，盤庫效率提高90%。自動堆取料模塊可以將料場利用率提高10%-20%，同時意外故障停機(jī)率降低60%。通過3D仿真技術(shù)對原料場生產(chǎn)能力進(jìn)行建模，能隨時根據(jù)如原料價格波動而調(diào)整配比的生產(chǎn)變化虛擬生產(chǎn)，為管理層決策提供可行性支持，使企業(yè)在生產(chǎn)平穩(wěn)、順行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)采購成本。

 

5 結(jié)語

 

原料場智能化系統(tǒng)應(yīng)是一個開放的架構(gòu)體系，它不僅包括已實(shí)現(xiàn)的料堆堆位管理、堆取料機(jī)無人化等子系統(tǒng)，后期還將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上分期實(shí)施綜合設(shè)備監(jiān)控、智慧運(yùn)維、掌上工廠、作業(yè)計(jì)劃指導(dǎo)、作業(yè)大數(shù)據(jù)優(yōu)化等子系統(tǒng)，逐步提升寶鋼集團(tuán)湛江基地原料場智能化程度，改善員工的工作環(huán)境，降低人力成本，有利于推進(jìn)企業(yè)精細(xì)化管理和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。