攀钢钒冷轧厂智慧原料库集成应用

杨晓东

（攀枝花钢钒有限公司冷轧厂，四川 攀枝花 617023）

冷轧厂原料库作为物流衔接和生产节奏控制的重要枢纽，也是现代工厂信息化、无人化和智能化建设的基础；天车作为原料库最重要的执行单元，研究天车与智能原料库管理平台深度融合，从根本上改变了原料库的作业模式，实现天车无人吊运和原料库智能调度，推进数字鞍钢建设，促进生产资料信息流通具有重要的意义。

1 原料库现状

攀钢钒冷轧厂1996年建成投产，热轧钢卷经火车运输至冷轧酸洗原料库厂房，原料库为酸轧机组提供热轧卷生产原料，库区长250 m，宽30 m，采用封闭厂房结构，内设火车道一条，天车3台（单跨），库区容量1.3万t，采用火车卧卷运输热轧钢卷，钢卷库区存放方式为卧卷单层存放。现有原料库存在的主要问题：

（1）所涉及的热轧原料钢卷火车运输信息接收、装卸料流程、天车吊运、吊运指挥、数据核对、库区管理、生产计划查询、酸轧机组生产衔接等均由人工手动完成，原料操作工作业量大、信息衔接多、要求高、易出错、危险度高；

（2）设备自动化水平低、物流信息不共享，地面钢卷的摆放很难做到整齐有序的存放，降低了库区的钢卷存放量，多台天车协同运行困难，天车使用效率低，导致天车司机工作时间长、劳动强度大、人工成本高，还容易发生设备故障和钢卷数据信息丢失等问题。

2 智能化改造整体方案

根据原料库的现状进行分析，基于无人天车的智慧原料库平台搭建，进行天车无人化改造和仓储物流管理（WMS）系统的构建。天车与智能库管系统由物理域和信息域共同构成。物理域由若干测量设备、反馈设备和执行设备组成，这些设备具有通信能力、感知能力和指令执行能力。信息域以WMS系统为核心接收和发出指令，整个原料库区实现无人化操作，具体方案如下：

（1）将 1-1#、1-2#两台天车改为变频自动天车，1-3#设备保留原常规转子切电阻的方式驱动，考虑1-3#天车使用时与另两台天车的安全联锁。

（2）增加天车智能化系统，实现天车无人操作，自动作业。

（3）增加WMS系统，实现库区钢卷管理功能，与L3（工厂制造执行系统）进行数据交互。

（4）火车平板车配有专用的钢卷鞍座，天车自动完成从火车上卸运和入库钢卷作业。

（5）天车自动完成酸洗步进梁鞍座上料作业。

（6）原料库区安全物理隔离以及在围栏上增加摄像头，实现智能识别。

（7）冷轧L3系统、物流铁路运输指挥系统及L1（基础自动化）系统的适应性修改。

（8）设置工控系统网络安全措施。

整个库区改造集成了先进传感、无线通信、智能算法等多种技术。WMS系统作为智能库区管理的核心，通过不同的接口对物流系统中钢卷运输任务进行智能调度，具体负责天车和鞍座位置坐标管理、吊运工单生成、接口通信兼容等一系列功能，并把吊运工单下发给天车，天车自动完成吊运任务。天车与智能库管系统配置图如图1所示。

图1 天车与智能库管系统配置图Fig.1 Configuration Diagram for Overhead Travelling Crane and Intelligent Control Sysytem for Warehouse

3 天车无人化改造

3.1 天车控制系统

天车是原料库智能化平台中的执行单元，天车的现场控制模式有多种，能够适应不同的应用条件，操作人员可以根据现场工作需要选择维护模式、自动模式、手动模式、远程控制模式等。天车控制单元作为整个系统的执行部分，天车控制系统结合先进的HMI技术、变频器控制技术、多种通讯管理技术、无线网络控制技术、PLC控制技术［1］，建立了完整的通信网络控制和安全连锁系统，天车控制系统收发监控现场各类传感器的数据信息。

天车无人化的执行，离不开各种传感器代替操作人员进行距离、位置、高度的测量，对传感器的精度和质量提出了更高的要求。比如天车大小车机构定位方式采用双激光测距冗余方式，以记录一个激光传感器距离测量数据作为主要数据，利用另一个激光传感器的测量数据来复核主数据的正确性，并采取软硬件防撞方案，精确的位置检测和变频装置良好的控制特性使天车行车速度和位置控制更加可靠、准确和安全。同时天车控制系统通过无线传输的方式将数据反馈给 WMS系统，WMS系统对现场传感器反馈的信号进行汇总、整理、分析，一旦发现错误数据或传感器损坏，控制系统经过研判立即发出报警信号，并中断相应的动作以保护天车或钢卷。

天车控制系统采用西门子S7-1215C作为上位机，系统通过PROFINET连接远程ET200 MP站，ET200 MP的I/O模块连接现场各种传感器、执行器、限位开关等，S7-1215C作为天车控制的“大脑”，在远程自动模式下主要接收WMS系统下发的指令，手动模式下通过自身程序控制天车的运行；S7-1215C还通过PROFINET与交流变频器进行实时通讯，通过变频器对天车电机实现精确控制，天车控制系统有如下特点:

（1）天车的PLC控制系统通过变频器控制电机，实现电机无极调速，减少了天车频繁启动对电机造成的冲击，保证电机等电气设备能够平稳的启动和停止。

（2）电机采用变频装置控制后，能够对电机运行电流电压进行在线监控，通过装置参数的设定实现对电机和线路完善的保护功能，预防常见故障的发生。

（3）天车交流变频装置采用模块化结构设计，设备体积小巧，便于诊断和维修。

（4）天车吊具为专用吊具，由PLC控制系统控制其动作，主要完成夹紧、松开、吊具升降、称重和旋转等功能。专用吊具增加了丰富的监测设备：下降高度检测传感器、下对位激光检测仪、上对位激光检测仪、夹紧到位传感器、松开到位传感器等监测元件。

（5）天车吊具防摇摆方式采用电气防摇控制，电气防摇控制系统通过对天车钩头摇摆角度、摆长、天车运行速度等变量的采集、运算，给天车大车和小车变频器施加相应的速度补偿，来抵消钩头夹具的摇摆，从而提高天车夹起和放下钢卷时的作业效率。防摇摆控制系统主要由角度检测仪、红外标记和防摇摆控制器组成。角度检测仪在天车小车上垂直向下安装，红外标记在小车正下方的钩头上水平安装，两者垂直对准。红外标记的摇摆即是钩头的摇摆，从而使得角度检测仪能检测出钩头的摇摆角度，作为防摇摆控制的闭环反馈信号。防摇系统控制核心部分是防摇功能块，防摇功能块内的防摇控制算法会生成天车变频器速度给定曲线，传递给天车变频器；天车变频器接收防摇控制单元的速度给定曲线，并按照此速度曲线控制天车电机的速度。天车电机拖动天车平台，使天车平台在天车轨道上水平移动，很好的实现了天车吊具无惯性摆动运行［2］。

3.2 车辆识别单元车

测量识别接收火车的实际位置坐标，在卸卷作业时自动对车辆进行识别，识别对象是对运输车进行三维图像扫描，完成对钢卷的宽度和卷径测量，确定钢卷形状、位置和高度等信息，这些信息最终通过手持平板电脑确认后通过无线传输到WMS系统中，完成第一次钢卷信息的确认和传递。同时，WMS系统完成对钢卷信息的分析和处理，实现在自动抓放卷过程中对钢卷中心和宽度的精确定位，以及精准的自动抓放操作。

4 WMS系统构建

4.1 WMS系统接口

WMS系统作为原料库数据处理平台，对整个原料库和天车吊运任务实施管理，WMS系统接口示意图见图2。WMS系统对钢卷定位是通过大车、小车测距以及主钩编码器数据，将数据传回到WMS系统中，形成三维空间坐标点，两台天车移动坐标小车范围为2 900～25 500 mm；大车范围：1#天车为9 000～15 000 mm，2#天车为85 000～250 000 mm。以大车的位置作为X轴，小车行走作为Y轴，主钩升降作为Z轴，由此建立了天车三维空间坐标系，地面上对应钢卷存放的鞍座位置由X、Y轴的激光监测数据确定。

图2 WMS系统接口示意图Fig.2 Interface Diagram for WMS System

4.2 WMS系统功能

WMS系统按照模块化设计具有订单分解、实时控制、天车动作优先级确定界定、产品跟踪和设备控发吊运指令，并将其转化为天车任务单下发到无人天车PLC控制系统中，天车接收指令按照规划的路径将钢卷吊运到指定位置。天车PLC控制系统是两台天车协同调度的具体实现者，依据两台天车的位置划分，根据钢卷位置把钢卷任务下发给离工作任务最近的天车，把复杂吊运任务分解为易于单个天车执行的指令，天车实时与WMS交互信息，直到任务单完成。WMS把天车协同作业中可能遇到的问题提前规避，比如两台天车的大车通过激光测距仪设置安全距离，避免发生碰撞。WMS管理系统、天车控制系统、机组L1和L3以实时数据控制为核心，关注的核心理念是高效的任务执行和流程规划策略，对整个原料库的控制过程实现信息可视化，数据实时化，策略智能化，这些功能通过C#编程语言做成可视化图形，WMS系统主画面见图3。WMS系统可视图形主要功能有：菜单管理、设置信息、设备信息、天车信息、信息查询、图库查询、手动录入作业指令，涉及到的信息按分类管理，功能按模块化设计，便于操作人员使用。

图3 WMS系统主画面Fig.3 Main Screen of WMS System

5 视频监控系统

原料库智能化改造后作业人员减少，生产人员需要视频监控系统提供清晰的现场画面，智慧平台也需要与视频监控系统实现联动。为此，对视频监控系统进行升级改造，使其实现现场环境与设备运行条件报警联动、重要画面自动弹出、远程控制等功能，原料库视频网络系统图如图4所示。

图4 原料库视频网络系统图Fig.4 Video Network System Diagram for Raw Material Warehouse

原料库视频网络系统在设计上采用全网视频监控现场，主要由前端单元、传输单元、管理及分析平台、存储单元及显示单元组成，所有视频信号通过网络线缆或光缆送至各中控室，中控室作为区域中心，配置高性汇聚交换器，满足视频监控需要。智能识别的视频图像传输到攀钢工业视频智能管控平台，平台包括管理服务器、数据库服务器和边缘计算资源三部分，其主要功能为视频管理和视频智能分析。视频管理包括用户管理、角色管理、授权管理、系统基础数据管理、用户密码管理、视频展示、回放、系统接口、信息交互及分析报警等。视频智能基于神经网络和模糊匹配的图像识别技术，通过电子围栏分类存储区域、禁入区域、危险区域，当钢卷轮廓发生变化、受限车辆与人员闯入均会发出报警。

6 应用情况

攀枝花钢钒有限公司冷轧原料库无人吊车改造项目在2020年9月签订合同，整个项目主要对吊车电控、中控室、库区改造、智能吊车控制、WMS系统、物流信息进行了改造或新增，主要利旧的部分有天车的大梁和轨道等。

智能库区改造历时半年完成了整个系统集成和调试，并投入生产运行，现在原料库区允许两台天车协调作业，原料库的钢卷实现入库、在库、出库全流程在线管理，提升了原料库操作时效性和准确性。原料库钢卷整齐摆放，库区钢卷信息与冷轧L3系统实时交互，原料库钢卷信息在WMS系统上实现了可视化、信息化和智能化管理，操作人员在中控室的人机画面上派发吊运钢卷号，WMS系统根据钢卷号查找钢卷定位，分派任务给天车执行吊运任务，天车完成从空吊具到寻找钢卷、吊卷上机组鞍座过程的总时间小于90 s，满足酸洗机组头部上卷的节奏（小于120 s），同时降低了吊车司机劳动强度。

7 结语

攀枝花钢钒有限公司冷轧原料库天车无人化改造和仓储物流管理（WMS）系统，结合了视频监控系统，整个系统实现了自动化设备间的信息实时交互，可实时获取天车三维空间坐标的定点，并依据钢卷或障碍物坐标，计算出天车位置坐标和钢卷位置坐标，根据避让原则为天车在动作过程中进行指导和规范，整个吊运路径由WMS系统提供最优选择，钢卷库存信息实现网格化管理。该解决方案在本厂轧后库区以及在其它单位得到推广，助推攀钢数字化水平跃上一个新的台阶。