智能化系统在新钢综合料场的实践与优化

（中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉市，430223）路万林 姜炎城 熊文羽

新钢智能化综合料场由一次料场、高炉料场、混匀料场、熔剂料场组成，设有6个原料大棚、9大类共28台堆取料机、100余台输送设备，为5台烧结机和6座高炉供应原料。料场智能化系统由基础自动化系统、堆取料机无人化系统、智能化管理系统和数字孪生平台四大系统组成，其中基础自动化系统实现常规的设备和料线控制，本文不作详述。

1 系统硬件及网络

系统主要硬件包括机载PLC、远控PLC、料线PLC、激光扫描仪、机载计算机、服务器、操作站等，通过设备网、PRP冗余网络、主干环网进行连接。

2 堆取料机无人化系统

2.1 堆取料机类型及主要控制功能

料场共有9大类28台不同类型的堆、取料设备，包括半门架刮板取料机、高位卸料小车、摇臂式斗轮堆取料机、摇臂式斗轮取料机、摇臂式混匀堆料机、双斗轮桥式取料机、仓顶卸料小车、全门架刮板取料机、摇臂式熔剂堆料机。

2.1.1 半门架和全门架刮板取料机

半门架和全门架刮板取料机的作业方式和主要控制功能基本相同，刮板机采用往返走行加俯仰寸进下压的方式，使用刮板将物料刮至库位边沿的皮带输送机上，作业过程包括平料和取料两个阶段。平料时刮板机的动作控制与取料相同，难点在于平料结束的条件。本文利用安装在刮板两侧的激光扫描仪实时监测料面与刮板的贴合度判断是否停止平料，这是激光扫描仪除料堆三维点云数据采集之外的一项重要功能。

为了防止刮板卷扬松盘或反卷，通常会配置卷扬钢绳张力检测装置，本文采用双重保护，在此基础上根据卷扬动作和俯仰角度变化判断增加了软件保护，该保护的前提是使用倾角仪检测刮板俯仰角度而不是依靠编码器。

2.1.2 高位卸料小车和仓顶卸料小车

高位下料小车作业方式包括定点走行堆料和往返走行堆料，本文采用往返走行堆料的料面更加平整，有利于提高取料效率。

仓顶卸料小车采用定点方式将物料加入混匀配料仓，每个仓设有三个卸料点，正常情况下在料仓中心卸料点卸料，当停料不及时或其它原因导致物料溢出料仓时，小车移动至两侧卸料点卸料。

卸料小车作业过程中常见的异常包括下料斗堵料和飞车。目前堵料检测的方法和装置有很多，但准确率不尽人意，本文采取视频识别方式进行堵料报警和连锁保护，准确率接近99%，但由于无法识别堵料程度，轻微堵料有时会在振动器的作用下自动恢复，这种情况下根据堵料报警连锁停机会导致不必要的重负荷停机，解决此问题需要一方面优化视频识别模型和识别信号处理，另一方面开发自动疏通装置，才能保证无人化控制的效果。2.1.3 摇臂式斗轮堆取料机和斗轮取料机

摇臂式斗轮取料机除不具备堆料功能外，其它控制功能和斗轮堆取料机基本相同。取料采取回转分层取料方式，控制功能的要点包括快速准确切入、回转角度范围自动调整、不断料换层、恒流量控制。

根据三维点云数据计算切入点是目前无人化系统惯用的方法，本文在计算切入点开始取料动作后加入斗轮电流判断，若回转一定角度后未取到料，则驱动走行机构向前运行直到取到料后再继续回转取料，这种方法避免了由于点云数据误差和计算误差导致悬臂持续空转的情况，有效提高取料切入的效率。

回转角度范围自动调整通常利用设置斗轮电流阈值来控制回转换向，阈值偏小容易造成换向时断料，阈值偏大容易造成边部积料。对于不同形状、不同品种、不同粒度的物料以及不同的层高斗轮负载不同，阈值设定要做相应的调整，目前为手动微调，阈值的自适应调整是回转取料待解决的难题。

2.1.4 摇臂式混匀堆料机和熔剂堆料机

混匀堆料机在整个料条内往返走行堆料，控制要点是有料即走，无料则停，因此悬臂皮带上的料流（有无）信号的准确性是混匀堆料机控制的关键。料流检测开关是传统的料流检测装置，其误报率较高，且非常容易损坏。本文通过从混匀料槽圆盘给料机开始对物料进行跟踪，当物料到达堆料机悬臂端头时给出料流到达信号。物料跟踪必须记录任何时刻物料头尾的位置，否则在急停或圆盘故障停机重启时无法准确判断流量信号。

此外在有料流信号时堆料机意外停机（无故障报警信息）时，通过对堆料机走行位置变化的分析及时停机，可以避免料堆“鼓包”。熔剂堆料机与混匀堆料机的控制功能基本相同。

2.1.5 双斗轮桥式取料机

双斗轮桥式取料机通过双斗轮往返运行对混匀料堆进行全断面取料，双斗轮横移到任意一侧时走行机构向前寸进一次。由于混匀料堆断面为等腰三角形，双斗轮横移往返取料的流量在料堆中间偏大，边部偏小，物料在皮带上呈“葫芦”状。根据横移小车的位置控制横移速度来调节取料流量是不错的办法，但这种方法在料堆两侧时要求横移速度加快与靠近两侧限位需要减速是矛盾的，本文采用在横移靠近两端时交替进行两步并一步的取料方式进行取料流量控制。

2.2 无人化系统采用的共性技术

新钢智能化综合料场堆取料机无人化系统采用格雷母线+编码器冗余定位、有线+无线冗余网络、激光扫描三维成像、主动演算+被动检测防撞、硬件+软件多重限位保护、视频随动控制、直接检测+推理计算+视频识别综合故障报警等共性技术，实现了在主控室由4人远程监控现场28台堆、取料机自动作业。

2.3 远程监控一体化操作界面

堆取料机远程监控一体化操作界面集手动操作面板、自动作业参数面板、料场平面图、料场三维模型、视频显示和控制、报警显示和记录、历史趋势、用户权限管理于一体，采用配置化方式部署，所有堆取料机均采用一套操作界面，根据登录的用户权限和选择的堆取料机显示对应的监控界面，操作站具备良好的互换性。

3 智能化管理系统

智能化管理系统从物料进厂开始，将来料接收入库、卸料作业、混匀配料、供料作业的生产过程规范化、数字化，以混匀自动加仓、Block自动划分、自动分仓、场地自动分配等智能模型加持，具备作业任务自动生成、作业实绩自动记录、库存自动更新、报表自动生成等功能，实现原料作业全过程的智能化管理。

3.1 信息互通

信息互通是智能化管理系统的重要作用之一，也是管理系统实现各种功能的基础功能。管理系统与MES系统互通获取来料信息，同步物料品种，推送作业实绩和统计报表；与计量系统互通，获取过磅数据，推送验收入库信息；与基础自动化系统互通，跟踪物料流转，统计分类库存，采集设备状态和故障信息；与数字孪生平台互通，实现生产数据可视化。

3.2 过程追朔

通过信息互通智能化管理系统实现了料场中物料流对应的信息流，使生产过程的每一步可追朔成为可能，管理系统的另一个重要功能就是将这种可追溯的信息可视化、可查询、可分析。物料流转过程的一个最重要的数据是物料重量，这使得皮带秤作为主要计量装置显得尤为重要，皮带秤的配置和定期校准、维护成为智能化料场正常运行的关键因素。皮带秤在物料进场、出场的路径和内部关键的转运路径上进行配置。

库存是原料场的主要运营数据之一，曾一度时期三维激光扫描成为料场盘库的流行方法。在没有管理系统对物料转运跟踪计量的情况下，通过三维点云数据进行盘库是代替人工盘存的优选方法，但是其库存是体积库存，由于堆密度与多种因素相关无法准确获取导致换算的库存数据并没有通过皮带秤计量的结果更准确。因此本文中库存以皮带秤计量数据为准，辅以扫描体积库存进行校验。

3.3 决策支持

决策支持是智能化管理系统最能体现智能的功能。智能化管理系统在信息互通和过程追朔的基础上，通过大量数据的优化计算，对原料场场地分配、料仓分配、加仓计划、混配计划等生产调度计划给出优选方案，对生产决策给予支持。

值得注意的是，大部分的优化模型在对约束条件或多或少的简化后，适用于相对理想的生产工况。在实际应用过程中，模型对异常干扰的应对，对各种耦合条件的解耦才是成功应用的关键。

4 数字孪生平台

数字孪生平台是一个同步再现实际料场空间、设备状态、生产过程的可视化平台。新钢综合料场数字孪生平台在料场及设备三维模型的基础上，集设备状态信息、料场堆型数据、生成统计数据、视频信号于一体，具有全局三维概览、数字看板、库存信息、设备信息、视频监视、报警信息、漫游解说等功能，实现了生产全过程可视化，直观掌握料场生产动态。

该平台涵盖内容丰富全面，但对计算机和网络配置的要求还比较高，在互联网技术发达的今天，平台的架构有待进一步优化，轻量化，以便于网络访问和展示。

5 结语

钢铁原料场智能化、无人化在近几年发展很快，新钢智能化综合料场是一个比较成功的案例，尽管如此，相关的技术还有较大的优化空间。本文结合前期研究成果和实际工程实施经验，对新钢智能化综合料场实践中技术优化和关键要素进行总结和思考，希望本文有助于原料场智能化系统的推广应用，有助于推进钢铁原料场智能化技术升级。