冷轧库区天车自动化作业关键技术研究与应用

王金峰，张思远

(河北钢铁集团邯钢公司邯宝冷轧厂，河北 邯郸 056015)

近年来随着“中国制造2025”战略的部署与推进，智能、网络、协同控制技术和自动化无人控制技术得到了空前发展[1]。国内大型钢铁企业目前均已进入自动化生产时代，但目前绝大多数仍是采用人工驾驶值守操作的方式在运行，并没有做到完全的无人作业运行。

本研究设计提出了库区天车全自动无人作业模式改造方案，对天车设备自动控制系统进行分析研究，基于钢卷起吊工作流程功能机制，设计建立了智能吊具系统，实现吊具的自动控制，通过防摇摆系统的研究设计来控制各机构运行速度对于钢卷行进轨迹的影响，提高作业精度和作业效率，同时采用多功能交互集成模式的工作方法，深层次的对库区钢卷作业流程进行剖析，大大提高系统自动化水平[2]。建立以无人天车设备为基础的高效库区管理、实时库存管理及钢卷出入库管理，同时延长设备维护周期延长，大大提高设备运行效能。

1 全自动无人天车系统框架

库区天车无人自动化作业系统主要由智能库区管理系统、地面物流设备控制识别系统、天车自动控制系统以及库区安全防护系统四部分构成。

1.1 智能库区管理系统

智能库区管理系统是生产管控系统和无人天车、产线设备等各种系统链接，使无人设备安全、高效完成作业任务的综合性库区管理系统。该系统是独立、完整的过程控制系统，负责库区的日常作业管理，承担库区生产运转的所有必要功能。在库区操作标准化、规范化，人员成本大幅下降的同时，工作效率最大化，同时优化物流流程，提升信息化程度，以达到智能、稳定、高效、安全运行的目的。其在过程控制系统层面与自动化系统、相关控制系统进行信息交互，接收下料计划、上料计划、车辆设备信息、物料跟踪信息等数据，实时反馈库区跟踪和作业结果信息，为管理决策、计划统计提供准确、迅捷的数据支撑。并且对库区所属系统或设备进行必要的一级控制、监测及联锁，包括天车自动控制系统、物流设备控制识别系统、库区安全防护系统、步进梁、过跨车等[3]，系统架构如下图1所示。

图1 智能库区系统架构

1.2 物流设备控制识别系统

物流设备控制识别系统在库区整体空间进行X、Y、Z坐标划分定义的基础上，对步进梁卷位、库区鞍座、过跨车区域以及汽车钢卷停靠位置分别进行识别，并通过计算将其对应空间X、Y、Z坐标反馈至控制系统，最终指导天车执行机构精准作业。由于步进梁、库区鞍座及过跨车系统的相对固定性，其坐标值通常设定为常量，以供系统执行，但汽车倒运钢卷存在车辆形状、起停位置等不确定因素，需要系统具备汽车自动识别功能。根据车辆种类、形状和停车位来识别车辆，确定车斗类型，利用摄像头以激光扫描技术为基础，对汽车鞍座进行切片式扫描，分析识别钢卷形象确定执行坐标，最终实现远距离自动装卸功能。

1.3 天车自动控制系统

天车自动控制系统是智能库区管理系统的执行机构，主要由PLC系统、变频控制系统、防摇摆控制系统、驾驶舱操作画面系统和夹钳控制系统等组成，主要执行来自库区管理系统下发的工单命令，并将执行结果信息反馈给系统[4]。它能对天车运行位置进行精准控制，保证大、小车定位和起升高度控制在有效误差范围以内，根据目标行程生成最优的速度模式，并控制天车移动过程中吊钩组的摇摆角度，同时实时监测周边环境变化，将天车作业状态信息、设备运行状态信息以及错误状态信息自动发送给系统，有效提高生产过程的安全性以及工作效率。其系统构成如下图2所示。

图2 智能库区系统架构

1.4 库区安全防护系统

为了防止库区内车辆与天车设备发生冲撞，库区安全防护系统能够根据无人天车的运行状态与车辆停靠区域来判断车辆是否可以进库，设备交叉作业是否存在碰撞安全风险，通过实时掌握天车和车辆的移动路径，提前设置好危险规避区域，并将信息分析处理结果发送至库区管理系统，同时控制天车设备运行作业高度，预防事故发生。

2 无人天车自动作业功能的实现

2.1 天车PLC控制系统设计改造

天车电气控制系统是自动执行智能库区管理系统下发的工单命令并将作业结果信息反馈的管理系统。它是整个天车无人化的执行机构，通过安装各种传感器和控制装置，拓展CPU模块增加RAM容量，为变频器与各传感器之间的通讯增加DP通讯模块和串行通讯模块，使得系统能够自动生成天车最优移动路径和进行摇摆控制，并具有监控行车的位置、防止天车间的碰撞、实现自我诊断、无人控制等功能[5]，其PLC系统作业功能关系如下图3所示。

图3 天车PLC系统作业功能关系

2.2 天车PLC控制系统设计改造

为了精确自动控制大小车与钢卷放置鞍座的相对位置，在库区空间区域建立为X、Y、Z的立体坐标系，选取库区地面的一端为坐标系零点，同时在天车大车和小车上分别安装激光测距仪，在起升传动卷筒轴端侧和吊钩组旋转传动轴侧安装编码器[6]，如图4所示，来精准定位天车及吊钩组钩头的作业位置，保证钢卷在下落过程中位于鞍座中心的正上方，防止因为天车位置偏差碰撞钢卷，造成钢卷碰伤。

图4 天车作业运行定位控制系统

天车在实际运行作业过程中，由于吊运钢卷的重量较大，在其本身惯性的影响下，吊钩组的运行速度变化同天车大、小车运行速度变化相比较而言略有延迟，这就导致了钩头及吊具摇摆的不确定性[7]，为了最大限度的消除摇摆所带来的影响，实现理论分析，在天车小车及吊钩组上安装防摇摆控制装置，防遥控制装置系统主要由角度检测仪、红外标记和防遥控制器组成。此系统将天车移动过程按大车方向和小车方向分解，以小车为中心的单摆系统模型，夹角θ为天车吊钩组的摇摆幅度，角度测量仪则通过模拟视觉功能，实时采集红外标记所组成三角形，将三角形形状的变化按大小车坐标方向进行分解剖析计算，分别得到大小车方向的晃动角度θx与θy，如下图5所示。通过防摇摆控制器根据不同的作业模式建立最佳速度模型，将其传递到天车PLC，天车PLC不再需要单独计算天车速度，直接将防摇摆控制器给出的速度值传递到变频器即可控制天车大、小车速度，大幅缩短了物料吊运时间。

图5 天车作业运行定位控制系统

2.3 天车智能吊具自动控制系统

为了实现天车吊具夹钳的自动开合作业功能，在原有设备的基础上对夹钳进行自动控制改造，使得夹钳自动控制系统能够精确控制夹钳的升降与开合动作，确保钳臂与钢卷间的相对空间位置，在原有机电传动机构控制的基础上增加传感器，增设夹钳控制器与柜体接收传感器反馈信息，再把信息通过有线、无线通讯传递到上部控制器进行逻辑判断执行。其中传感器分为钳臂夹紧传感器、钳臂测宽传感器、钳脚负载传感器、底部防撞传感器、钢卷对中传感器[8]，如图6所示。

图6 智能吊具传感器改造示意图

2.4 无人天车库区管理监控系统

为了更好地控制无人天车，将发生的各种作业信息通过画面展示出来，在中控室安装显示器，为库区操作人员实时提示工单各种应答信息、指令信息。其主要功能有能够与天车PLC通信的接口报文，显示天车的报错信息和各种装置的通信状态，提示详细工单信息，发送工单处理结果，相邻天车涉及防撞时，提示规避信息，如图7所示。

图7 无人天车实时运行状态监控

库区管理监控功能的实现，为无人天车的正常运行提供了强有力的保障，可以让操作人员快速掌握库区钢卷摆放信息及物流走向信息、实时掌握库区库存状况[9]。同时维护人员通过无人天车监控系统可以简单快速的对天车运行状况进行掌握，一旦出现故障，通过故障报警信息可以以最快时间锁定事故部位，提高设备维护效率。

3 结语

本文研究提出的冷轧库区天车自动化作业改造技术方法得到了实践验证，结果表明此技术方法可以满足冷轧库区天车自动化作业的各项要求指标，并为实现工厂库区智能管理的研究提供了重要参考依据。在下一阶段，本研究将通过现场调试实验来进一步改进天车自动化作业的技术方法。由于实际作业环境与理想作业环境有较大的差异，因此在今后的研究中，需要不断完善协调控制方法，减少天车执行机构误差，进一步提高作业精度及系统稳定性，以实现全方位的无人天车自动化控制。