前 言
国家在2015年提出《中国制造2025》远景规划，部署全面推进实施制造强国战略，加快钢铁工业的智能制造技术升级，给制造业带来新一轮的变革和创新驱动，影响制造业的生产和经营模式；随着物联网、人工智能等信息技术的发展，钢铁制造业正在向以两化融合为载体、以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以互联互联为支撑大力打造智慧工厂。冷轧厂原料库作为钢铁生产流程中物流衔接和生产节奏控制的重要枢纽，是工厂信息化、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，研究与应用无人天车与智能原料库管理平台深度融合，将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，可以提高生产效率，降低生产成本，促进生产信息流通具有重要的意义。
一、原料库的现状
攀钢冷轧厂原料库3台天车，用于冷轧原料库钢卷入库、上料、出库等作业，见图１，原料库平面示意图。天车的吊运对象主要为钢卷，采用专用吊具吊运，另有其他辅助作业任务。当钢卷被火车送至原料库，收料员确认钢卷及收发信息，天车司机吊运钢卷入库，等待机组生产钢卷，收料员收完了钢卷后，在库区对钢卷进行人工标记上卷顺序或者指挥天车司机吊运钢卷到机组鞍座上，为机组生产提供原料。天车司机工作时间长，劳动强度大，库区运行效率低，容易发生设备故障和钢卷数据信息丢失等问题。
图１ 原料库平面示意图
二、解决方案
根据原料库的现状进行现场分析，目的是搭建基于无人天车的智能原料库平台，无人天车与智能库管系统由信息域和物理域共同构成。物理域由若干测量设备、反馈设备和执行设备组成，这些元素具有通信能力、感知能力和指令执行能力。以仓储物流管理（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) 现场三台天车中，1-1#、1-2#和1-3#设备采用常规转子切电阻的方式驱动，本次改造将1-1#、1-2#两台天车改为变频自动天车，并考虑1-3#使用时与另两台天车的安全联锁。
2) 天车增加天车智能化系统，实现天车无人值守，自动作业。
3) 增加WMS系统模块，实现堆区钢卷管理功能，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) 天车自动完成冷轧线步进梁鞍座的上料作业。
6) 有临时性的远程操作需求，需要人工作业；
7) 原料库区安全物理隔离及电子围栏。
8) 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。
9) 设置工控系统网络安全措施。
三、方案流程设计
冷轧厂原料库智能化改造主要是天车无人化改造和WMS系统的构建，原料库主要工作流程在原料钢卷入库、原料钢卷通过步进梁上料出库。自动化天车的其他作业（吊捆带，轧带、设备以及其它等远程，人工吊取，人在控制室远程操作，现场需要辅助人员、原料通过汽车转运出料）采用人工遥控器操作的方法进行。
自动化作业流程可以分为火车卸料流程、原料库上酸轧机流程、倒库流程，这三种流程根据需要可实现同步进行，上料流程优先，火车卸料次之，倒库优先级最低。
3.1 火车卸料流程
1) WMS系统从L3生产管理系统获得钢卷入库的计划信息（计划信息包含列车车厢号与钢卷信息对应关系）。
2) 列车推入库区指定位置。
3) WMS系统从物流系统获取车厢号信息及火车到达信息。
4) WMS系统自动生成钢卷信息表，发送到手持终端。
5) 人工在现场核实钢卷在列车上顺序信息，匹配到手持终端。
6) 天车自动对整列火车上钢卷进行精确扫描，确定每个钢卷位置信息。
7) 人员离开现场后，通知中控开始自动执行作业任务。
8) 中控室根据钢卷数量规划钢卷存放区域，启动吊运作业。
9) WMS系统将所用待作业的钢卷的起始位置信息及目标位置信息传给无人天车PLC系统。
10) 天车根据作业任务，自动运行大车、小车到达作业钢卷位置上方。
11) 天车吊具自动下降寻找钢卷圆心，自动完成夹钢卷动作。
12) 吊具上升到安全高度，大车、小车自动运行到目标鞍座上方。
13) 天车扫描待放置的鞍座，确认鞍座上无异物。
14) 吊具自动下放，将钢卷自动放置在鞍座上。吊具下降过程中，通过传感器自动识别钢卷形貌、异物等信息。
15) 完成作业后，无人天车PLC将当前钢卷完成作业信息上传到WMS系统。
16) WMS系统确认指令已完成，并下发下一个钢卷作业任务，更新库区钢卷位置信息并上传至L3（L3和WMS系统信息同步）。
17) 所有列车上钢卷作业任务完成后，火车卸料作业完成。
3.2 原料库上酸轧机流程
1) WMS系统自动从L3系统内获取当班作业计划，然后把任务分配下发给天车，天车按当班作业计划中的作业列表上钢卷上料顺序作业。
2) 作业时，先自动运行到钢卷位置上方。
3) 精确定位天车并将目标钢卷吊起，运行至步进梁上料鞍座上方。
4) 自动确认酸轧机上料鞍座上无物料（增设光栅检测，同时机组Ｌ１发送上料鞍座允许上料信号）。
5) 扫描步进梁位置，确认无障碍后将钢卷放置在步进梁上。WMS系统往步进梁放置钢卷前，与步进梁Ｌ１进行连锁，在WMS和天车PLC中均有连锁功能。
6) 钢卷放置到步进梁上后，自动识别钢卷号，并进行比对。如果识别不出钢卷号，或比对信息有差异，则停止作业，由人工介入。
7) 钢卷放置在步进梁上后，吊具上升到一定高度时步进梁解锁。
3.3 倒库流程
倒库流程属于非正常流程，需要人工在操作终端画面进行人工干预，钢卷从步进梁上退回到库区，WMS系统对钢卷位置重新标记定位，并按照要求重新上卷到步进梁上。
为了保证原料库无人化天车天车高效安全，需要规范作业流程，并严格按照流程执行，对堆存区和天车做如下要求：
1) 现场地面钢卷库和临时堆存区均无鞍座，为方便钢卷位置记录及作业安全，要求地面堆位增加鞍座。
2) 对地面库区进行分区管理。
3) 现状是钢卷库堆存信息采用记号笔在钢卷上做记号，人工在堆区找物料的方式。改造完毕后对入库的钢卷进行逐一自动识别和登记，入库后不做识别和登记。
4) WMS系统需要包含L3系统对接，实现作业任务的发布和任务完成反馈，L3系统需记录的数据至少包含作业钢卷编号、作业类型，次要信息包含钢卷尺寸、重量等详细信息。
5) 更换现有吊具，更换为符合无人天车运行的智能吊具。
6) 天车吊钩为自由旋转方式，不能实现自动化控制和远程控制，需进行改造，将天车吊钩角度固定，如果天车需要对货物角度进行调整，需安装专用的旋转机构实现。不做自动旋转。
7) 在控制室设置２个急停按钮，卖方通过相应的技术手段确保可靠，在WMS系统及无人天车PLC系统中设置必要的软硬件措施，如防撞、防误动作等，确保天车可靠运行。
四、智能设备
无人天车与WMS系统集成了先进传感、无线通信、智能优化等多种技术，原料库智能化改造分为运输车辆跟踪、产品仓库调度、仓库仓储位置坐标管理、产品工单控制、接口通信兼容、自动装载和自动配送等一系列功能，见图２，无人天车与智能库管系统配置图。WMS系统通过不同的接口对物流系统中的钢卷运输任务进行智能调度，把作业任务下发给无人天车，无人天车完成吊运任务。
图２ 无人天车与智能库管系统配置图
4.1 执行单元
无人天车是库房智能化改造中的执行单元，无人天车控制单元无人天车控制单元旨在实现企业对天车的全自动、全天候的数据监视和无人化天车动作控制，并运行先进的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。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。无人天车控制单元作为整个系统的执行部分，其建立了完整的通信网络控制系统、安全连锁系统，用于实时数据通信，接收WMS系统发出的工作命令，并接收现场各类传感器的数据信息，为产品流提供重要的数据支持。
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，在实际应用中为了避免单个传感器故障造成的整个天车系统存在安全隐患，对于同一类数据分析采用数字量和模拟量传感器进行数据采集，并对多种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。
4.2 天车控制系统
无人天车控制系统采用西门子S7-1215C并通过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，西门子S7-1215C作为控制系统的主要数据接收和发送单元，通过无线通讯实现与WMS系统的数据交换。
S7-1215C作为天车执行的一部分，在远程自动模式下主要接收WMS下发的指令，手动模式下通过程序设计和编写控制天车的运行。S7-1215C通过ProfiNET与交流变频传动系统实现通讯，对天车的电机实现控制，并有如下特点：
1) 天车大小车的位置采用激光检测（测量精度5mm），精确的位置检测和变频装置良好的控制特性相结合使天车行车速度和位置控制更加可靠、准确和安全。
2) 天车的PLC控制系统经过变频器控制电机，电机实现无极调速，减少了天车频繁起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。
3) 传动电机变频装置采用统一的整流装置，能够实现电机实际的电流电压监控，对电机和线路实现完善的保护功能，预防常见故障的发生。
4) 天车具有完善的检测元件，这些检测元件为智能诊断提供可靠的检测，这些诊断以及监管技术完善多种报警信息，不仅保护了电机设备，而且为维护人员提供原始信息记录。
5) 天车采用交流变频装置，现在的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。
6) 天车吊具采用自动化设计，良好的电气防摇模型（摆幅小于±100mm）使天车具备良好的加减速起动特性。
4.3 车辆识别单元车
测量识别接收火车的实际位置坐标，对卸卷作业自动进行的车辆识别系统，其技术特征是：测量钢卷上部；误差为±5mm；测试对象是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。WMS系统完成对钢卷信息的分析和处理。
4.4 WMS系统
图３ WMS系统流程图
WMS系统作为原料库数据处理平台，对整个原料库和天车实行实施管理，见图３，WMS系统流程图。
WMS系统按照模块化设计具有订单分解、实时控制、天车动作确定优先级界定、产品跟踪和设备控制等几个部分，整个控制系统具有多协议实时通信能力，负责接收对无人天车系统下达的工作订单计划，并将其转化为天车任务下发到无人天车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，它把复杂的两台天车控制分解为易于单个无人控制的天车控制任务，把天车协同作业中可能遇到的问题尽量规避，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Linux软件做成可视化图形，见图４，WMS系统主画面，WMS系统可视图形主要功能如下：
图４ WMS系统主画面
1-菜单按键目录/2-ITEM颜色/3-天车状态信息/4-库区内钢卷信息/5-设备（步进梁）信息/6-设备（火车）信息
1) 菜单：主要包含项目退出、用户设置、管理员权限设置、设置用户权限，退出程序，主要对户权限的管理。
2) 设置信息：主要包含设置库区信息、设置作业类型、设置作业顺序、设置步进梁、设置双层码放，对原料库区各跨，各列的钢卷信息以及天车的作业顺序进行管理。
3) 设备信息：主要包含步进梁和火车作业，确认步进梁和火车作业信息。确认步进梁作业信息，钢卷号识别系统信息，连锁信息以及目前步进梁上的钢卷信息，显示火车到达状态、车厢的作业状态（可以作业／不能作业）、火车扫描设备的状态、火车车厢信息、每节车厢上的钢卷信息、入库计划查询按键、车辆到达，车辆出发按键、作业状态的可以作业／不能作业状态的变更按键、删除钢卷信息按键。
4) 天车信息：主要包含天车信息和作业目录，确认各天车的作业状态和对生成的作业指令进行确认。通过选择天车、显示目前天车状态、录入实绩按键，完成取卷、放卷任务。通过对天车状态的判断显示在线、离线、故障等状态，并对库区的两台天车的工作模式进行设定。
5) 信息查询：主要包含作业实绩、查询提醒提醒信息、查询指令报错信息。确认天车已完成的作业指令，确认提醒信息、确认作业指令状态。通过查询设备名称可以确认步进梁是否能作业、确认步进梁上的钢卷信息、确认步进梁连锁状态、显示钢卷号识别系统反馈结果、确认是否使用钢卷号识别系统等信息。
6) 图库信息：主要包含对原料库的跨区和区域的选择、显示钢卷信息、项目颜色，还可以查询有无重复钢卷信息、对原料库区信息的查询、甚至可以修改库区定位信息。
7) 录入手动作业：主要是通过手工的输入起吊、卸卷位置，录入作业指令，录入钢卷号后，查找起吊位置并且自动显示、输入起吊位置以后，自动查找钢卷号，并且自动显示、输入卸卷位置后，点击录入按键时，自动生成指令。
4.5 视屏监控系统
原料库智能化改造后作业人员减少，不仅需要视屏监控系统提供清晰的现场画面，还要实现与基础自动化系统和无人天车自动化进行联动。实现报警联动、重要画面自动弹出、远程控制等功能，见图５，原料库视屏网络系统图。
原料库屏网络系统图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。平台管理服务器、数据库服务器部署在集团核心机房生产网内，边缘服务器部署在本厂机房内。平台主要功能是视频管理和视频智能分析。视频管理包括用户管理、角色管理及授权管理等，以及系统基础数据管理、用户密码管理、视频展示、回放、系统接口、信息交互、分析报警等，视频智能分析包括提供AI算法、视频AI分析等。
图５ 原料库视屏网络系统图
五、结语
基于无人天车的智能原料库解决方案，实现了原料库24小时无人作业，提高了天车的作业效率，降低工人的的劳动强度和设备故障率，实现了对原料库可视化、信息化、智能化管理，该解决方案在本厂其它库区得到推广，助推攀钢冷轧厂信息化、智能化水平跃上一个新的台阶。
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作者：攀枝花钢钒有限公司冷轧厂杨晓东/周兵
来源：《冶金设备》
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