1.1 系统总体架构
本系统主体架构主要由堆取料机车上部分与中控室中控系统两大部分组成。车上部分主要配备了一套 3D 激光料堆云图采集系统 , 负责在作业完成后短时间内采集料堆高质量的 3D 云图 ,并通过网络发送到中控系统,实现快速获取料场料堆的变化情况。在悬臂的前端配备自动料堆堆高检测系统 , 实现实时采集料堆堆高 , 根据堆料控制模型 , 自动判断换堆、走行等。堆取料机机上配备走行定位系统 , 配合部署在地面主皮带托架上的 RFID 标签( 需事先精确测定坐标 ), 结合机上的走行编码器 , 实现轨道方向的走行精确定位 , 为机上无人化作业打下坚实基础。对机上原有PLC 程序进行无人化改造 , 加入自动驾驶模块 , 堆料模型、取料模型、姿态识别模型、作业任务接收模块等 , 实现机上控制系统具备无人化作业能力。机上还需配备多个视频监控镜头 , 以便对机上不同部位进行远程观察、监控。
中控室部分主要包括远程操控平台 , 通过对机上的视频监控信号、HMI 操控画面集成 , 可实现多台堆取料设备仅需 1 人远程监视与操控 , 堆取料机的数量与远程监控平台的比例可根据设备的作业频率而定 , 一般为 3:1 即可满足需要。1 台通信服务器 ,负责机上 PLC 系统、3D 扫描系统、作业任务管理系统以及 L2等第三方 MIS 系统的连接。1 台 3D 云图处理图形工作站 , 主要负责对各台堆取料设备发送回的 3D 料堆云图进行过滤、拼接、体积计算等 , 每次作业后刷新相应料堆的体积数据 , 从而实现快速准确盘库 , 从料堆的 3D 云图还可提取料堆的位置、形状数据 ,以便于精确、足不出户地绘制出高质量的料场图。
1.2 关键技术
首先是 3D 扫描技术及云图·处理。3D 激光扫描技术采用现代高精度光学传感技术 , 运用无接触方式 , 能够深入到复杂料面及空间中进行扫描操作。直接获取料面的三维数据 , 得到料堆表面的点集合——“点云”,具有快速、简便、准确的特点。装备于堆、取料机上的 3D 激光扫描系统 , 在每次作业完成后对作业料堆进行采集 , 采集到的局部云图通过匹配技术 , 与事先建立的云图进行匹配 , 刷新局部 , 从而以仅需扫描的最小扫描区域获得整个料条的最新 3D 云图。匹配技术是把多个不同 3D 扫描设备获取的点云数据拼合在一起 , 以区域内确定的标志物为坐标 0 (X=0、Y=0、Z=0) 点 , 建立统一坐标系。当拼接完成后 , 多个扫描云图被合并成一个新云图。例如 , 扫描仪 A 和扫描仪 B 分别对同一实体 P 进行扫描 , 每一站数据相应的坐标系为 S1 和 S2, 以这两站数据为参考进行匹配,以 S1 作为基准。即由三个角元素(Ω、σ、k) 组成的旋转矩阵 R 和 3 个平移量 ( △ X, △ Y, △ Z) 组成的平移向量 T。变换条件满足 : 由式 (1), 就可以将 S2 转换到 S1 的坐标系中。其次是超声波测距原料场具有浮尘大、料堆对光反射极弱的特点 , 一般采用激光或电磁类进行距离测定困难很大 , 效果欠佳。超声测距不受光线、被测对象颜色等影响。尤其在原料粉尘很大的环境中能够很好的工作、在有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆超声波测距的基本方法为渡越时间检测法 (TOFtime of flight)。 超声传感器由强电脉冲信号激励 , 向外发射超声波 , 遇到被测物体返回传感器 , 通过发射、接收声波存在的时间差判别物体距离 , 计算式如下 :D=C×T×1/2 式中 ,D为被测物距离 ;C 为声音传输速度 ;T 为渡越时间。通过本项目对超声波检测堆高的大量实际应用 , 证明了超声波在户外强光、雨水、浮尘环境下的有效性和稳定性。但超声波测距也存在方向性较差、被测区域要求的反射面较大等问题。
二、智能化系统应用效果
2.1 自动堆、取料
研发的堆、取料模型 , 根据不同原料的安息角、堆高 , 设定流量、极限流量等参数 , 快速计算出最优过程 , 引导机上控制系统进行自动堆、取料。目前 , 已经实现堆料全程无人干预 , 自动走行、自动检测堆高、自动换堆等功能。取料仅需人工完成最后段的近距离对位 , 实现了在扇形段恒定料流下的自动取料 , 后期还将在扫描完成后,利用 3D 扫描云图提取料堆折返边界等数据,进一步降低取料过程中人工干预的程度。对比传统人工堆料与模型控制的自动堆料的前后效果 , 料场料堆排列出现了明显变化 ,堆间距、堆高等数据大幅提升,不但提升料场有效空间 10%以上,同时为取料效果的改善也打下了坚实的基础。在自动取料模型控制下,通过对斗轮作业电流的实时检测,成功实现了恒流量取料。
2.2 人力需求的降低
2016 年开始原料场以提升作业效率、料场智能化为导向 ,开展原料场智能化系统研究公关 , 至 2017 年 4 月 , 原料场所有堆、取料机全部实现智能化 , 料场堆取料实现智能化操作 , 中央控制室通过两位岗位人员对电脑参数的控制 , 实现 11 台堆、取料机根据作业指令全自动化操作。智能化系统上线后 , 劳动效率提升了 300%, 作业人员降低了 75%, 劳动强度大大降低 , 人工优势非常明显。智能化作业流量与技术最娴熟的人工操作作业流量相比 , 有一定程度的提升 , 同时作业效率也得到提升。智能化作业率比人工作业率明显提高。
2.3 快速、精确盘库
当前湛江钢铁原料场已经投入 3D 自动盘库 , 可以通过安装在堆、取料机上的自动扫描仪对料堆进行体积扫描 , 然后输入原料堆比重 , 即可盘出料堆库存 , 大幅降低了员工的劳动力强度 ,提升了库存管理的准确性。当前 , 湛江钢铁原料场利用智能化系统已经具备自动生成 2D 料场图的功能 , 可以通过安装在堆、取料机上的自动扫描仪对料堆进行形状扫描 , 然后通过数据分析处理即可完成自动生成料场图 , 显著降低了员工的劳动强度 , 之前需要人工现场绘制。
三、结束语
原料场智能化系统应是一个开放的架构体系 , 它不仅包括已实现的料堆堆位管理、堆取料机无人化等子系统 , 后期还将在现有基础上分期实施综合设备监控、智慧运维、掌上工厂、作业计划指导、作业大数据优化等子系统 , 逐步提升宝钢集团湛江基地原料场智能化程度 , 改善员工的工作环境 , 降低人力成本 , 有利于推进企业精细化管理和标准化生产。
论文作者:连武学
论文发表刊物:《红地产》2017年9月
论文发表时间:2018/9/3
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