刮板取料機實現無人值守3D掃描自動取料的研究與應用

王文良 連武學 河北鋼鐵集團邯鋼有限公司物流公司設備動力科

一、改造簡介

邯鋼一料場作為邯鋼最大的一、二次料場，全料場為封閉料場，其中一次料場有4個料條，每個料條分為7個料倉。

整個料場的物流作業都需要操作人員在設備上進行，不僅封閉料場環境惡劣，而且每臺設備至少要配備一名操作人員，整個料場的物流堆取作業都需要中控室通過對講機來統籌調度，料條的盤料也需要大量人工和長時間的工作進行。這就使得料場物流運營成本居高不下，生產效率低下。基于以上原因我們進行了4號料條6#刮板機的智能化改造項目。

針對上述問題，我們選用在刮板兩側安裝激光掃描儀，將料場數據采集到三位服務器中，服務器再通過數據算法計算出料堆的體積“體積”“重量”“邊界”等數據，在料場仿真系統中以三維的方式模擬仿真呈現。

二、改造過程

本改造的目的是通過激光掃描儀對料場的整個料堆進行條形掃描；刮板取料機定位系統確定堆取料機的行程、卷揚角度數據；系統的數據處理單元會根據激光掃描出來的料場數據，進行數據分析、對比，數據特征提取、計算，并將最終計算出來的作業切入點數據傳給圖像處理單元；圖像處理單元對激光掃描儀、定位數據等進行處理，轉換成料堆的直觀三維圖像，并提供料堆重要邊界點的坐標參數；控制人員根據實際的作業任務建立作業計劃，初始化模型參數后下發作業指令，利用料堆模型和PLC模塊控制刮板取料機自動化作業。從而實現通過激光掃描技術實現對于刮板取料機的遠程自動控制，降低操作人員的工作強度，改善其工作環境，確保刮板機穩定運行。

本改造包括一臺工控機、一套激光掃描服務器、兩臺激光掃描儀、刮板取料機PLC控制系統、交換機、用于定位刮板取料機位置的大車編碼器、卷揚編碼器、高清視頻監控系統、刮板機的保護限位和一對無線通訊電臺。

所做的改造是通過對料場進行測繪并建立料場坐標系并將刮板機的編碼器數據與料場坐標系相對應；

在刮板機的刮板機構兩側安裝兩臺激光掃描儀，并且將兩臺激光掃描儀的安裝位置也建立在料場的坐標系中；

將料場進行區域劃分，將每一個料場的區間坐標建立數據庫；

將刮板機與中控室通過無線通訊電臺建立無線通訊；

在上位機種選擇作業的料場，服務器將料場區間坐標發送給PLC，刮板機在這區間進行料場掃描；

激光掃描服務器將采集上來的料場數據信息進行數據計算、對比分析、特征提取，計算出料堆的體積、重量、邊界等數據存儲到相應料場的數據庫中；

自動取料作業時，通過對上位機進行料場選擇，系統會讀取相應料場數據庫的料堆數據，然后將料堆邊界、作業切入點等數據發送給PLC，從而實現刮板機全自動作業。

本改造的積極效果是：通過實現刮板機遠程自動控制，可以大大降低操作人員的工作強度，改善操作人員的工作環境，可以實現一人同時控制多臺設備，大大降低了人工成本，同時規范了刮板機的作業流程，很好的降低了刮板機因人為暴力操作所帶來的設備損害，降低了設備的維修率，激光掃描系統還建立了完備的料場信息數據庫，相比于人工盤煤，基于激光掃描的刮板機控制系統可以做到實時盤煤，及時計算等優點。

三、改造亮點

通過實現刮板機遠程自動控制，大大降低操作人員的工作強度，改善操作人員的工作環境，可以實現一人同時控制多臺設備，大大降低了人工成本，同時規范了刮板機的作業流程，很好的降低了刮板機因人為暴力操作所帶來的設備損害，降低了設備的維修率，激光掃描系統還建立了完備的料場信息數據庫，相比于人工盤煤，基于激光掃描的刮板機控制系統可以做到實時盤煤，及時計算等優點，每年節約成本費用85萬元。

四、技術研討

本改造需要先對料場進行測繪，建立料場坐標系，并確定料場的坐標原點和刮板機在坐標系中的位置，同時還要將刮板機編碼器數據和料場坐標系進行統一；

堆料場進行區域劃分，并且在服務器中根據料場劃分的區間位置建立相應的數據庫，將數據庫與上位機和激光掃描服務器進行通訊，以便上位機和激光掃描服務器可以讀取數據庫；通過上位機對整個料場進行掃描采集料場中料堆的數據信息，激光掃描服務器會將采集上來的數據信息，根據料場劃分的區間對不同料場的數據進行分別計算和存儲在相應的數據庫中：

料堆數據的計算：

激光掃描儀1位置數據，激光掃描儀2位置數據

通過特征提取算法，系統判定每個料場料堆最高點的高度為刮板機初次下放的角度，最高點所在的料場位置為刮板機的行走位置，這樣就可以讓刮板機自動定位目標料堆的初始位置，再根據料堆的形狀提取料堆的邊界數據，便可以作為刮板機的取料邊界設定；

建立激光掃描服務器與PLC的Modbus Poll通訊連接，設置PLC的IP地址：192.168.0.1；

建立激光掃描服務器與料場數據庫的通訊連接；

對整個料場進行自動盤煤，刮板機將刮板抬到最高位，從料場起點運行到終點，并將料倉的“體積”“重量”以模擬量類型數據存儲，物料種類以狀態字的類型存儲在數據庫中。

通過讀取物料種類的狀態字，刮板機可以自動選擇料倉，選擇料倉后激光掃描系統會給出料堆邊界數據和刮板下放角度，刮板機接收到邊界數據和下放角度后，刮板機進行自動取料；在PLC中編寫手動干預功能模塊，當刮板機運行數據出現偏差時，可以保證設備在不停機的狀態下進行人工干預微調。

五、結束語

通過這次設計改造，大大節約人工維護成本，明顯降低職工勞動強度，每年節約人工費用約85萬元，延長了刮板機的使用壽命。同時也鍛煉了自己，提高了對設備自動化知識的認知能力，今后多學習專業知識，努力對設備進行創新改造，貢獻自己的力量！