銅礦庫無人天車系統(tǒng)的研究與應用

賈思柔，鄧烜堃，謝 云

（1.甘肅白銀有色集團股份有限公司，白銀 730900；2.蘭州蘭石集團有限公司信息化與智能制造部，蘭州 730000）

0 引言

冶金行業(yè)作為加工制造業(yè)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，物料搬運大多依靠天車實現(xiàn)。由于銅冶煉24小時不間斷生產(chǎn)，銅礦轉(zhuǎn)運天車作業(yè)強度大，庫區(qū)內(nèi)的粉塵多，工作環(huán)境差，對操作人員身體健康影響大。天車是制造企業(yè)重要的物料轉(zhuǎn)運設備，其工作效率對前序和后續(xù)的作業(yè)效率影響較大。傳統(tǒng)天車作業(yè)依靠駕駛司機、遙控手柄、地面指揮、司索工配合完成，效率低下，人力成本高，安全可靠性差，已經(jīng)不能滿足智能化和信息化趨勢下生產(chǎn)發(fā)展需要。提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境是行業(yè)待解決的問題。

本文設計的無人天車系統(tǒng)實現(xiàn)無人天車與各生產(chǎn)工序、工單系統(tǒng)、倉庫物流、ERP系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)信息交換，并根據(jù)生產(chǎn)計劃動態(tài)調(diào)節(jié)作業(yè)節(jié)拍，對實現(xiàn)柔性制造，建設智能工廠意義重大。

1 無人天車系統(tǒng)整體設計

通過對銅礦庫的天車實施智能化系統(tǒng)改造，使銅礦裝卸的入庫、出庫等物流情況具備實時、動態(tài)、準確的跟蹤能力，及時掌握庫區(qū)內(nèi)原材料庫存及分布情況，提高冶金行業(yè)的信息化管理水平。同時通過對庫區(qū)進行合理化劃分及天車吊運任務的合理分配，提高天車出入庫作業(yè)效率和設備利用率，降低庫區(qū)管理人員及天車操作人員的勞動強度，延長天車機電設備的使用壽命。無人天車系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖所示：

1.1 倉儲管理系統(tǒng)

圖1 無人天車系統(tǒng)架構(gòu)圖

倉儲管理系統(tǒng)（WMS，Warehouse Management System）功能應該滿足來自于制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System）和所覆蓋廠區(qū)物流工藝的要求[1]。倉儲管理系統(tǒng)向上接收來自MES下發(fā)的出入庫作業(yè)計劃（也可手動輸入），向下接受天車調(diào)度系統(tǒng)獲取的機組運行狀態(tài)。通過分解作業(yè)任務形成吊運計劃，將吊運下發(fā)到天車作業(yè)管理系統(tǒng)，控制天車完成物料吊運，并實時向MES反饋作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)以及完成進度，查看并管理物料信息及出入庫記錄。系統(tǒng)主要包括：與MES系統(tǒng)、天車作業(yè)管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，吊運計劃管理，庫區(qū)收發(fā)貨管理，庫位管理與原材料品類管理，清盤庫、調(diào)庫操作管理，吊運實績收集與統(tǒng)計，現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面查看與攝像頭管理，日志管理等模塊。

1.2 天車作業(yè)管理系統(tǒng)

天車作業(yè)管理系統(tǒng)是倉庫管理系統(tǒng)的下級系統(tǒng)，是用戶和天車直接交互的系統(tǒng)，主要用于高級的作業(yè)指令生成和作業(yè)動作編排、天車運行調(diào)度等場景。

天車作業(yè)管理系統(tǒng)底層采用物聯(lián)網(wǎng)技術獲取天車運行相關參數(shù)，包括：位置、速度、加速度、貨物重量等數(shù)據(jù)，匯總到天車PLC總站上，總站與上層管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)交互和指令下發(fā)。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術兼容有線、wifi、藍牙、4G、5G等多種數(shù)據(jù)傳輸方式，可應對不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集問題。

天車作業(yè)管理系統(tǒng)包括天車防撞模塊、指令管理模塊和天車調(diào)度模塊三個模塊：天車防撞模塊用于防止天車運行的過程中相互碰撞、天車和卡車碰撞；指令管理模塊包括編排和下發(fā)高級指令、控制天車啟停等功能；天車調(diào)度模塊用于動態(tài)管理天車作業(yè)次序，優(yōu)化作業(yè)流程，提升工作效率。

1.3 天車控制系統(tǒng)

天車控制系統(tǒng)是用于硬件層面的軟件系統(tǒng)，集物聯(lián)網(wǎng)技術、網(wǎng)絡通訊技術，自動化控制技術、傳感技術于一體，用于向天車PLC、三維掃描系統(tǒng)等設備發(fā)送指令和接受數(shù)據(jù)。天車控制系統(tǒng)核心模塊包括自動化控制模塊、精確定位模塊、減搖模塊、稱重模塊、三維掃描模塊等部分。通過實時監(jiān)控天車的設備運行數(shù)據(jù)，在線跟蹤記錄生產(chǎn)任務完成進度；使任務指令轉(zhuǎn)換為天車可執(zhí)行的動作指令，實現(xiàn)高級指令向低級指令的自動拆分和轉(zhuǎn)換；通過三維掃描系統(tǒng)和定位系統(tǒng)的相互配合，自動尋找物料抓取點

天車控制系統(tǒng)實現(xiàn)高層級軟件系統(tǒng)與天車硬件層面動作執(zhí)行的無縫銜接，天車設備運行數(shù)據(jù)的向上匯總和指令的向下執(zhí)行，是軟硬件數(shù)據(jù)和指令交互的中間樞紐。

1.4 地面站控制系統(tǒng)

地面站控制系統(tǒng)主要負責庫區(qū)安全相關工作，包括攝像系統(tǒng)、安全門、聲光報警器、天車急停按鈕等模塊。

安全生產(chǎn)是無人天車系統(tǒng)面臨的首要問題，天車在無人模式下運行時，能自動規(guī)避潛在的安全問題發(fā)生。使用圍欄對堆料區(qū)進行隔離，防止人靠近堆料區(qū)，結(jié)合電子門禁、人工智能等技術監(jiān)控庫區(qū)內(nèi)人員進出情況，并與天車進行聯(lián)動。天車運行在無人控制的模式下有人員闖入后會報警，系統(tǒng)記錄下報警信息并將天車切換到手動模式。監(jiān)控系統(tǒng)是無人天車的重要組成部分，根據(jù)庫區(qū)尺寸部署攝像頭，使整個庫區(qū)內(nèi)無死角。監(jiān)控系統(tǒng)負責對車間內(nèi)的天車作業(yè)情況、物料出入庫、人員和車輛出入情況以及生產(chǎn)安全進行重點監(jiān)控，管理員可以在中控室通過大屏觀看現(xiàn)場畫面。現(xiàn)場急停按鈕用于在天車出現(xiàn)狀況時手動控制天車停止，防止損失進一步擴大。

2 無人天車系統(tǒng)關鍵技術

2.1 吊具防搖擺技術

天車運行的過程中吊具會因為慣性產(chǎn)生一定的擺動，在自動模式下運行時，吊具的擺動可能引起物料墜落、吊具與其他物體碰撞等安全風險，因此需要減小吊具過度擺動，防止安全風險發(fā)生。

防搖方式通常有機械防搖和電氣防搖兩種，機械防搖需要設計專用的防搖機構(gòu)來減少擺動，通用性和防搖效果較差，本文使用電氣防搖技術。其原理是通過傳感器測量鋼絲繩的擺動角度，再根據(jù)角度大小和方向計算出xy軸方向上的角度和速度，大小車動態(tài)調(diào)整運行速度，以此實現(xiàn)吊具的防搖[2]。

此問題可以描述為：S表示重物目標位置和當前位置的距離，t1、t2、t3表示加速時間、勻速時間和減速時間，A表示幅度，則

天車當前吊繩長度為l，擺角為θ，擺動速度為θ′，假設擺角在區(qū)間t∈[0,T]，擺角可以由繩長和幅度表示為：

擺角θ到達最大值時，擺動速度θ′為0，可以得到：

聯(lián)立方程式(1)～式(3)，可以得到天車在t1、t2、t3的運行時間，進而求出天車的速度。

通過上述計算方法可知，只要測量得到吊具的擺角、角速度、當前繩長等參數(shù)，可以求出天車一個方向的速度，將擺角的角度分解到x，y軸上，即可算出另一個方向的角度。天車PLC將速度補償值發(fā)送給傳動裝置，以此完成大小車的速度控制，使大小車和吊具幾乎同步運行，進而達到減小吊具擺動的目的。

2.2 天車調(diào)度技術

同一個跨上運行超過一臺天車就存在調(diào)度問題，銅礦庫天車面臨著作業(yè)任務多樣化，天車作業(yè)路徑存在時間和空間上的重疊，同一任務由多臺天車協(xié)同執(zhí)行等問題[3,4]。天車作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)是無人天車的大腦，主要功能是解決天車作業(yè)過程中遇到的上述問題，并根據(jù)任務優(yōu)先級編排作業(yè)次序[5]，從而動態(tài)合理安排天車運行。

根據(jù)作業(yè)優(yōu)先級不同避讓規(guī)則如下所示：

1）無負載的天車優(yōu)先級最低，主動避讓其他作業(yè)中的天車；

2）裝卸車作業(yè)天車優(yōu)先級大于其他作業(yè)天車；

3）若兩臺車作業(yè)的優(yōu)先級相同，距離目標位置近的天車優(yōu)先級較高。

基于上述規(guī)則，可以解決天車作業(yè)過程中的部分任務沖突問題，但是經(jīng)常會出現(xiàn)等、讓、停的情況，作業(yè)效率并沒有得到較大提升。本文對天車的作業(yè)過程進行了數(shù)學建模，為使其作業(yè)效率得到提升，使用遺傳算法對天車調(diào)度進行優(yōu)化。

遺傳算法是一種模擬生物進化過程優(yōu)勝略汰機制的算法，通過交叉、變異、遺傳等方式在解空間中搜索最優(yōu)值，具有搜索速度快[6]，容易找到全局最優(yōu)解等優(yōu)點。

首先定義天車調(diào)度問題的目標函數(shù)為：

其中，M表示第i臺天車的任務集合：

Δti表示第i臺天車實際裝料和卸料的時間差，

基于廠房、作業(yè)流程和作業(yè)優(yōu)先級的限制，天車調(diào)度問題的約束條件為：

其中式(7)表示開始裝料的時間要大于裝料任務下發(fā)時間，式(8)表示任意一臺天車只能同時執(zhí)行一項任務，式(9)表示天車在運行的過程中當前時刻和下一時刻的距離大于安全距離，式(10)表示天車的運動范圍不超過廠房的長和寬。

2.3 三維掃描技術

三維掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、旋轉(zhuǎn)云臺、控制器和通訊模塊組成。三維掃描系統(tǒng)工作原理是利用旋轉(zhuǎn)臺帶動激光掃描儀旋轉(zhuǎn)，激光掃描儀發(fā)射扇面激光束，激光束碰到物體后計算得到光點的空間坐標，系統(tǒng)將光點的坐標記錄下來，進而獲得點云數(shù)據(jù)。

三維掃描系統(tǒng)用于得到物料存放的準確位和置獲取物料的外形尺寸，并且引導天車準確的行駛到目標位置[7]。天車作業(yè)管理系統(tǒng)觸發(fā)激光掃描系統(tǒng)對散料區(qū)進行掃描，將激光掃描數(shù)據(jù)映射到三維空間后，形成點云數(shù)據(jù)，通過對點云數(shù)據(jù)的分析處理，可以獲得料堆的高度分布和各個料堆的位置信息。為了計算料堆體積及堆型，需要在三維激光數(shù)據(jù)的基礎上，對整個數(shù)據(jù)區(qū)域在笛卡爾坐標系上劃分為等分柵格，統(tǒng)計每個柵格內(nèi)的激光點高度，作為該柵格的高度值，從而構(gòu)建三維激光點云的高程模型，料堆體積可以通過計算所有柵格內(nèi)所有立方體的體積和獲得。柵格尺寸參數(shù)a可以根據(jù)體積精度要求進行調(diào)整，a值越小，計算精度越高，相應的計算耗時越長。三維掃柵格坐標如圖2所示：

圖2 三維掃柵格坐標圖

每個柵格的坐標點（x，y，z）可以通過式(11)計算得到，其中d為激光束測得的距離，α為相鄰兩條激光束之間的夾角，β為激光束與地面的夾角。

通過分析料堆形狀和料堆高點距離天車吊具的距離，可以向天車下發(fā)作業(yè)的位置信息，引導天車去指定位置作業(yè)。

堆型最高點計算和堆型重構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 堆型最高點示意圖

圖4 堆型線性重構(gòu)圖

2.4 天車定位技術

要實現(xiàn)天車無人化作業(yè)就要實時獲取天車的位置信息，進而控制天車運行到目標位置，這就要用到天車自動定位技術，定位系統(tǒng)需要將天車坐標映射到笛卡爾坐標系中，因此需要獲取大小車定位和起升定位信息。

大小車走行定位采用編碼尺定位系統(tǒng)獲取xy軸坐標信息。讀碼器以編碼尺為導軌，每運行一段距離后會讀取到新的位置值。編碼尺的位置值使用類似條碼的編碼方式和特殊的打孔工藝制作在塑壓或者不銹鋼尺上，不需要參照點且沒有時間延遲。讀碼器使用紅外線照射編碼尺孔洞，能實時計算出位置值，從而獲得絕對位置信息[8]。天車控制系統(tǒng)通過接口模塊獲取定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，讀碼器與接口模塊之間使用屏蔽電纜和專用連接器進行連接，接口模塊具備ProfiNet總線接口，通過西門子專用PN總線電纜和以太網(wǎng)接頭讀取天車位置信息。編碼尺定位系統(tǒng)不易受到粉塵影響，價格較低，定位精度較高。

起升定位采用絕對值編碼器進行吊具Z軸坐標定位。光電絕對值編碼器裝置安裝在驅(qū)動卷筒后部的一個金屬殼體內(nèi)，通過聯(lián)軸器進行連接，測量起升高度時同步測定卷筒的旋轉(zhuǎn)角度，起升定位系統(tǒng)需要與鋼絲繩長度補償裝置聯(lián)合使用。

3 無人天車系統(tǒng)應用實踐

通過對無人天車系統(tǒng)關鍵技術的研究和整體架構(gòu)設計，完成了無人天車系統(tǒng)的開發(fā)和實施。實現(xiàn)四種操作方式，即全自動控制模式、中控室遙控操作模式、地面遙控操作模式、司機室操作模式。通過天車作業(yè)管理系統(tǒng)授權(quán)后，可以根據(jù)需要選擇操作方式。

自動模式下，系統(tǒng)自動產(chǎn)生運輸指令并發(fā)送給行車執(zhí)行，物料運輸業(yè)務自動完成，系統(tǒng)記錄天車的指令執(zhí)行過程。中控室遙控操作模式下，由操作員在中控室完成，中控室配備有操作臺，操作方式和司機室基本一致；地面遙控模式下，由操作員在地面使用手持遙控器遙控完成運輸任務，系統(tǒng)記錄天車的調(diào)運記錄；手動模式下由天車司機完成運輸任務，系統(tǒng)記錄天車的吊運業(yè)績、庫中物流信息流的變化，并實時更新庫存。

圖5 數(shù)字孿生系統(tǒng)效果圖

開發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)，融合物聯(lián)網(wǎng)技術采集天車運動數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，將天車數(shù)據(jù)綁定在三維模型上，實現(xiàn)模型和天車設備的實時聯(lián)動。使中控室作業(yè)人員可以方便查看天車的運行狀態(tài)和當前位置，彌補視頻監(jiān)控視野不足的問題。

在全自動控制模式下運行，天車作業(yè)效率可以提升約20%，天車操作人員從車間搬到中控室，作業(yè)環(huán)境條件大大改善，每名操作人員通過控制臺可控制1～2臺天車，人力資源節(jié)省30%。

4 結(jié)語

本文介紹了無人天車系統(tǒng)設計方案，重點研究了無人天車系統(tǒng)中的關鍵技術，包括吊具防搖技術、天車調(diào)度技術、三維掃描技術和天車定位技術，并將這些技術應用到了銅礦庫無人天車系統(tǒng)的實施中。通過實施無人天車系統(tǒng)，實現(xiàn)了銅礦入庫、調(diào)庫和出庫作業(yè)的無人化作業(yè)，其余少量流程較復雜的作業(yè)可在中控室遠程操作完成，大大改善了工作環(huán)境，節(jié)省了人力資源。由于原材料的每一次調(diào)運都會被系統(tǒng)記錄，改變了原來粗放管理的模式，因此庫存信息也更加及時準確。無人天車系統(tǒng)可以廣泛應用到天車控制和冶金物流管理中，市場應用前景廣闊。