大冶特殊鋼煉鐵廠原料無人行車控制技術的應用

張嗣文

（大冶特殊鋼有限公司，湖北黃石 435000）

引言

原料是高爐生產(chǎn)的基礎，大冶特殊鋼煉鐵廠原料作業(yè)區(qū)責任是為高爐和燒結機的供料，原料種類有煙煤、無煙煤、焦粉、焦丁、精粉礦、塊礦等。原料通過拋料輸送帶或卡車轉運進入原料場料池，按照不同種類分類堆放，再由行車抓放至不同料倉，經(jīng)過料倉下方輸送帶轉運高爐和燒結機[1]。

大冶特殊鋼煉鐵廠原料作業(yè)區(qū)行車平均年作業(yè)量約1 000 萬t，由人工操作行車存在幾個突出問題：（1）現(xiàn)場環(huán)境惡劣，原料作業(yè)區(qū)通常為密閉廠房，粉塵大，人工長時間身處其中作業(yè)，對身體危害大，另外高空低頭作業(yè)容易造成疲勞駕駛；易發(fā)安全事故。（2）照明條件差，視線不佳，影響作業(yè)效率；違章打反車，行車設備易損壞。（3） 崗位環(huán)境惡劣，作業(yè)時間長，操作工人難以招聘到位，人工成本逐年增高。

1 無人抓料行車系統(tǒng)組成

無人抓料行車系統(tǒng)組成見圖1，由檢測系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)及配套系統(tǒng)組成[2]。車載控制系統(tǒng)作為整套系統(tǒng)的核心，對設備進行控制，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，錯誤報警復位的功能。不同于傳統(tǒng)行車有如下幾個方面。

圖1 無人抓料行車系統(tǒng)組成

1.1 車載控制系統(tǒng)

車載自控系統(tǒng)由PLC 控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、三維掃描系統(tǒng)、定位檢測和安全防護系統(tǒng)組成，定位檢測包括大小車定位和抓斗高度定位，安全防護包括人員上下車保護，大小車防撞保護，抓斗高位、低位保護，超載保護等。通過位置檢測、重量檢測、運行狀態(tài)檢測，實現(xiàn)防搖控制、物料探測、池底保護、路徑優(yōu)化及料池邊墻避讓等功能。

1.2 定位系統(tǒng)

大車定位、小車定位系統(tǒng)，通過編碼電纜之間的電磁耦合來檢測移動機車的位置，無機械性接觸磨損，可高速準確地檢測和傳送位置信息；編碼電纜為多對以一定規(guī)律交叉扭絞結構，能有效地抑制外部散雜電平的干擾；能在移動機車行走范圍內(nèi)連續(xù)地、高精度地檢測絕對地址。

1.3 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)主要由無線傳輸設備及網(wǎng)絡設備組成，負責車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。其中無線傳輸設備采用定向性天線，多點配置，信號覆蓋行車整個運行范圍，Clien 端與多個Server 端無線橋接，時延低，切換迅速，可靠性好。現(xiàn)場至中控室采用光纜敷設，保證長距離信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.4 管理系統(tǒng)

負責行車抓料作業(yè)的流程管理以及對車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和存儲，行車各運行機構的狀態(tài)見圖2，如各電機電流、電壓，大小車及抓斗位置，抓斗重量，抱閘及風機狀態(tài)，物料堆型，行車作業(yè)量統(tǒng)計。

圖2 行車運行狀態(tài)監(jiān)控畫面

2 無人行車的功能

2.1 自適應復雜物料堆型的自動流程

由于原料作業(yè)區(qū)的來料方式為行車上方皮帶拋入，為圓錐形料堆，堆尖甚至可以觸碰到行車大梁，通過優(yōu)化抓料策略，采用3D 掃描加編碼器高度檢測手段，當料堆較高時，自動抓料行車啟用高料堆模式，按照程序預先設定好的位置進行取料，從堆尖縱向正對的錐形料堆底部抓起，逐步向前推進[3]。當料堆較低時，自動抓料行車啟用低料堆模式，從堆尖開始抓起，逐步對周圍進行順序抓取作業(yè)，該自動流程可盡量減少抓斗傾斜，并且可以使每次抓料都能夠抓滿，提升作業(yè)效率。

2.2 多設備連鎖，設置運行路徑安全避讓

行車與行車，行車與拋料小車、進料卡車等其他設備存在交叉作業(yè)，工藝也存在一取多放的情況。人工操作由于視線不佳，與其他設備管控人員溝通不到位，經(jīng)常出現(xiàn)拋料小車將料撒到行車上面，行車與進料卡車產(chǎn)生碰撞等危險。為避免抓斗移動中觸碰到高料堆，硬件采集通過格雷母線定位，微波定位、紅外定位、三維掃描儀實現(xiàn)設備和料堆的定位，再通過軟件算法來控制行車移動，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全運行。行車與行車避讓：相鄰兩臺行車的大車位置實時共享，當相鄰兩車大車相向運行時，間隔距離小于20 m 減速，間隔距離小于5 m 停止；當相鄰兩車大車非相向運行時，間隔距離小于15 m 減速，間隔距離小于5 m 停止。行車與拋料小車避讓：拋料小車位置通過微波定位獲取，與行車共享實時位置并標定了相同原點。當拋料小車開始運行時，行車自動模式下無法進入距離拋料小車先后5 m 范圍。

2.3 四繩配合提升機械設備使用壽命

抓料行車提升機構為雙電機雙卷筒結構，每個轉筒纏繞兩根鋼絲繩，共四繩懸吊一個抓斗，內(nèi)兩繩為開閉繩，外兩繩為提升繩。人工操作時，提升繩易松弛，四繩受力不均，提升減速機、鋼絲繩、電機負載過大，設備疲勞、壽命減短。無人抓料行車可保持作業(yè)過程中四繩受力平衡，提升設備壽命。

2.4 防搖功能使行車運行更加平穩(wěn)

防搖功能可較大幅度消除抓斗的擺動，實現(xiàn)貼墻邊抓料時提升行車的作業(yè)效率。采用開環(huán)防搖手段[4]。啟用ABB ACS880 變頻器防搖功能并根據(jù)行車運行特性及抓斗高度，設置相關防搖參數(shù)，建立防搖加速度曲線模型，達到開環(huán)防搖的目的，具體設定參數(shù)見表1。獲得；最大擺長：指抓斗下降到最低位置時，抓斗重心距離卷筒中心的垂直距離。

表1 ABB ACS880 系列變頻器防搖參數(shù)

2.5 使員工遠離惡劣環(huán)境提升安全與職業(yè)健康

無人抓料行車是以智能算法替代了人工判斷料面的形狀、是否抓空等因素，實現(xiàn)了現(xiàn)場無人化，人員遠離危險源；通過設備的升級，實現(xiàn)安全防護分級應對策略，在運行、維護過程中提升人身安全。

2.6 行車遠程診斷故障可追溯

無人行車可采集行車設備實時信息，可監(jiān)控行車的電流、運行速度、位置信息、起重量、作業(yè)時間，故障信息等。通過通信技術與權限設置，可實現(xiàn)異地遠程監(jiān)測診斷，故障信息可追溯。見圖3。

圖3 行車各機構狀態(tài)監(jiān)控畫面

3 解決脫槽問題和堵料問題

3.1 解決鋼絲繩脫槽問題

國內(nèi)其他廠家的無人抓斗行車抓取的料面情況多較為平整，但大冶特殊鋼煉鐵原料廠料面情況復雜，由于場地受限且來料由拋料小車卸料，料堆易形成堆尖，抓斗抓料時經(jīng)常發(fā)生傾斜，在抓斗傾斜狀態(tài)下抓料，鋼絲繩歪拉斜吊，在卷筒上易發(fā)生脫槽。我們在大車橫梁兩側安裝了糾偏檢測桿。例如當抓斗接觸料面向左側傾斜時，抓斗會帶動鋼絲繩向左側傾斜，鋼絲繩會碰觸到左側糾偏檢測桿，觸發(fā)左糾偏信號，程序給出大車偏移指令，模仿人工向左側移動，使鋼絲繩垂直，達到糾偏效果[5]。

當料面坡度太大導致抓斗接觸料面時抓斗完全傾倒，糾偏功能還未發(fā)揮作用，卷筒上鋼絲繩就已經(jīng)滑落至卷筒與減速機縫隙中，此時行車動作，會導致設備損壞。我們在卷筒端頭增加環(huán)形阻擋，避免鋼絲繩滑落，再配合糾偏功能，較好的解決了這個難題。

3.2 解決受料斗堵料問題

新冶鋼無人行車將物料從庫區(qū)內(nèi)抓取后，放至受料斗中。部分物料的特性，在受料斗口格柵處易粘連堵塞（格柵作用是過濾物料中的大塊雜物，防止雜物撕裂下方皮帶），改造前行車在格柵上反復抓取丟放消除堵塞，易損壞格柵和抓斗，無法消除的，由人工拿鐵釬疏通，環(huán)境差、勞動強度大。

在改造過程中，設計了格柵振動裝置，并與行車系統(tǒng)進行連鎖，當抓斗在格柵上方放料時，格柵振動裝置啟動，物料很順利通過格柵，行車放料完畢停止振動。通過增加格柵振動裝置，減少了反復抓取丟放動作，提高了行車效率，避免格柵和抓斗損壞，也降低了工人勞動強度。

格柵振動裝置：1- 格柵加焊扭腿；2- 扭腿下加彈簧；3- 振動電機。見圖4、圖5。

圖4 格柵震動裝置- 整體

圖5 格柵震動裝置- 扭腿

4 無人抓斗行車的特點

從工作環(huán)境看，四繩抓斗行車多應用于抓取煤粉、水渣、礦石等惡劣工況，現(xiàn)場存在霧大或者粉塵較多。從設備角度看，智能抓斗行車與智能夾具行車不同在于：（1） 抓斗在工作種中埋沒入物料或水渣中，不能安裝類似于智能夾具上的傳感器檢測抓斗狀態(tài)。（2） 抓斗行車是雙電機卷筒驅動，抓斗在抓取物料過程中，要保持四繩受力均勻，物料不灑漏。

在設計過程中考慮這一特點，將檢測元件上移至行車上，通過電機電流、抓取物料重量及鋼絲繩長檢測，結合智能算法，解決了抓斗狀態(tài)檢測，四繩控制配合的問題。另外，無人行車還有以下幾個特點。

4.1 安全性高

新增多重檢測手段，實現(xiàn)分級保護：

（1） 一級防護：程序設置軟限位，劃定X、Y、Z軸工作范圍，程序自檢，按設定程序自動處理。

（2） 二級防護：硬件設置電氣防撞、減速位、極限位，觸發(fā)報警，人工復位。

（3） 三級防護：兩側安裝機械防撞、門限位、急停等，觸發(fā)報警，人工現(xiàn)場確認，現(xiàn)場復位。

4.2 開放性

在系統(tǒng)結構上采用開放式的結構，具有極大的靈活性、可擴展性；采用與現(xiàn)基礎自動化控制系統(tǒng)一致的系統(tǒng)總線，確保系統(tǒng)的高效I/O 處理能力，系統(tǒng)采用市場通用備件，無專屬板卡。

4.3 易操作與維護

畫面動畫顯示，簡單直觀，易于操作。故障信息準確細化，減少故障查找時間，設計規(guī)范，維護簡單。

5 結論

實現(xiàn)原料作業(yè)區(qū)行車無人化作業(yè)，可有效解決工位的痛點問題，改善勞動環(huán)境；通過設備提升，控制曲線平滑，降低設備損壞率及設備維護成本；通過集中監(jiān)控，可降本增效，提升企業(yè)競爭力。