1　概述

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)。當前，我國雖然已建成全球產(chǎn)業(yè)鏈完整的鋼鐵工業(yè)體系，但鋼鐵產(chǎn)業(yè)仍面臨產(chǎn)能過(guò)剩、降本增效、節能減排、創(chuàng )新發(fā)展能力不足等嚴峻挑戰。鋼鐵產(chǎn)業(yè)處于結構調整、轉型升級的關(guān)鍵階段。在傳統的行車(chē)吊運工作中，一臺行車(chē)如果要完成一次鋼卷吊運，需要一位機組操作室通過(guò)對講機和吊運計劃單傳遞吊運信息，需要一名行車(chē)工操控行車(chē)，一名庫位工找準庫位。流程不僅繁復而且存在人員需求量大、信息丟失、危險系數高等一系列難題。

2　主要目標

全自動(dòng)行車(chē)和庫區智能管理系統的投入將實(shí)現行車(chē)的無(wú)人運行，在車(chē)間經(jīng)過(guò)智能改造后，只需要編制好生產(chǎn)計劃、轉庫駁運計劃，系統就能自動(dòng)分配任務(wù)并設定行車(chē)行駛路線(xiàn)完成吊運作業(yè)，24 小時(shí)不間斷運行，并帶來(lái)以下效果：

（1）信息流與實(shí)物流一致：IT/OT 融合，貫通上下游信息，庫存變動(dòng)信息全程跟蹤并實(shí)時(shí)反饋給 MES 系統。

（2）提高運營(yíng)效率：利用全局優(yōu)化算法和動(dòng)態(tài)堆場(chǎng)資源分配技術(shù)，實(shí)現行車(chē)智能調度，跺位合理分配，物料存儲優(yōu)化和路徑優(yōu)化，最小化倒垛和上料時(shí)間，提高板坯熱送熱裝比例，提高作業(yè)效率。

（3）提高生產(chǎn)安全性：行車(chē)實(shí)現無(wú)人化的智能調度，降低人與設備之間的交互，消除安全隱患，帶來(lái)極大的安全效益。

（4）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率：取消行車(chē)操作工，減少地面工作人員，優(yōu)化人力資源配置。

（5）提升產(chǎn)品質(zhì)量：采用精準定位、3D 識別、閉環(huán)防搖等先進(jìn)技術(shù)減少人為吊運過(guò)程中造成的物料損壞，并可延長(cháng)設備的使用壽命。

（6）智能化運維：通過(guò)提高庫區自動(dòng)化和信息化管理水平，實(shí)現實(shí)時(shí)狀態(tài)監視，數據分析、預測性維護等功能，幫助客戶(hù)降低運營(yíng)維護成本。

3　解決方案介紹

IACS無(wú)人行車(chē)系統（Integrated Autonomous Crane System）由施耐德電氣率先研發(fā)并推出，其方案可以概括為：一個(gè)基礎平臺，四大核心系統，十二項創(chuàng )新性關(guān)鍵技術(shù)。

3.1　一個(gè)基礎平臺

基于施耐德電氣EcoStruxure?物聯(lián)網(wǎng)架構與平臺，通過(guò)互聯(lián)互通的產(chǎn)品、敏捷穩定的邊緣控制系統，以及豐富強大的應用、分析與服務(wù)，實(shí)現信息技術(shù)（IT）與運營(yíng)技術(shù)（OT）系統的融合，提高庫區自動(dòng)化、信息化、智能化管理水平，自動(dòng)完成入庫、出庫和倒庫等工作，保持信息流和實(shí)物流的高度一致，提高庫區運營(yíng)效率，如圖1所示。

圖1 施耐德電氣EcoStruxure?物聯(lián)網(wǎng)架構

3.2　IACS無(wú)人行車(chē)系統架構（四大核心系統）

圖2為IACS無(wú)人行車(chē)系統架構，主要包含四大核心系統：

圖2 施耐德電氣IACS無(wú)人行車(chē)系統架構

（1）庫區管理系統（Warehouse Management System，WMS）

? 貫通上下游信息，打破信息孤島，保持信息流與實(shí)物流的高度一致；

? 向上接受L3系統生產(chǎn)計劃，同時(shí)將庫存變動(dòng)信息實(shí)時(shí)反饋給MES系統；

? 向下協(xié)調行車(chē)自動(dòng)化系統和地面控制系統的高效協(xié)作，提高運營(yíng)效率。

WMS作為ICAS無(wú)人行車(chē)架構中重要的組成部分，負責庫區內產(chǎn)品的存儲管理，實(shí)現產(chǎn)品的可追溯；管理生產(chǎn)計劃，采用數字化的管理、自動(dòng)生成報表替代現有的人工管理以及紙質(zhì)化工作方式，優(yōu)化生產(chǎn)流程和管理規則，合理分配庫區存儲分布，確保庫區內的行車(chē)和地面設備安全和高效的協(xié)作，提高運營(yíng)效率。

（ 2 ） 行車(chē)自動(dòng)化控制系統（Smart Crane Automation System，SCAS，如圖3所示）

圖3 行車(chē)自動(dòng)化控制系統架構

行車(chē)自動(dòng)化控制系統作為IACS無(wú)人行車(chē)系統中重要的一部分，承擔著(zhù)物料吊運的重要工作，對保障系統整體效率起至關(guān)重要的作用，同時(shí)兼顧設備運行的安全性。系統的設計充分考慮了機械因素、靈活性和手自動(dòng)切換因素，采用先進(jìn)的算法（平滑的制動(dòng)器釋放、控制曲線(xiàn)、轉矩控制、轉矩平衡等），使行車(chē)能夠實(shí)現如下功能：

? 高性能的防搖和定位，所有運動(dòng)可以同時(shí)進(jìn)行而不降低系統的性能，閉環(huán)防搖和定位可以確保系統在達到目標位置時(shí)無(wú)晃動(dòng)；

? 3D貨物識別和檢測（2D掃描在運行過(guò)程中完成，在減速并且到達目標位置時(shí)，完成實(shí)物識別）；

? 動(dòng)態(tài)環(huán)境識別（產(chǎn)品定位、卡車(chē)等），確保位置的安全型，避免損壞；

? 路徑控制算法負責尋找到達目標位置的最短路徑，同時(shí)考慮安全因素；

? 精確的大小車(chē)定位，方案的選擇基于現場(chǎng)環(huán)境；

? 卷筒側的位置編碼器和安全編碼器用于測量起升鋼絲繩長(cháng)和執行安全校驗，保障系統高安全性；

? 所有采用的傳感器都是重型和工業(yè)型的，適應惡劣的工作環(huán)境。

（3）行車(chē)監控系統——EcoStruxure?起重專(zhuān)家

行車(chē)監控系統EcoStruxure?起重專(zhuān)家，可實(shí)時(shí)反饋行車(chē)的作業(yè)狀態(tài)，并記錄歷史運行曲線(xiàn)，具有動(dòng)態(tài)視頻回放功能，幫助客戶(hù)掌握行車(chē)在發(fā)生故障時(shí)的運行信息，相比于簡(jiǎn)單的靜態(tài)數據，動(dòng)態(tài)視頻回放的方式更加直觀(guān)，更容易幫助維護人員分析故障，減少停機時(shí)間，如圖4所示。此外，EcoStruxure?起重專(zhuān)家憑借數據分析和預測性維護功能，助力客戶(hù)實(shí)現庫區的智能運維，大大降低企業(yè)的運營(yíng)維護成本。

圖4 行車(chē)監控系統

（4）地面控制系統（Ground Control System）

地面控制系統主要包含兩部分，一部分為地面設備控制系統，負責地面設備的自動(dòng)化過(guò)程控制以及與原機組自動(dòng)化系統連鎖控制；一部分為安全控制系統，負責監控區域內設備和人員的安全，如地面作業(yè)人員區域、卡車(chē)出入區域等。

3.3　十二項創(chuàng )新性關(guān)鍵技術(shù)

（１）實(shí)時(shí)掃描與3D識別技術(shù)

行車(chē)在庫區運行時(shí)對掃過(guò)區域進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，2D掃描在運行過(guò)程中完成，在減速并且到達目標位置時(shí)建立3D模型。

（2）動(dòng)態(tài)三軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)

行車(chē)XYZ軸聯(lián)動(dòng)控制功能：同時(shí)控制縱向/橫向/高度方向聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化行車(chē)作業(yè)時(shí)間，提升物流效率。

（3）閉環(huán)防搖控制技術(shù)

高精度的閉環(huán)防搖控制技術(shù)，有效減少物料搖擺，實(shí)現行車(chē)和物料的精準定位，提高行車(chē)作業(yè)效率。

（4）行車(chē)路徑優(yōu)化技術(shù)

根據下道工序以及碼垛原則，系統自動(dòng)合理分配庫位，依據目標庫位分配的結果，路徑控制算法尋找到達目標位置的最短路徑。

（5）運行中禁吊區避讓技術(shù)

行車(chē)在運行過(guò)程中，行車(chē)與目標點(diǎn)中間突然增加封鎖區域，行車(chē)可及時(shí)回避封鎖區域，在運行狀態(tài)下重新選擇新的路徑，而不需要停車(chē)后重新計算新的路徑。

（6）多行車(chē)協(xié)作防撞技術(shù)

多行車(chē)間距實(shí)時(shí)測量，安全區間自動(dòng)校核，行車(chē)位置實(shí)時(shí)跟蹤，保證高效運行，采用微波防撞傳感器長(cháng)期運行無(wú)信號衰減，高溫環(huán)境運行可靠性高。

（7）板坯防回轉堆放技術(shù)

對于板坯在庫區內堆放，行車(chē)在起制動(dòng)過(guò)程中經(jīng)常存在板坯回轉的情況，導致板坯在垛位上堆放不整齊，施耐德基于三角測量方式通過(guò)PLC算法，很好的解決了板坯回轉堆放的問(wèn)題。

（8）動(dòng)態(tài)庫區資源分配技術(shù)

結合庫區作業(yè)的動(dòng)態(tài)特性及裝卸過(guò)程，建立庫區資源優(yōu)化分配的數學(xué)模型，減少庫區內的倒庫作業(yè)，降低堆場(chǎng)的裝卸作業(yè)時(shí)間。

（9）AI智能調度技術(shù)

通過(guò)配置的庫區、跨、存儲位等信息，根據人工智能算法按照生產(chǎn)計劃實(shí)現行車(chē)的調度優(yōu)化。

（10）WMS仿真分析技術(shù)

基于庫區實(shí)況的虛擬仿真分析，大大縮短系統上線(xiàn)時(shí)間，虛擬工廠(chǎng)建?！蝿?wù)場(chǎng)景創(chuàng )建→功能仿真分析→可視化的過(guò)程→可定量的結果，全功能仿真：行車(chē)自動(dòng)化系統和地面設備之間協(xié)作與聯(lián)鎖；全流程仿真：出庫/入庫、上料/下料、倒庫、過(guò)跨等流程；驗證庫區設計和計劃分配的合理性，縮短系統的上線(xiàn)時(shí)間；驗證過(guò)程控制與指令的一致性，為決策人員提供合理的改進(jìn)建議；分析改善系統瓶頸，開(kāi)始生產(chǎn)之前即可確保獲得最高的作業(yè)效率。

（11）TMS車(chē)輛管理技術(shù)

TMS車(chē)輛管理系統與WMS深度融合，實(shí)現倉配一體化，降低車(chē)輛等待時(shí)間，提高物流效率，車(chē)輛、庫存全局可視化，裝載優(yōu)化，線(xiàn)路規劃；實(shí)現物流作業(yè)監管，訂單進(jìn)度跟蹤，及時(shí)了解異常情況

（12）EHE預測性維護技術(shù)

監測、分析和預測于一體，全方位掌控庫區設備的運行狀態(tài)，AI數據分析，合理地通過(guò)頁(yè)面和報表進(jìn)行展示，為維護人員制定維護計劃提供決策依據

3.4　數據通信

在上級L3/MES，L2和IACS庫區綜合管理系統數據交換是必要的，上級系統提前發(fā)送生產(chǎn)計劃和相關(guān)的信息到WMS（L2），L1地面設備（如垛板臺和卸板臺、輥道、過(guò)跨車(chē)）的連鎖信號被接入到地面系統的安全PLC，并發(fā)送給WMS。WMS會(huì )根據規則和優(yōu)化的算法來(lái)安排行車(chē)執行任務(wù)，系統間的通訊架構如圖5所示。

圖5 系統間通訊架構圖

為更好地了解行車(chē)和地面設備的作業(yè)狀況，對無(wú)人行車(chē)的車(chē)上及車(chē)下布局CCTV，用于輔助操作員遠程操作行車(chē)，行車(chē)上CCTV安裝視角朝向夾鉗方向和行車(chē)的兩側（確保監控無(wú)死角），地面布局覆蓋整個(gè)庫區，通訊架構示意圖如圖6所示。

圖6 通訊架構示意圖

3.5　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

施耐德電氣整體方案充分利用了邊緣控制的優(yōu)勢，把和行車(chē)自動(dòng)化相關(guān)的算法（路徑優(yōu)化、防搖、3D識別等）集成在行車(chē)的PLC內，只反饋必要信息至地面，而過(guò)程算法中利用的數據無(wú)需通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行轉發(fā)，大大降低了對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的負擔和依賴(lài)，解決了IACS無(wú)人行車(chē)系統可能存在的網(wǎng)絡(luò )穩定性問(wèn)題造成的系統不穩定。

為CCTV視頻監控系統和自動(dòng)控制系統提供2路獨立網(wǎng)絡(luò )，采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式（行車(chē)整個(gè)運行過(guò)程不存在漫游切換也不存在短暫中斷的問(wèn)題），保障系統的穩定性。

4　代表性及推廣價(jià)值

寶鋼熱軋1580車(chē)間無(wú)人行車(chē)改造是目前業(yè)界公認的難度較大的項目，憑借施耐德電氣先進(jìn)的IACS無(wú)人行車(chē)解決方案，寶鋼熱軋1580智能車(chē)間升級改造成為鋼鐵業(yè)首個(gè)正式入圍工信部“中國制造2025”的試點(diǎn)示范項目。目前，行車(chē)全自動(dòng)投入率穩定在98.5%以上，共減少全部20個(gè)行車(chē)操作工和地面庫管理人員，勞動(dòng)效率明顯提升，有效保障了車(chē)間操作人員和非操作人員的人身安全。在功能考核期間，該項目也經(jīng)受了滿(mǎn)負荷生產(chǎn)的考驗，能夠滿(mǎn)足10,500噸日產(chǎn)的需要。板坯庫導入率相由原來(lái)的30%提升至現在的70%～80%左右，有效提升進(jìn)出庫物流管理系統，徹底杜絕物品丟失。

近年來(lái)，我國智能制造得到迅猛的發(fā)展，無(wú)人行車(chē)作為庫區智能化控制的核心工程，是智能化必須解決的問(wèn)題。施耐德電氣憑借領(lǐng)先的技術(shù)和解決方案先后幫助寶鋼多個(gè)鋼鐵生產(chǎn)基地實(shí)現行車(chē)的無(wú)人化運行，其價(jià)值和適應性已得到了廣泛的驗證。隨著(zhù)今后幾年無(wú)人行車(chē)的發(fā)展、庫區智能化的不斷推進(jìn)，鋼企關(guān)注的重點(diǎn)不再僅僅是實(shí)現單個(gè)橋式起重機的無(wú)人化控制和單個(gè)庫區內不同設備間的協(xié)同控制，而是整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)基地的所有板坯庫、鋼卷庫區與大物流系統的全鏈條協(xié)同，從而實(shí)現真正意義上的智能化工廠(chǎng)。隨著(zhù)對現有組織方式和作業(yè)流程的梳理和優(yōu)化，以及生產(chǎn)管理的磨合，實(shí)踐經(jīng)驗的總結提煉，施耐德電氣將對鋼企的智能工廠(chǎng)建設提供可借鑒的設計優(yōu)化的依據。作為自動(dòng)化領(lǐng)域數字化轉型的引領(lǐng)者，施耐德電氣也將繼續以豐富的數字化轉型實(shí)踐和深厚的行業(yè)積淀攜手鋼鐵企業(yè)，以新技術(shù)賦能具體工業(yè)場(chǎng)景，促進(jìn)中國鋼鐵工業(yè)的高效與可持續發(fā)展。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年4月刊