河鋼集團唐鋼公司 李曉剛

作者簡(jiǎn)介

李曉剛（1975-），男，河北唐山人 ，高級工程師，工程碩士，現就職于河鋼集團唐鋼公司信息自動(dòng)化部，研究方向為面向智能制造工廠(chǎng)信息化與自動(dòng)的融合。

摘要：唐鋼高強汽車(chē)板原料庫天車(chē)無(wú)人化系統是國內第一套自主集成具有完全自主知識產(chǎn)權的系統。系統主要功能包括：作業(yè)計劃、作業(yè)監控、作業(yè)確認、信息更新、數據通信等。實(shí)現了庫區天車(chē)無(wú)人駕駛作業(yè)，作業(yè)計劃和作業(yè)執行過(guò)程完全自動(dòng)化，同時(shí)也實(shí)現了鋼卷信息及鋼卷狀態(tài)在庫區、生產(chǎn)線(xiàn)、MES之間共享，有效地降低了庫區工作人員的作業(yè)強度和作業(yè)錯誤率。

關(guān)鍵詞：無(wú)人天車(chē)；過(guò)程控制；作業(yè)計劃；作業(yè)監控

Abstract: Based on the unmanned crane of HBIS Tang steel high strength automobile plate Co., Ltd material yard, unmanned crane system has been designed and developed, which is constructed independently by domestic companies. The main functions of the system include work plan, work monitor, work confirm, info update, data communication, etc. The system let crane unmanned automatic drive come true, the work plan and coil auto load by unmanned crane process control also automatic. At the same time of coil auto load by unmanned crane, the information of coil and the status of coil has been shared with yard, production line and MES. The system also reduces effectively the power of work of yard worker and work error rate.

Key words: Unmanned crane; Process control; Work plan; Working monitor

1　前言

當前物聯(lián)網(wǎng)與現代信息技術(shù)正在深刻改變著(zhù)社會(huì )、企業(yè)的運作模式，為鋼鐵行業(yè)的競爭力重構創(chuàng )造了新的機會(huì )。唐鋼高強汽車(chē)板項目是唐鋼在這一時(shí)代背景下調整產(chǎn)品結構，實(shí)施產(chǎn)業(yè)升級的載體工程，代表了當今世界冷軋工藝設備技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和高端冷軋產(chǎn)品的最高水平。項目實(shí)施以來(lái)始終以智能化工廠(chǎng)為目標，在國內率先實(shí)現了原料庫區天車(chē)作業(yè)無(wú)人化，天車(chē)無(wú)人化系統集信息化、自動(dòng)化和過(guò)程控制于一體，采用車(chē)輛識別技術(shù)、天車(chē)作業(yè)計劃自動(dòng)排程技術(shù)、自動(dòng)上料過(guò)程控制技術(shù)、自動(dòng)過(guò)跨過(guò)程控制技術(shù)、天車(chē)作業(yè)無(wú)人駕駛技術(shù)、鋼卷庫區移動(dòng)軌跡跟蹤技術(shù)，有效地將庫區孤立的汽車(chē)、天車(chē)、過(guò)跨車(chē)、障礙物、鋼卷、步進(jìn)梁等緊密地聯(lián)系在一起。實(shí)現了庫區生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程自動(dòng)化、天車(chē)作業(yè)無(wú)人化、庫區鋼卷物料跟蹤全壽命周期化。唐鋼高強汽車(chē)板原料庫天車(chē)無(wú)人化系統有效地連接了原料物流、原料庫區和生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現庫區鋼卷入庫、出庫全流程全過(guò)程自動(dòng)化及APS排產(chǎn)、MES生產(chǎn)執行控制、酸軋線(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)全流程全過(guò)程完全自動(dòng)，為智能工廠(chǎng)其他信息系統提供基礎信息支撐。

2　庫區概況及業(yè)務(wù)流程

唐鋼高強汽車(chē)板有限公司原料庫總共兩跨10個(gè)區、5部天車(chē)、兩段上料步進(jìn)梁（每跨一段）、1部過(guò)跨車(chē)、6個(gè)停車(chē)位（其中2#、4#停車(chē)位帶車(chē)輛識別為全自動(dòng)停車(chē)位）。庫區南北走向分東西跨，東跨內有1-5區、1-3#停車(chē)位、1#步進(jìn)梁及1-3#天車(chē)，西跨內有6-10區、4-6#停車(chē)位、2#步進(jìn)梁及4-5#天車(chē)，兩跨之間通過(guò)過(guò)跨車(chē)相連。3#車(chē)主要負責設備檢修，兼顧PLTCM東跨生產(chǎn)上料及備料；2#車(chē)主要負責PLTCM東跨生產(chǎn)上料，兼顧備料及3#停車(chē)位卸車(chē)；1#車(chē)主要負責1、2#停車(chē)位卸車(chē)，兼顧備料；5#車(chē)主要負責PLTCM西跨生產(chǎn)上料，兼顧備料、4、5#停車(chē)位卸車(chē)；4#車(chē)主要負責4、6#停車(chē)位卸車(chē)，兼顧備料，同時(shí)所有的天車(chē)具備倒庫（包括庫內到過(guò)跨車(chē)及過(guò)跨車(chē)到庫內）功能。整個(gè)庫區布置圖如圖1所示。

圖1 庫區布置圖

鋼卷在原料庫區一般大致經(jīng)歷采購實(shí)物入庫、計劃排產(chǎn)備料、生產(chǎn)上料出庫等過(guò)程。唐鋼高強汽車(chē)板有限公司原料庫庫區主要業(yè)務(wù)是鋼卷采購入庫、生產(chǎn)備料、生產(chǎn)上料及少量生產(chǎn)退線(xiàn)與采購退庫。鋼卷采購入庫及采購退庫主要采用汽車(chē)運輸，車(chē)輛信息由公司物流管控系統負責，生產(chǎn)備料、生產(chǎn)上料及生產(chǎn)退線(xiàn)由公司MES系統驅動(dòng)。

2.1　采購入庫流程

（1）車(chē)輛刷卡進(jìn)場(chǎng)

物流管控系統（LOG）發(fā)送車(chē)輛信息給天車(chē)無(wú)人化系統，車(chē)輛信息包括車(chē)牌號、車(chē)輛運輸派車(chē)單、車(chē)上放卷位置數量及每個(gè)位置鋼卷信息。

（2）車(chē)輛信息檢驗

檢驗內容如下：

車(chē)物信息是否一致；

外觀(guān)質(zhì)量是否合格，是否入庫；

確定鋼卷方向；

指定停車(chē)位置。

檢驗完成后，天車(chē)無(wú)人化系統將檢驗結果反饋給物流管控系統與MES。

（3）車(chē)輛排隊刷卡進(jìn)庫

（4）發(fā)送車(chē)輛信息給車(chē)輛識別系統

（5）車(chē)輛識別系統開(kāi)始測量

（6）車(chē)輛識別開(kāi)始測量完成

（7）生成卸車(chē)作業(yè)計劃

（8）天車(chē)執行卸車(chē)任務(wù)

（9）卸車(chē)完成

（10）車(chē)輛刷卡離庫

2.2　生產(chǎn)備料流程

（1）接收MES生產(chǎn)計劃

（2）按照生產(chǎn)計劃生成備料作業(yè)計劃

按照生產(chǎn)計劃順序將鋼卷交叉移動(dòng)到備料區（涉及到過(guò)跨）。

（3）天車(chē)執行備料任務(wù)

（4）生產(chǎn)計劃備料完成

2.3　生產(chǎn)上料流程

（1）接收生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)計劃開(kāi)始生產(chǎn)指令

（2）按照生產(chǎn)計劃生成上料作業(yè)計劃

（3）天車(chē)執行上料任務(wù)

（4）生產(chǎn)計劃上料完成

2.4　生產(chǎn)退線(xiàn)流程

（1）MES下發(fā)鋼卷退線(xiàn)請求

（2）生成鋼卷退線(xiàn)作業(yè)計劃

（3）鋼卷到達退線(xiàn)吊卷指定位置

（4）天車(chē)執行退線(xiàn)任務(wù)

（5）退線(xiàn)完成

2.5　采購退庫流程

（1）車(chē)輛刷卡進(jìn)場(chǎng)

物流管控系統（LOG）發(fā)送車(chē)輛信息給天車(chē)無(wú)人化系統。車(chē)輛信息包括車(chē)牌號、車(chē)輛運輸派車(chē)單、車(chē)上鋼卷位置分布及每個(gè)位置需要擺放鋼卷的ID。

（2）車(chē)輛排隊刷卡進(jìn)庫

（3）發(fā)送車(chē)輛信息給車(chē)輛識別系統

（4）車(chē)輛識別系統開(kāi)始測量

（5）車(chē)輛識別開(kāi)始測量完成

（6）生成裝車(chē)作業(yè)計劃

（7）天車(chē)執行裝車(chē)任務(wù)

（8）裝車(chē)完成

（9）車(chē)輛刷卡離庫

根據原料庫庫區業(yè)務(wù)流程，天車(chē)作業(yè)類(lèi)型主要分為卸車(chē)作業(yè)、備料作業(yè)、上料作業(yè)、退線(xiàn)作業(yè)、裝車(chē)作業(yè)以及由備料作業(yè)產(chǎn)生的壓卷倒庫作業(yè)和過(guò)跨作業(yè)。

3　系統設計思路

唐鋼高強汽車(chē)板原料庫區天車(chē)作業(yè)要求全過(guò)程自動(dòng)化，無(wú)需人為干預。圍繞庫區關(guān)鍵核心設備天車(chē)在庫區各類(lèi)作業(yè)特點(diǎn)，原料庫天車(chē)無(wú)人化系統借鑒戴明環(huán)循環(huán)控制理念，將整個(gè)控制系統進(jìn)行分級分層，分級具體分為2級過(guò)程控制和1級PLC現場(chǎng)基礎自動(dòng)化控制，分層具體分為天車(chē)作業(yè)計劃層、計劃執行設計實(shí)施層、PLC執行層、實(shí)時(shí)監督層、執行調整層。天車(chē)作業(yè)計劃層根據庫區業(yè)務(wù)需求自動(dòng)生成天車(chē)作業(yè)計劃，計劃執行設計實(shí)施層按照天車(chē)作業(yè)計劃要求設計并計算天車(chē)執行過(guò)程控制方法，天車(chē)PLC按照設計要求予以執行，實(shí)時(shí)監督層實(shí)時(shí)監控天車(chē)作業(yè)過(guò)程是否與作業(yè)計劃要求預期一致，調整控制層根據監督反饋結果對天車(chē)作業(yè)計劃進(jìn)行調整或繼續執行。整個(gè)天車(chē)無(wú)人化系統按照上述循環(huán)控制思路周而復始自動(dòng)執行庫區作業(yè)。

4　系統功能解析

原料庫天車(chē)無(wú)人化系統主要由1套庫區管理子系統（WMS）、2套車(chē)輛識別子系統（SRS）、5套天車(chē)PLC子系統、1套過(guò)跨車(chē)PLC子系統構成，其中庫區管理子系統（WMS）屬于2級過(guò)程控制，車(chē)輛識別子系統、天車(chē)PLC子系統、過(guò)跨車(chē)PLC子系統屬于1級現場(chǎng)基礎自動(dòng)化控制。庫區管理子系統是整個(gè)天車(chē)無(wú)人化系統的核心，它負責與外部系統進(jìn)行信息交換并根據業(yè)務(wù)需求驅動(dòng)其它子系統。

4.1　庫區管理子系統

庫區管理子系統在宏觀(guān)上管理著(zhù)整個(gè)庫區，主要功能如下：

（1）數據通訊

與物流管控系統通訊；

與MES系統通訊；

與PLTCM現場(chǎng)基礎自動(dòng)化系統通訊；

與天車(chē)PLC子系統通訊；

與過(guò)跨車(chē)PLC子系統通訊；

與車(chē)輛識別子系統通訊。

（2）天車(chē)作業(yè)自動(dòng)排程

卸車(chē)作業(yè)自動(dòng)排程；

備料作業(yè)自動(dòng)排程；

上料作業(yè)自動(dòng)排程；

倒庫作業(yè)自動(dòng)排程；

過(guò)跨作業(yè)自動(dòng)排程；

退線(xiàn)作業(yè)自動(dòng)排程；

裝車(chē)作業(yè)自動(dòng)排程。

（3）跟蹤功能

車(chē)輛跟蹤；

天車(chē)作業(yè)跟蹤；

庫圖管理及鋼卷跟蹤；

步進(jìn)梁狀態(tài)跟蹤。

（4）設備自動(dòng)控制

天車(chē)自動(dòng)控制；

過(guò)跨車(chē)自動(dòng)控制。

（5）HMI畫(huà)面

4.2　車(chē)輛識別子系統

車(chē)輛識別子系統的主要功是測量卸車(chē)車(chē)載鋼卷及裝車(chē)放卷位置精確坐標。

4.3　天車(chē)PLC子系統

天車(chē)PLC子系統主要功能是執行庫區管理子系統下發(fā)的各種指令，在執行指令的過(guò)程中對天車(chē)大車(chē)、天車(chē)小車(chē)進(jìn)行位置控制，并按照庫區管理子系統設計的作業(yè)要求對主鉤升降及夾鉗關(guān)閉/打開(kāi)進(jìn)行控制。

4.4　過(guò)跨車(chē)PLC子系統

過(guò)跨車(chē)PLC子系統的主要功能是按照庫區管理子系統要求對過(guò)跨車(chē)進(jìn)行鎖定、解鎖和過(guò)跨移動(dòng)。

5　系統配置與架構

5.1　系統配置

庫區管理子系統服務(wù)端采用HP proLiant DL580 G7服務(wù)器，客戶(hù)端HMI采用HP pavilion 500 PC Series商用機；車(chē)輛識別子系統掃描硬件采用SICK公司LMS511型號2D激光掃描設備，掃描數據處理服務(wù)器采用研華PPC-3120工控機；天車(chē)、過(guò)跨車(chē)PLC子系統均采用德國西門(mén)子S7-300型產(chǎn)品。整個(gè)天車(chē)無(wú)人化系統配置如圖2所示。

圖2 天車(chē)無(wú)人化系統配置圖

5.2　系統架構

基于系統整體設計思路、庫區天車(chē)無(wú)人化系統配置、庫區采購入庫的隨機性與生產(chǎn)出庫的連續性和實(shí)時(shí)性，整個(gè)系統按照功能劃分采取分級分層控制。整個(gè)系統分兩級五層，兩級分別是二級過(guò)程控制和一級PLC執行控制，五層分別是天車(chē)作業(yè)計劃層、計劃執行設計實(shí)施層、PLC執行層、實(shí)時(shí)監督層、執行調整層。為保證天車(chē)無(wú)人作業(yè)安全可靠，級與層之間交錯控制，級與級之間通過(guò)TCP/IP socket進(jìn)行數據交互，層與層之間通過(guò)數據庫數據共享進(jìn)行數據交互，操作顯示畫(huà)面采用WEB方式。整個(gè)系統架構框圖如圖3所示。

圖3 天車(chē)無(wú)人化系統架構框圖

6　系統子系統之間的串聯(lián)

當庫區管理子系統接收到物流管控系統車(chē)輛到達信息后，車(chē)輛跟蹤開(kāi)始對車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行跟蹤控制，車(chē)輛入庫后，車(chē)輛信息將會(huì )告知車(chē)輛識別子系統，車(chē)輛識別子系統測量完成后將測量結果反饋給庫區管理子系統，卸車(chē)（裝車(chē)）自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車(chē)分工生成初始的天車(chē)卸車(chē)（裝車(chē)）作業(yè)計劃。當庫區管理子系統接收到MES系統生產(chǎn)計劃后，備料自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車(chē)分工生成初始的天車(chē)備料作業(yè)計劃。當庫區管理子系統接收到MES系統鋼卷退線(xiàn)請求后，退線(xiàn)自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車(chē)分工生成初始的天車(chē)退線(xiàn)作業(yè)計劃。當庫區管理子系統接收到生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)計劃生產(chǎn)請求后，上料自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車(chē)分工生成初始的天車(chē)上料作業(yè)計劃。當操作人員在畫(huà)面進(jìn)行了倒庫操作，倒庫自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車(chē)分工生成初始的天車(chē)倒庫作業(yè)計劃。在備料或倒庫過(guò)程中如果涉及到要過(guò)跨，過(guò)跨自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車(chē)分工生成初始的天車(chē)過(guò)跨作業(yè)計劃。

當天車(chē)有了作業(yè)計劃后，天車(chē)作業(yè)跟蹤將開(kāi)始計算天車(chē)PLC具體的執行過(guò)程控制方法，卸車(chē)、裝車(chē)、備料、倒庫作業(yè)天車(chē)PLC只需要按照執行順控邏輯順序執行即可，上料、退線(xiàn)作業(yè)天車(chē)主鉤下降放卷或天車(chē)主鉤下降吊卷需要等待步進(jìn)梁狀態(tài)跟蹤信息，符合條件后天車(chē)自動(dòng)控制會(huì )通知PLC繼續執行或調整作業(yè)計劃重新執行，過(guò)跨作業(yè)天車(chē)PLC放卷、吊卷需要等待過(guò)跨車(chē)自動(dòng)控制信息，符合條件后天車(chē)方可放卷或吊卷。天車(chē)在吊卷或放卷過(guò)程中，庫圖管理及鋼卷跟蹤會(huì )對庫圖進(jìn)行實(shí)時(shí)更新并記錄鋼卷移動(dòng)軌跡對鋼卷進(jìn)行跟蹤。

7　結語(yǔ)

原料庫區天車(chē)無(wú)人化是唐鋼高強汽車(chē)板智能化工廠(chǎng)全流程自動(dòng)生產(chǎn)的開(kāi)始環(huán)節，它無(wú)縫對接庫區物流和酸軋入口工藝流程，顛覆了原料庫區與酸軋入口步進(jìn)梁的傳統工作模式，轉變了廠(chǎng)區工作人員傳統的工作思維模式，使原料庫區天車(chē)工脫離了高強度重復性勞動(dòng)，構建了生產(chǎn)與物流間的信息橋梁，做到了生產(chǎn)現場(chǎng)與生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)同步，節省了大量人力和物力。

摘自《2017今日自動(dòng)化技術(shù)應用在中國》