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1　概述

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。當(dāng)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)能過剩、降本增效、節(jié)能減排、創(chuàng)新發(fā)展能力不足等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。鋼鐵產(chǎn)業(yè)處于結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段。在傳統(tǒng)的行車吊運工作中，一臺行車如果要完成一次鋼卷吊運，需要一位機(jī)組操作室通過對講機(jī)和吊運計劃單傳遞吊運信息，需要一名行車工操控行車，一名庫位工找準(zhǔn)庫位。流程不僅繁復(fù)而且存在人員需求量大、信息丟失、危險系數(shù)高等一系列難題。

2　主要目標(biāo)

全自動行車和庫區(qū)智能管理系統(tǒng)的投入將實現(xiàn)行車的無人運行，在車間經(jīng)過智能改造后，只需要編制好生產(chǎn)計劃、轉(zhuǎn)庫駁運計劃，系統(tǒng)就能自動分配任務(wù)并設(shè)定行車行駛路線完成吊運作業(yè)，24 小時不間斷運行，并帶來以下效果：

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

（2）提高運營效率：利用全局優(yōu)化算法和動態(tài)堆場資源分配技術(shù)，實現(xiàn)行車智能調(diào)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：行車實現(xiàn)無人化的智能調(diào)度，降低人與設(shè)備之間的交互，消除安全隱患，帶來極大的安全效益。

（4）提高勞動生產(chǎn)率：取消行車操作工，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(zhǔn)定位、3D 識別、閉環(huán)防搖等先進(jìn)技術(shù)減少人為吊運過程中造成的物料損壞，并可延長設(shè)備的使用壽命。

（6）智能化運維：通過提高庫區(qū)自動化和信息化管理水平，實現(xiàn)實時狀態(tài)監(jiān)視，數(shù)據(jù)分析、預(yù)測性維護(hù)等功能，幫助客戶降低運營維護(hù)成本。

3　解決方案介紹

IACS無人行車系統(tǒng)（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：一個基礎(chǔ)平臺，四大核心系統(tǒng)，十二項創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)。

3.1　一個基礎(chǔ)平臺

基于施耐德電氣EcoStruxure?物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與平臺，通過互聯(lián)互通的產(chǎn)品、敏捷穩(wěn)定的邊緣控制系統(tǒng)，以及豐富強(qiáng)大的應(yīng)用、分析與服務(wù)，實現(xiàn)信息技術(shù)（IT）與運營技術(shù)（OT）系統(tǒng)的融合，提高庫區(qū)自動化、信息化、智能化管理水平，自動完成入庫、出庫和倒庫等工作，保持信息流和實物流的高度一致，提高庫區(qū)運營效率，如圖1所示。

圖1 施耐德電氣EcoStruxure?物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3.2　IACS無人行車系統(tǒng)架構(gòu)（四大核心系統(tǒng)）

圖2為IACS無人行車系統(tǒng)架構(gòu)，主要包含四大核心系統(tǒng)：

圖2 施耐德電氣IACS無人行車系統(tǒng)架構(gòu)

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

? 貫通上下游信息，打破信息孤島，保持信息流與實物流的高度一致；

? 向上接受L3系統(tǒng)生產(chǎn)計劃，同時將庫存變動信息實時反饋給MES系統(tǒng)；

? 向下協(xié)調(diào)行車自動化系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)的高效協(xié)作，提高運營效率。

WMS作為ICAS無人行車架構(gòu)中重要的組成部分，負(fù)責(zé)庫區(qū)內(nèi)產(chǎn)品的存儲管理，實現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯；管理生產(chǎn)計劃，采用數(shù)字化的管理、自動生成報表替代現(xiàn)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(guī)則，合理分配庫區(qū)存儲分布，確保庫區(qū)內(nèi)的行車和地面設(shè)備安全和高效的協(xié)作，提高運營效率。

（ 2 ） 行車自動化控制系統(tǒng)（Smart Crane Automation System，SCAS，如圖3所示）

圖3 行車自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)

行車自動化控制系統(tǒng)作為IACS無人行車系統(tǒng)中重要的一部分，承擔(dān)著物料吊運的重要工作，對保障系統(tǒng)整體效率起至關(guān)重要的作用，同時兼顧設(shè)備運行的安全性。系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了機(jī)械因素、靈活性和手自動切換因素，采用先進(jìn)的算法（平滑的制動器釋放、控制曲線、轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)矩平衡等），使行車能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：

? 高性能的防搖和定位，所有運動可以同時進(jìn)行而不降低系統(tǒng)的性能，閉環(huán)防搖和定位可以確保系統(tǒng)在達(dá)到目標(biāo)位置時無晃動；

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

? 動態(tài)環(huán)境識別（產(chǎn)品定位、卡車等），確保位置的安全型，避免損壞；

? 路徑控制算法負(fù)責(zé)尋找到達(dá)目標(biāo)位置的最短路徑，同時考慮安全因素；

? 精確的大小車定位，方案的選擇基于現(xiàn)場環(huán)境；

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

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

（3）行車監(jiān)控系統(tǒng)——EcoStruxure?起重專家

行車監(jiān)控系統(tǒng)EcoStruxure?起重專家，可實時反饋行車的作業(yè)狀態(tài)，并記錄歷史運行曲線，具有動態(tài)視頻回放功能，幫助客戶掌握行車在發(fā)生故障時的運行信息，相比于簡單的靜態(tài)數(shù)據(jù)，動態(tài)視頻回放的方式更加直觀，更容易幫助維護(hù)人員分析故障，減少停機(jī)時間，如圖4所示。此外，EcoStruxure?起重專家憑借數(shù)據(jù)分析和預(yù)測性維護(hù)功能，助力客戶實現(xiàn)庫區(qū)的智能運維，大大降低企業(yè)的運營維護(hù)成本。

圖4 行車監(jiān)控系統(tǒng)

（4）地面控制系統(tǒng)（Ground Control System）

地面控制系統(tǒng)主要包含兩部分，一部分為地面設(shè)備控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)地面設(shè)備的自動化過程控制以及與原機(jī)組自動化系統(tǒng)連鎖控制；一部分為安全控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)設(shè)備和人員的安全，如地面作業(yè)人員區(qū)域、卡車出入?yún)^(qū)域等。

3.3　十二項創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)

（１）實時掃描與3D識別技術(shù)

行車在庫區(qū)運行時對掃過區(qū)域進(jìn)行實時掃描，2D掃描在運行過程中完成，在減速并且到達(dá)目標(biāo)位置時建立3D模型。

（2）動態(tài)三軸聯(lián)動技術(shù)

行車XYZ軸聯(lián)動控制功能：同時控制縱向/橫向/高度方向聯(lián)動，優(yōu)化行車作業(yè)時間，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，實現(xiàn)行車和物料的精準(zhǔn)定位，提高行車作業(yè)效率。

（4）行車路徑優(yōu)化技術(shù)

根據(jù)下道工序以及碼垛原則，系統(tǒng)自動合理分配庫位，依據(jù)目標(biāo)庫位分配的結(jié)果，路徑控制算法尋找到達(dá)目標(biāo)位置的最短路徑。

（5）運行中禁吊區(qū)避讓技術(shù)

行車在運行過程中，行車與目標(biāo)點中間突然增加封鎖區(qū)域，行車可及時回避封鎖區(qū)域，在運行狀態(tài)下重新選擇新的路徑，而不需要停車后重新計算新的路徑。

（6）多行車協(xié)作防撞技術(shù)

多行車間距實時測量，安全區(qū)間自動校核，行車位置實時跟蹤，保證高效運行，采用微波防撞傳感器長期運行無信號衰減，高溫環(huán)境運行可靠性高。

（7）板坯防回轉(zhuǎn)堆放技術(shù)

對于板坯在庫區(qū)內(nèi)堆放，行車在起制動過程中經(jīng)常存在板坯回轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)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PLC算法，很好的解決了板坯回轉(zhuǎn)堆放的問題。

（8）動態(tài)庫區(qū)資源分配技術(shù)

結(jié)合庫區(qū)作業(yè)的動態(tài)特性及裝卸過程，建立庫區(qū)資源優(yōu)化分配的數(shù)學(xué)模型，減少庫區(qū)內(nèi)的倒庫作業(yè)，降低堆場的裝卸作業(yè)時間。

（9）AI智能調(diào)度技術(shù)

通過配置的庫區(qū)、跨、存儲位等信息，根據(jù)人工智能算法按照生產(chǎn)計劃實現(xiàn)行車的調(diào)度優(yōu)化。

（10）WMS仿真分析技術(shù)

基于庫區(qū)實況的虛擬仿真分析，大大縮短系統(tǒng)上線時間，虛擬工廠建模→任務(wù)場景創(chuàng)建→功能仿真分析→可視化的過程→可定量的結(jié)果，全功能仿真：行車自動化系統(tǒng)和地面設(shè)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、過跨等流程；驗證庫區(qū)設(shè)計和計劃分配的合理性，縮短系統(tǒng)的上線時間；驗證過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(tǒng)瓶頸，開始生產(chǎn)之前即可確保獲得最高的作業(yè)效率。

（11）TMS車輛管理技術(shù)

TMS車輛管理系統(tǒng)與WMS深度融合，實現(xiàn)倉配一體化，降低車輛等待時間，提高物流效率，車輛、庫存全局可視化，裝載優(yōu)化，線路規(guī)劃；實現(xiàn)物流作業(yè)監(jiān)管，訂單進(jìn)度跟蹤，及時了解異常情況

（12）EHE預(yù)測性維護(hù)技術(shù)

監(jiān)測、分析和預(yù)測于一體，全方位掌控庫區(qū)設(shè)備的運行狀態(tài)，AI數(shù)據(jù)分析，合理地通過頁面和報表進(jìn)行展示，為維護(hù)人員制定維護(hù)計劃提供決策依據(jù)

3.4　數(shù)據(jù)通信

在上級L3/MES，L2和IACS庫區(qū)綜合管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換是必要的，上級系統(tǒng)提前發(fā)送生產(chǎn)計劃和相關(guān)的信息到WMS（L2），L1地面設(shè)備（如垛板臺和卸板臺、輥道、過跨車）的連鎖信號被接入到地面系統(tǒng)的安全PLC，并發(fā)送給WMS。WMS會根據(jù)規(guī)則和優(yōu)化的算法來安排行車執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)間的通訊架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)間通訊架構(gòu)圖

為更好地了解行車和地面設(shè)備的作業(yè)狀況，對無人行車的車上及車下布局CCTV，用于輔助操作員遠(yuǎn)程操作行車，行車上CCTV安裝視角朝向夾鉗方向和行車的兩側(cè)（確保監(jiān)控?zé)o死角），地面布局覆蓋整個庫區(qū)，通訊架構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 通訊架構(gòu)示意圖

3.5　無線網(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，把和行車自動化相關(guān)的算法（路徑優(yōu)化、防搖、3D識別等）集成在行車的PLC內(nèi)，只反饋必要信息至地面，而過程算法中利用的數(shù)據(jù)無需通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，大大降低了對無線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)和依賴，解決了IACS無人行車系統(tǒng)可能存在的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性問題造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為CCTV視頻監(jiān)控系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)提供2路獨立網(wǎng)絡(luò)，采用點對點的方式（行車整個運行過程不存在漫游切換也不存在短暫中斷的問題），保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4　代表性及推廣價值

寶鋼熱軋1580車間無人行車改造是目前業(yè)界公認(rèn)的難度較大的項目，憑借施耐德電氣先進(jìn)的IACS無人行車解決方案，寶鋼熱軋1580智能車間升級改造成為鋼鐵業(yè)首個正式入圍工信部“中國制造2025”的試點示范項目。目前，行車全自動投入率穩(wěn)定在98.5%以上，共減少全部20個行車操作工和地面庫管理人員，勞動效率明顯提升，有效保障了車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)受了滿負(fù)荷生產(chǎn)的考驗，能夠滿足10,500噸日產(chǎn)的需要。板坯庫導(dǎo)入率相由原來的30%提升至現(xiàn)在的70%～80%左右，有效提升進(jìn)出庫物流管理系統(tǒng)，徹底杜絕物品丟失。

近年來，我國智能制造得到迅猛的發(fā)展，無人行車作為庫區(qū)智能化控制的核心工程，是智能化必須解決的問題。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鋼鐵生產(chǎn)基地實現(xiàn)行車的無人化運行，其價值和適應(yīng)性已得到了廣泛的驗證。隨著今后幾年無人行車的發(fā)展、庫區(qū)智能化的不斷推進(jìn)，鋼企關(guān)注的重點不再僅僅是實現(xiàn)單個橋式起重機(jī)的無人化控制和單個庫區(qū)內(nèi)不同設(shè)備間的協(xié)同控制，而是整個鋼鐵生產(chǎn)基地的所有板坯庫、鋼卷庫區(qū)與大物流系統(tǒng)的全鏈條協(xié)同，從而實現(xiàn)真正意義上的智能化工廠。隨著對現(xiàn)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，實踐經(jīng)驗的總結(jié)提煉，施耐德電氣將對鋼企的智能工廠建設(shè)提供可借鑒的設(shè)計優(yōu)化的依據(jù)。作為自動化領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的引領(lǐng)者，施耐德電氣也將繼續(xù)以豐富的數(shù)字化轉(zhuǎn)型實踐和深厚的行業(yè)積淀攜手鋼鐵企業(yè)，以新技術(shù)賦能具體工業(yè)場景，促進(jìn)中國鋼鐵工業(yè)的高效與可持續(xù)發(fā)展。

摘自《自動化博覽》2021年4月刊