原料场堆取料机无人化技术研究
王昂 吴鹏 张力
[摘 要]为了推进现代化原料场的建设，梅钢对原料区域内的堆取料机进行了无人化作业技术改造，主要包括料堆三维成像、料机定位、堆取料作业模型，过程控制等内容，融合了扫描成像技术、精确定位技术、模型控制技术等内容。通过中控远程控制可实现堆取料机的自动堆取料作业，不仅提高了作业效率，同时降低了人力成本，改善了现场作业环境。
[关键词]无人化控制;三维成像;堆取料作业模型
[中图分类号]TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
Research on Unmanned Technology of Stacker and Reclaimer in Raw Material Yard
Wang Aao，Wu Peng，Zhang Li
[Abstract]In order to promote the construction of a modern raw material yard， Meishan Iron and Steel has carried out unmanned operation technology transformation of the stacker and reclaimer in the raw material area， which mainly includes three-dimensional imaging of the stack， the positioning of the stacker， the stacking and reclaiming operation model， and the process control. It includes scanning imaging technology， precise positioning technology， model control technology， etc. Through the central control remote control， the automatic stacking and reclaiming operation of the stacker and reclaimer can be realized， which not only improves the operating efficiency， but also reduces the labor cost and improves the on-site operating environment.
[Keywords]unmanned control; three-dimensional imaging; stacking and reclaiming operation model
梅鋼码头区域有2个原料一次料场，有料机7台，其中堆料机1台，取料机2台，堆取料机4台。随着公司进行智慧制造技术升级的推进，为了解决堆取料机人工操作强度大、工作能要求高的问题，满足智慧制造技术先进、生产高效、绿色低碳智慧化料场的理念，梅钢公司对一次料场区域的7台堆取料机进行了无人化控制改造。运用三维成像技术、料机定位技术以及先进的设备设施，同时增设中控远程控制站，实现了堆取料机不需要现场操作司机。中控操作人员可以通过中控远程控制站或通过模型下发堆取料作业指令，堆取料机进行操控自动堆取料作业。
1 网络架构及主要技术
堆取料机的无人化控制系统网络见图1。本系统包括堆取料机的自动化控制系统、堆取料机的作业控制系统，图像处理系统。通过三维扫描成像和料机的格雷母线定位信息，获得料堆形状信息和堆取料机的位置信息数据，经堆取料机的作业控制系统（无人化PLC）分析处理，通过中控人员下发堆取料作业的要求，将堆取料机的走行、回转、俯仰等指令发送到料机自动化控制系统，实现料机的无人化作业。
2 料堆扫描成像技术
料场料堆的三维扫描成像技术利用安装在料机员操作室下的2台激光雷达扫描仪完成，在堆取料机作业前，启动料场扫描作业，堆取料机从料场一端自动运行到另一端，通过激光雷达扫描仪完成料场的扫描作业。激光雷达扫描仪将采集的点云数据通过中控图像处理服务器进行分析、处理、存储，通过计算公式将这些数据进行转换，建立料堆的三维图像模型，通过HMI画面显示（图2）。通过三维扫描获得的料堆的高度、边界等数据信息将为堆取料机进行自动堆料或自动取料作业提供料堆的信息数据。
3 料机定位技术
料机的定位主要包括走行定位、回转定位、斗轮点定位三部分，其中走行定位依靠安装在场地皮带上的编码电缆和堆取料机大车上的天线箱确定料机在料场中的位置信息，回转定位依靠安装在堆取料机回转轴承固定座上的编码电缆和回转平台上的天线箱确定位置信息，均采用格雷母线定位装置，通过堆取料机PLC系统采集处理，与无人化PLC系统通信，实时确定料机的走行位置和斗轮的回转位置，斗轮点的定位依据料堆三维扫描数据确定，由斗轮处安装的雷达料位计辅助判断。通过对料机走行、回转和斗轮位置的实时定位，为料机的自动堆料和取料提供实时位置信息。
3.1 堆取料作业控制模型
3.1.1 堆料作业控制模型
堆料作业控制系统在料场三维成像显示下，根据画面下发堆料作业料种与料条位置信息，堆取料机的无人化控制系统自动判定堆料起始终止地址，通过选择堆料模型计算出当前堆料工艺是纵向堆料还是回转堆料。①纵向堆料。在首堆堆积至设定目标堆高后，悬臂头轮处料位计触发到位信号，堆料机向堆料终止地址方向走行固定距离，待下一堆再次触发料位计到位信号，周而复始进行走行动作完成纵向堆料作业，直至到达堆料设定终止地址，完成堆料作业。②回转堆料。在首堆堆积至设定目标堆高，料位计到位信号触发，堆料机同时控制走行与回转机构动作，使首堆落料点位置平移固定距离到达第二堆落料点位置（横移距离可在任务计划中设定），第一横排堆积完成，堆料机向堆料终止地址方向走行固定距离，继续第二横排堆积作业，直至到达堆料设定终止地址。
3.1.2 取料作业控制模型
取料作业控制系统根据料场三维成像数据计算出堆取料机的走行定位点和堆取料机的回转角度，控制堆取料机大车走行和悬臂的回转。①取料点定位。通过雷达料位计判断斗轮与料堆的位置关系，定位斗轮到取料作业目标层区。②斗轮寸动调节。结合悬臂皮带秤的流量实时控制堆取料机的回转速度和进斗深度来完成取料作业自动调节，皮带流量在设定目标流量范围内，不做寸动调节变化，若皮带流量超过设定的上限流量，则寸动距离自动缩小0.1m，若皮带流量低于设定的下限流量，则寸动距离自动增进0.1m，否则寸动距离维持当前值不变。在完成本层取料后，根据料堆成像结果计算下一层对位数据结果，调整走行和回旋到目标位置，俯仰降至下一层取料高度，继续进刀进行取料作业。
3.2 料机防撞技术
3.2.1 料机悬臂与料堆防撞技术
堆取料机悬臂的运行位置由三维成像计算获得，通过料机的自动化控制系统控制运行。在堆取料机作业过程中，通过安装在斗轮处的雷达料位计检测斗轮与料堆的相对距离来避免料机悬臂与料堆相撞;同时在悬臂外围设置钢丝绳限位开关，当保护钢丝绳触碰到料堆，限位开关发出限位触发信号，料机将停止回转或走行动作，需人工干预消除钢丝绳限位信号或俯仰抬升到雷达料位计设定的范围内，重新下达堆取料作业指令继续自动进行堆取料作业。
3.2.2 料机与料机防撞技术
料机作业控制系统实时获取堆取料机走行、回转的格雷母线和悬臂俯仰角度等定位设备采集的堆取料机走行、回转、俯仰实时位置数据，汇总在中控PLC中集中处理判定，根据堆取料机机械图纸数据，通过计算出料场堆取料机斗轮以及临侧堆取料机悬臂长和尾车配重的相对位置关系，制定防碰撞规则。当堆取料机之间达到报警距离时，画面提示堆取料机的防撞提醒，料机将减速运行。当达到设定的最小距离时，则堆取料机立即停止堆取料机动作，需进行人工干预。
4 堆取料机无人化改造效果分析
堆取料机的无人化技术改造充分运用三维扫描技术、格雷母线定位、堆取料作业控制模型等技术升级改造方案，从智慧化、无人化、高效和安全等方面入手。通过系统的技术改造，有效地提升了堆取料机的自动化控制水平，有效解决了堆取料机人工操作强度大、劳动效率不高等问题。实现了原料场技术先进、生产高效、绿色低碳、智慧制造的理念，实现了原料区域堆取料机的无人化运行。
（1）实现了料场的三维成像模型。三维扫描成像技術的应用，通过图像服务器准确地计算出料堆的高度、边界等数据，通过中控的无人化PLC系统和料机PLC系统之间的通信，有效控制堆取料机的走行位置、回转角度、斗轮定位点等，迅速完成堆取料机的自动对位。
（2）实现了堆取料作业的无人化运行。通过堆取料机的走行、回转以及斗轮的准确定位，利用堆取料作业模型，通过无人化操作画面下达作业指令的方式，实现了料机的自动堆取料作业，减少料机操作人员28人。
（3）实现了料机的集中统一管理。通过堆料机的无人化和堆取料作业模型，有效提高了堆取料机的作业效率，同时也实现了一人监控多台堆取料机作业的功能。
（4）实现了堆取料机的状态在线监测。通过对堆取料机走行、回转、俯仰、悬臂皮带的运行数据的监测采集，通过HMI画面和现场视频监控系统，不仅实时掌握堆取料机的运行状态，同时通过制定防撞规则，保证了堆取料机的运行安全。
5 结束语
堆取料机是原料场内的主要设备，其操作动作复杂、控制要求高，工作时间长，对操作人员的操作技能也有较高要求。2020年5月，对原料场区域的7台堆取料机进行了无人化技术改造，通过应用本文中所述的技术改造方案，解决了堆取料机自动化作业的难点，成功实现了堆取料机的无人化自动化运行作业，不仅提高了堆取料作业的效率，同时还降低了人力资源成本，有效地改善了现场作业环境。
参考文献
[1] 顾奕华，张子才.散料场堆取料机防碰撞控制[J].冶金自动化，2010，34（1）：6-9.
[2] 吴毅平，商晓东，陶钧.无人化料场和库场设计与实现[J].自动化仪表，2014，35（12）：83-87.