宝钢湛江大型原料场智能化系统应用实践

大型钢铁企业原料场作为生产流程的起始环节，自动化水平总体偏低，不少环节仍然依靠人工操作，强度大且环境恶劣，劳动效率与作业效率都受到较大限制。宝钢湛江钢铁原料引入3D激光云图采集与处理、超声波与RFID定位等技术，通过集成与软件开发，率先在原料场实现了智能化系统，使得生产劳动效率与作业效率大幅提升，人力需求大幅下降，在行业内开创了智能化先河，提供了重要借鉴。

 

1 前言

 

1.1湛江钢铁原料场概况

 

宝钢湛江钢铁厂原料场为近期新建成的大型原料场，占地面积 101.1万平方米，厂内、厂外年受料量共计约 3470 万吨/年，料场有效贮量246.88万吨，40余个工艺流程，13个电气室，24套除尘系统，83个转运站，310条胶带机，总长约61km，16条料场，18台堆取料设备。

 

1.2原料场现状与难题

 

湛江钢铁目前平均年产铁能力突破823万吨，原料为满足日常生产节奏，18台堆取料设备需配备大量司机在机上完成作业，人力资源消耗大、劳动强度高、作业环境恶劣。特别夜间因视线不好，还可能出现各种操作事故，危及设备及人身安全。堆料过程中，堆高检测靠人眼观察与采用人工悬臂放下水银开关探测的方法实现，不但效率低、劳动强度大，水银开关也时常因忘记收起而被埋损坏。堆出的料堆堆型因作业司机的水平差异，很难规整，导致取料作业困难加大，实现恒料流取料困难。

 

原料日常生产管理的核心是对料堆的堆位进行管理，传统做法是定期通过人员前往现场，清点不同料条上的料堆，靠目测估计其起始、结束、高度等数据并记录，返回后手工绘制料场图的方式进行管理。这种方式存在耗时耗力，更新时间长，精度差等缺点，料场难以达到高效利用等问题。原料量的计量仅能通过皮带秤在输入与输出时进行称量，经较长一段时间后，会出现较大库存差，且每个品种原料在不同料堆的分布也难以掌握。

 

当今中国制造正迎来新一轮工业革命，在国家大力倡导“工业4.0”与“中国制造2025”的背景下，针对以上长期困扰原料场的难题，湛江钢铁原料场智能化系统先后研发并实施了料堆堆位管理、无人化堆取料机等两大子系统，并取得了较好的实际效果。

 

2 湛江钢铁原料场智能化系统简介

 

2.1 系统总体架构

 

系统主要由堆取料机车上部分与中控室中控系统两大部分组成。车上部分主要配备了一套3D激光料堆云图采集系统，负责在作业完成后短时间内采集料堆高质量的3D云图，并通过网络发送到中控系统，实现快速获取料场料堆的变化情况。在悬臂的前端配备自动料堆堆高检测系统，实现实时采集料堆堆高，根据堆料控制模型，自动判断换堆、走行等。堆取料机机上配备走行定位系统，配合部署在地面主皮带托架上的RFID标签（需事先精确测定坐标），结合机上的走行编码器，实现轨道方向的走行精确定位，为机上无人化作业打下坚实基础。对机上原有PLC程序进行无人化改造，加入自动驾驶模块，堆料模型、取料模型、姿态识别模型、作业任务接收模块等，实现机上控制系统具备无人化作业能力。机上还需配备多个视频监控镜头，以便对机上不同部位进行远程观察、监控。

 

中控室部分主要包括远程操控平台，通过对机上的视频监控信号、HMI操控画面集成，可实现多台堆取料设备仅需1人远程监视与操控，堆取料机的数量与远程监控平台的比例可根据设备的作业频率而定，一般为3∶1即可满足需要。1台通信服务器，负责机上PLC系统、3D扫描系统、作业任务管理系统以及L2等第三方MIS系统的连接。1台3D云图处理图形工作站，主要负责对各台堆取料设备发送回的3D料堆云图进行过滤、拼接、体积计算等，每次作业后刷新相应料堆的体积数据，从而实现快速准确盘库，从料堆的3D云图还可提取料堆的位置、形状数据，以便于精确、足不出户地绘制出高质量的料场图。

 

2.2 主要关键技术

 

2.2.1 3D扫描技术及云图处理

 

3D激光扫描技术采用现代高精度光学传感技术，运用无接触方式，能够深入到复杂料面及空间中进行扫描操作。直接获取料面的三维数据，得到料堆表面的点集合——“点云”，具有快速、简便、准确的特点。

 

装备于堆、取料机上的3D激光扫描系统，在每次作业完成后对作业料堆进行采集，采集到的局部云图通过匹配技术，与事先建立的云图进行匹配，刷新局部，从而以仅需扫描的最小扫描区域获得整个料条的最新3D云图。

 

匹配技术是把多个不同3D扫描设备获取的点云数据拼合在一起，以区域内确定的标志物为坐标0（X=0、Y=0、Z=0）点，建立统一坐标系。当拼接完成后，多个扫描云图被合并成一个新云图。

 

2.2.2超声波测距

 

原料场具有浮尘大、料堆对光反射极弱的特点，一般采用激光或电磁类进行距离测定困难很大，效果欠佳。超声测距不受光线、被测对象颜色等影响。尤其在原料粉尘很大的环境中能够很好的工作、在有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。超声波测距的基本方法为渡越时间检测法（TOF time of f l ight）。超声传感器由强电脉冲信号激励，向外发射超声波，遇到被测物体返回传感器，通过发射、接收声波存在的时间差判别物体距离，计算式如下：

 

D=C × T × 1/2式中，D为被测物距离；C为声音传输速度；T为渡越时间。

 

通过本项目对超声波检测堆高的大量实际应用，证明了超声波在户外强光、雨水、浮尘环境下的有效性和稳定性。

 

但超声波测距也存在方向性较差、被测区域要求的反射面较大等问题。

 

3 系统应用效果

 

3.1 自动堆、取料

 

通过研发的堆、取料模型，根据不同原料的安息角、堆高，设定流量、极限流量等参数，快速计算出最优过程，引导机上控制系统进行自动堆、取料。目前，已经实现堆料全程无人干预，自动走行、自动检测堆高、自动换堆等功能。取料仅需人工完成最后段的近距离对位，实现了在扇形段恒定料流下的自动取料，后期还将在扫描完成后，利用3D扫描云图提取料堆折返边界等数据，进一步降低取料过程中人工干预的程度。

 

对比传统人工堆料与模型控制的自动堆料的前后效果，料场料堆排列出现了明显变化，堆间距、堆高等数据大幅提升，不但提升料场有效空间10%以上，同时为取料效果的改善也打下了坚实的基础。

 

在自动取料模型控制下，通过对斗轮作业电流的实时检测，成功实现了恒流量取料。

 

3.2 人力需求的降低

 

2016年开始原料场以提升作业效率、料场智能化为导向，开展原料场智能化系统研究公关，至2017年4月，原料场所有堆、取料机全部实现智能化，料场堆取料实现智能化操作，中央控制室通过两位岗位人员对电脑参数的控制，实现11台堆、取料机根据作业指令全自动化操作。

 

智能化系统上线后，劳动效率提升了300%，作业人员降低了75%，劳动强度大大降低，人工优势非常明显。智能化作业流量与技术最娴熟的人工操作作业流量相比，有一定程度的提升，同时作业效率也得到提升。智能化作业率比人工作业率明显提高。

 

3.3 快速、精确盘库

 

当前湛江钢铁原料场已经投入3D自动盘库，可以通过安装在堆、取料机上的自动扫描仪对料堆进行体积扫描，然后输入原料堆比重，即可盘出料堆库存，大幅降低了员工的劳动力强度，提升了库存管理的准确性。

 

当前，湛江钢铁原料场利用智能化系统已经具备自动生成2D料场图的功能，可以通过安装在堆、取料机上的自动扫描仪对料堆进行形状扫描，然后通过数据分析处理即可完成自动生成料场图，显著降低了员工的劳动强度，之前需要人工现场绘制。

 

4 效益分析

 

在实现堆、取料机智能化后，堆、取料机操作岗位人数设置将大幅降低，仅为实施前的30%以下，减少70% 。在实现料堆堆位管理后，原料场的库存盘点无需大量人员手工现场测绘，使盘库工作变得高效、准确，且大幅降低了劳动强度，盘库效率提高90%。自动堆取料模块可以将料场利用率提高10%-20%，同时意外故障停机率降低60%。通过3D仿真技术对原料场生产能力进行建模，能随时根据如原料价格波动而调整配比的生产变化虚拟生产，为管理层决策提供可行性支持，使企业在生产平稳、顺行的基础上实现最优采购成本。

 

5 结语

 

原料场智能化系统应是一个开放的架构体系，它不仅包括已实现的料堆堆位管理、堆取料机无人化等子系统，后期还将在现有基础上分期实施综合设备监控、智慧运维、掌上工厂、作业计划指导、作业大数据优化等子系统，逐步提升宝钢集团湛江基地原料场智能化程度，改善员工的工作环境，降低人力成本，有利于推进企业精细化管理和标准化生产。