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河鋼集團(tuán)唐鋼公司 李曉剛

作者簡介

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

摘要：唐鋼高強(qiáng)汽車板原料庫天車無人化系統(tǒng)是國內(nèi)第一套自主集成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能包括：作業(yè)計劃、作業(yè)監(jiān)控、作業(yè)確認(rèn)、信息更新、數(shù)據(jù)通信等。實現(xiàn)了庫區(qū)天車無人駕駛作業(yè)，作業(yè)計劃和作業(yè)執(zhí)行過程完全自動化，同時也實現(xiàn)了鋼卷信息及鋼卷狀態(tài)在庫區(qū)、生產(chǎn)線、MES之間共享，有效地降低了庫區(qū)工作人員的作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)錯誤率。

關(guān)鍵詞：無人天車；過程控制；作業(yè)計劃；作業(yè)監(jiān)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(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代信息技術(shù)正在深刻改變著社會、企業(yè)的運作模式，為鋼鐵行業(yè)的競爭力重構(gòu)創(chuàng)造了新的機(jī)會。唐鋼高強(qiáng)汽車板項目是唐鋼在這一時代背景下調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實施產(chǎn)業(yè)升級的載體工程，代表了當(dāng)今世界冷軋工藝設(shè)備技術(shù)、自動化控制技術(shù)和高端冷軋產(chǎn)品的最高水平。項目實施以來始終以智能化工廠為目標(biāo)，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了原料庫區(qū)天車作業(yè)無人化，天車無人化系統(tǒng)集信息化、自動化和過程控制于一體，采用車輛識別技術(shù)、天車作業(yè)計劃自動排程技術(shù)、自動上料過程控制技術(shù)、自動過跨過程控制技術(shù)、天車作業(yè)無人駕駛技術(shù)、鋼卷庫區(qū)移動軌跡跟蹤技術(shù)，有效地將庫區(qū)孤立的汽車、天車、過跨車、障礙物、鋼卷、步進(jìn)梁等緊密地聯(lián)系在一起。實現(xiàn)了庫區(qū)生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程自動化、天車作業(yè)無人化、庫區(qū)鋼卷物料跟蹤全壽命周期化。唐鋼高強(qiáng)汽車板原料庫天車無人化系統(tǒng)有效地連接了原料物流、原料庫區(qū)和生產(chǎn)線，實現(xiàn)庫區(qū)鋼卷入庫、出庫全流程全過程自動化及APS排產(chǎn)、MES生產(chǎn)執(zhí)行控制、酸軋線自動生產(chǎn)全流程全過程完全自動，為智能工廠其他信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)信息支撐。

2　庫區(qū)概況及業(yè)務(wù)流程

唐鋼高強(qiáng)汽車板有限公司原料庫總共兩跨10個區(qū)、5部天車、兩段上料步進(jìn)梁（每跨一段）、1部過跨車、6個停車位（其中2#、4#停車位帶車輛識別為全自動停車位）。庫區(qū)南北走向分東西跨，東跨內(nèi)有1-5區(qū)、1-3#停車位、1#步進(jìn)梁及1-3#天車，西跨內(nèi)有6-10區(qū)、4-6#停車位、2#步進(jìn)梁及4-5#天車，兩跨之間通過過跨車相連。3#車主要負(fù)責(zé)設(shè)備檢修，兼顧PLTCM東跨生產(chǎn)上料及備料；2#車主要負(fù)責(zé)PLTCM東跨生產(chǎn)上料，兼顧備料及3#停車位卸車；1#車主要負(fù)責(zé)1、2#停車位卸車，兼顧備料；5#車主要負(fù)責(zé)PLTCM西跨生產(chǎn)上料，兼顧備料、4、5#停車位卸車；4#車主要負(fù)責(zé)4、6#停車位卸車，兼顧備料，同時所有的天車具備倒庫（包括庫內(nèi)到過跨車及過跨車到庫內(nèi)）功能。整個庫區(qū)布置圖如圖1所示。

圖1 庫區(qū)布置圖

鋼卷在原料庫區(qū)一般大致經(jīng)歷采購實物入庫、計劃排產(chǎn)備料、生產(chǎn)上料出庫等過程。唐鋼高強(qiáng)汽車板有限公司原料庫庫區(qū)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)退線與采購?fù)藥臁ｄ摼聿少徣霂旒安少復(fù)藥熘饕捎闷囘\輸，車輛信息由公司物流管控系統(tǒng)負(fù)責(zé)，生產(chǎn)備料、生產(chǎn)上料及生產(chǎn)退線由公司MES系統(tǒng)驅(qū)動。

2.1　采購入庫流程

（1）車輛刷卡進(jìn)場

物流管控系統(tǒng)（LOG）發(fā)送車輛信息給天車無人化系統(tǒng)，車輛信息包括車牌號、車輛運輸派車單、車上放卷位置數(shù)量及每個位置鋼卷信息。

（2）車輛信息檢驗

檢驗內(nèi)容如下：

車物信息是否一致；

外觀質(zhì)量是否合格，是否入庫；

確定鋼卷方向；

指定停車位置。

檢驗完成后，天車無人化系統(tǒng)將檢驗結(jié)果反饋給物流管控系統(tǒng)與MES。

（3）車輛排隊刷卡進(jìn)庫

（4）發(fā)送車輛信息給車輛識別系統(tǒng)

（5）車輛識別系統(tǒng)開始測量

（6）車輛識別開始測量完成

（7）生成卸車作業(yè)計劃

（8）天車執(zhí)行卸車任務(wù)

（9）卸車完成

（10）車輛刷卡離庫

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?qū)摼斫徊嬉苿拥絺淞蠀^(qū)（涉及到過跨）。

（3）天車執(zhí)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)線生產(chǎn)計劃開始生產(chǎn)指令

（2）按照生產(chǎn)計劃生成上料作業(yè)計劃

（3）天車執(zhí)行上料任務(wù)

（4）生產(chǎn)計劃上料完成

2.4　生產(chǎn)退線流程

（1）MES下發(fā)鋼卷退線請求

（2）生成鋼卷退線作業(yè)計劃

（3）鋼卷到達(dá)退線吊卷指定位置

（4）天車執(zhí)行退線任務(wù)

（5）退線完成

2.5　采購?fù)藥炝鞒?/p>

（1）車輛刷卡進(jìn)場

物流管控系統(tǒng)（LOG）發(fā)送車輛信息給天車無人化系統(tǒng)。車輛信息包括車牌號、車輛運輸派車單、車上鋼卷位置分布及每個位置需要擺放鋼卷的ID。

（2）車輛排隊刷卡進(jìn)庫

（3）發(fā)送車輛信息給車輛識別系統(tǒng)

（4）車輛識別系統(tǒng)開始測量

（5）車輛識別開始測量完成

（6）生成裝車作業(yè)計劃

（7）天車執(zhí)行裝車任務(wù)

（8）裝車完成

（9）車輛刷卡離庫

根據(jù)原料庫庫區(qū)業(yè)務(wù)流程，天車作業(yè)類型主要分為卸車作業(yè)、備料作業(yè)、上料作業(yè)、退線作業(yè)、裝車作業(yè)以及由備料作業(yè)產(chǎn)生的壓卷倒庫作業(yè)和過跨作業(yè)。

3　系統(tǒng)設(shè)計思路

唐鋼高強(qiáng)汽車板原料庫區(qū)天車作業(yè)要求全過程自動化，無需人為干預(yù)。圍繞庫區(qū)關(guān)鍵核心設(shè)備天車在庫區(qū)各類作業(yè)特點，原料庫天車無人化系統(tǒng)借鑒戴明環(huán)循環(huán)控制理念，將整個控制系統(tǒng)進(jìn)行分級分層，分級具體分為2級過程控制和1級PLC現(xiàn)場基礎(chǔ)自動化控制，分層具體分為天車作業(yè)計劃層、計劃執(zhí)行設(shè)計實施層、PLC執(zhí)行層、實時監(jiān)督層、執(zhí)行調(diào)整層。天車作業(yè)計劃層根據(jù)庫區(qū)業(yè)務(wù)需求自動生成天車作業(yè)計劃，計劃執(zhí)行設(shè)計實施層按照天車作業(yè)計劃要求設(shè)計并計算天車執(zhí)行過程控制方法，天車PLC按照設(shè)計要求予以執(zhí)行，實時監(jiān)督層實時監(jiān)控天車作業(yè)過程是否與作業(yè)計劃要求預(yù)期一致，調(diào)整控制層根據(jù)監(jiān)督反饋結(jié)果對天車作業(yè)計劃進(jìn)行調(diào)整或繼續(xù)執(zhí)行。整個天車無人化系統(tǒng)按照上述循環(huán)控制思路周而復(fù)始自動執(zhí)行庫區(qū)作業(yè)。

4　系統(tǒng)功能解析

原料庫天車無人化系統(tǒng)主要由1套庫區(qū)管理子系統(tǒng)（WMS）、2套車輛識別子系統(tǒng)（SRS）、5套天車PLC子系統(tǒng)、1套過跨車PLC子系統(tǒng)構(gòu)成，其中庫區(qū)管理子系統(tǒng)（WMS）屬于2級過程控制，車輛識別子系統(tǒng)、天車PLC子系統(tǒng)、過跨車PLC子系統(tǒng)屬于1級現(xiàn)場基礎(chǔ)自動化控制。庫區(qū)管理子系統(tǒng)是整個天車無人化系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交換并根據(jù)業(yè)務(wù)需求驅(qū)動其它子系統(tǒng)。

4.1　庫區(qū)管理子系統(tǒng)

庫區(qū)管理子系統(tǒng)在宏觀上管理著整個庫區(qū)，主要功能如下：

（1）數(shù)據(jù)通訊

與物流管控系統(tǒng)通訊；

與MES系統(tǒng)通訊；

與PLTCM現(xiàn)場基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)通訊；

與天車PLC子系統(tǒng)通訊；

與過跨車PLC子系統(tǒng)通訊；

與車輛識別子系統(tǒng)通訊。

（2）天車作業(yè)自動排程

卸車作業(yè)自動排程；

備料作業(yè)自動排程；

上料作業(yè)自動排程；

倒庫作業(yè)自動排程；

過跨作業(yè)自動排程；

退線作業(yè)自動排程；

裝車作業(yè)自動排程。

（3）跟蹤功能

車輛跟蹤；

天車作業(yè)跟蹤；

庫圖管理及鋼卷跟蹤；

步進(jìn)梁狀態(tài)跟蹤。

（4）設(shè)備自動控制

天車自動控制；

過跨車自動控制。

（5）HMI畫面

4.2　車輛識別子系統(tǒng)

車輛識別子系統(tǒng)的主要功是測量卸車車載鋼卷及裝車放卷位置精確坐標(biāo)。

4.3　天車PLC子系統(tǒng)

天車PLC子系統(tǒng)主要功能是執(zhí)行庫區(qū)管理子系統(tǒng)下發(fā)的各種指令，在執(zhí)行指令的過程中對天車大車、天車小車進(jìn)行位置控制，并按照庫區(qū)管理子系統(tǒng)設(shè)計的作業(yè)要求對主鉤升降及夾鉗關(guān)閉/打開進(jìn)行控制。

4.4　過跨車PLC子系統(tǒng)

過跨車PLC子系統(tǒng)的主要功能是按照庫區(qū)管理子系統(tǒng)要求對過跨車進(jìn)行鎖定、解鎖和過跨移動。

5　系統(tǒng)配置與架構(gòu)

5.1　系統(tǒng)配置

庫區(qū)管理子系統(tǒng)服務(wù)端采用HP proLiant DL580 G7服務(wù)器，客戶端HMI采用HP pavilion 500 PC Series商用機(jī)；車輛識別子系統(tǒng)掃描硬件采用SICK公司LMS511型號2D激光掃描設(shè)備，掃描數(shù)據(jù)處理服務(wù)器采用研華PPC-3120工控機(jī)；天車、過跨車PLC子系統(tǒng)均采用德國西門子S7-300型產(chǎn)品。整個天車無人化系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2 天車無人化系統(tǒng)配置圖

5.2　系統(tǒng)架構(gòu)

基于系統(tǒng)整體設(shè)計思路、庫區(qū)天車無人化系統(tǒng)配置、庫區(qū)采購入庫的隨機(jī)性與生產(chǎn)出庫的連續(xù)性和實時性，整個系統(tǒng)按照功能劃分采取分級分層控制。整個系統(tǒng)分兩級五層，兩級分別是二級過程控制和一級PLC執(zhí)行控制，五層分別是天車作業(yè)計劃層、計劃執(zhí)行設(shè)計實施層、PLC執(zhí)行層、實時監(jiān)督層、執(zhí)行調(diào)整層。為保證天車無人作業(yè)安全可靠，級與層之間交錯控制，級與級之間通過TCP/IP socket進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，層與層之間通過數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)共享進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，操作顯示畫面采用WEB方式。整個系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 天車無人化系統(tǒng)架構(gòu)框圖

6　系統(tǒng)子系統(tǒng)之間的串聯(lián)

當(dāng)庫區(qū)管理子系統(tǒng)接收到物流管控系統(tǒng)車輛到達(dá)信息后，車輛跟蹤開始對車輛狀態(tài)進(jìn)行跟蹤控制，車輛入庫后，車輛信息將會告知車輛識別子系統(tǒng)，車輛識別子系統(tǒng)測量完成后將測量結(jié)果反饋給庫區(qū)管理子系統(tǒng)，卸車（裝車）自動作業(yè)排程將自動按照天車分工生成初始的天車卸車（裝車）作業(yè)計劃。當(dāng)庫區(qū)管理子系統(tǒng)接收到MES系統(tǒng)生產(chǎn)計劃后，備料自動作業(yè)排程將自動按照天車分工生成初始的天車備料作業(yè)計劃。當(dāng)庫區(qū)管理子系統(tǒng)接收到MES系統(tǒng)鋼卷退線請求后，退線自動作業(yè)排程將自動按照天車分工生成初始的天車退線作業(yè)計劃。當(dāng)庫區(qū)管理子系統(tǒng)接收到生產(chǎn)線生產(chǎn)計劃生產(chǎn)請求后，上料自動作業(yè)排程將自動按照天車分工生成初始的天車上料作業(yè)計劃。當(dāng)操作人員在畫面進(jìn)行了倒庫操作，倒庫自動作業(yè)排程將自動按照天車分工生成初始的天車倒庫作業(yè)計劃。在備料或倒庫過程中如果涉及到要過跨，過跨自動作業(yè)排程將自動按照天車分工生成初始的天車過跨作業(yè)計劃。

當(dāng)天車有了作業(yè)計劃后，天車作業(yè)跟蹤將開始計算天車PLC具體的執(zhí)行過程控制方法，卸車、裝車、備料、倒庫作業(yè)天車PLC只需要按照執(zhí)行順控邏輯順序執(zhí)行即可，上料、退線作業(yè)天車主鉤下降放卷或天車主鉤下降吊卷需要等待步進(jìn)梁狀態(tài)跟蹤信息，符合條件后天車自動控制會通知PLC繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)整作業(yè)計劃重新執(zhí)行，過跨作業(yè)天車PLC放卷、吊卷需要等待過跨車自動控制信息，符合條件后天車方可放卷或吊卷。天車在吊卷或放卷過程中，庫圖管理及鋼卷跟蹤會對庫圖進(jìn)行實時更新并記錄鋼卷移動軌跡對鋼卷進(jìn)行跟蹤。

7　結(jié)語

原料庫區(qū)天車無人化是唐鋼高強(qiáng)汽車板智能化工廠全流程自動生產(chǎn)的開始環(huán)節(jié)，它無縫對接庫區(qū)物流和酸軋入口工藝流程，顛覆了原料庫區(qū)與酸軋入口步進(jìn)梁的傳統(tǒng)工作模式，轉(zhuǎn)變了廠區(qū)工作人員傳統(tǒng)的工作思維模式，使原料庫區(qū)天車工脫離了高強(qiáng)度重復(fù)性勞動，構(gòu)建了生產(chǎn)與物流間的信息橋梁，做到了生產(chǎn)現(xiàn)場與生產(chǎn)信息實時同步，節(jié)省了大量人力和物力。

摘自《2017今日自動化技術(shù)應(yīng)用在中國》