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河鋼集團(tuán)唐鋼公司 李曉剛

作者簡(jiǎn)介

李曉剛（1975-），男，河北唐山人 ，高級(jí)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(dòng)化部，研究方向?yàn)槊嫦蛑悄苤圃旃S信息化與自動(dòng)的融合。

摘要：唐鋼高強(qiáng)汽車板原料庫(kù)天車無人化系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第一套自主集成具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能包括：作業(yè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了庫(kù)區(qū)天車無人駕駛作業(yè)，作業(yè)計(jì)劃和作業(yè)執(zhí)行過程完全自動(dòng)化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了鋼卷信息及鋼卷狀態(tài)在庫(kù)區(qū)、生產(chǎn)線、MES之間共享，有效地降低了庫(kù)區(qū)工作人員的作業(yè)強(qiáng)度和作業(yè)錯(cuò)誤率。

關(guān)鍵詞：無人天車；過程控制；作業(yè)計(jì)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(huì)、企業(yè)的運(yùn)作模式，為鋼鐵行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力重構(gòu)創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。唐鋼高強(qiáng)汽車板項(xiàng)目是唐鋼在這一時(shí)代背景下調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實(shí)施產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(dòng)化控制技術(shù)和高端冷軋產(chǎn)品的最高水平。項(xiàng)目實(shí)施以來始終以智能化工廠為目標(biāo)，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了原料庫(kù)區(qū)天車作業(yè)無人化，天車無人化系統(tǒng)集信息化、自動(dòng)化和過程控制于一體，采用車輛識(shí)別技術(shù)、天車作業(yè)計(jì)劃自動(dòng)排程技術(shù)、自動(dòng)上料過程控制技術(shù)、自動(dòng)過跨過程控制技術(shù)、天車作業(yè)無人駕駛技術(shù)、鋼卷庫(kù)區(qū)移動(dòng)軌跡跟蹤技術(shù)，有效地將庫(kù)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(shí)現(xiàn)了庫(kù)區(qū)生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程自動(dòng)化、天車作業(yè)無人化、庫(kù)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(kù)天車無人化系統(tǒng)有效地連接了原料物流、原料庫(kù)區(qū)和生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)鋼卷入庫(kù)、出庫(kù)全流程全過程自動(dòng)化及APS排產(chǎn)、MES生產(chǎn)執(zhí)行控制、酸軋線自動(dòng)生產(chǎn)全流程全過程完全自動(dòng)，為智能工廠其他信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)信息支撐。

2　庫(kù)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(kù)總共兩跨10個(gè)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(gè)停車位（其中2#、4#停車位帶車輛識(shí)別為全自動(dòng)停車位）。庫(kù)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(shí)所有的天車具備倒庫(kù)（包括庫(kù)內(nèi)到過跨車及過跨車到庫(kù)內(nèi)）功能。整個(gè)庫(kù)區(qū)布置圖如圖1所示。

圖1 庫(kù)區(qū)布置圖

鋼卷在原料庫(kù)區(qū)一般大致經(jīng)歷采購(gòu)實(shí)物入庫(kù)、計(jì)劃排產(chǎn)備料、生產(chǎn)上料出庫(kù)等過程。唐鋼高強(qiáng)汽車板有限公司原料庫(kù)庫(kù)區(qū)主要業(yè)務(wù)是鋼卷采購(gòu)入庫(kù)、生產(chǎn)備料、生產(chǎn)上料及少量生產(chǎn)退線與采購(gòu)?fù)藥?kù)。鋼卷采購(gòu)入庫(kù)及采購(gòu)?fù)藥?kù)主要采用汽車運(yùn)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(dòng)。

2.1　采購(gòu)入庫(kù)流程

（1）車輛刷卡進(jìn)場(chǎng)

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(hào)、車輛運(yùn)輸派車單、車上放卷位置數(shù)量及每個(gè)位置鋼卷信息。

（2）車輛信息檢驗(yàn)

檢驗(yàn)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(kù)；

確定鋼卷方向；

指定停車位置。

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

（3）車輛排隊(duì)刷卡進(jìn)庫(kù)

（4）發(fā)送車輛信息給車輛識(shí)別系統(tǒng)

（5）車輛識(shí)別系統(tǒng)開始測(cè)量

（6）車輛識(shí)別開始測(cè)量完成

（7）生成卸車作業(yè)計(jì)劃

（8）天車執(zhí)行卸車任務(wù)

（9）卸車完成

（10）車輛刷卡離庫(kù)

2.2　生產(chǎn)備料流程

（1）接收MES生產(chǎn)計(jì)劃

（2）按照生產(chǎn)計(jì)劃生成備料作業(yè)計(jì)劃

按照生產(chǎn)計(jì)劃順序?qū)摼斫徊嬉苿?dòng)到備料區(qū)（涉及到過跨）。

（3）天車執(zhí)行備料任務(wù)

（4）生產(chǎn)計(jì)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(jì)劃開始生產(chǎn)指令

（2）按照生產(chǎn)計(jì)劃生成上料作業(yè)計(jì)劃

（3）天車執(zhí)行上料任務(wù)

（4）生產(chǎn)計(jì)劃上料完成

2.4　生產(chǎn)退線流程

（1）MES下發(fā)鋼卷退線請(qǐng)求

（2）生成鋼卷退線作業(yè)計(jì)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(gòu)?fù)藥?kù)流程

（1）車輛刷卡進(jìn)場(chǎng)

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(hào)、車輛運(yùn)輸派車單、車上鋼卷位置分布及每個(gè)位置需要擺放鋼卷的ID。

（2）車輛排隊(duì)刷卡進(jìn)庫(kù)

（3）發(fā)送車輛信息給車輛識(shí)別系統(tǒng)

（4）車輛識(shí)別系統(tǒng)開始測(cè)量

（5）車輛識(shí)別開始測(cè)量完成

（6）生成裝車作業(yè)計(jì)劃

（7）天車執(zhí)行裝車任務(wù)

（8）裝車完成

（9）車輛刷卡離庫(kù)

根據(jù)原料庫(kù)庫(kù)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(kù)作業(yè)和過跨作業(yè)。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

唐鋼高強(qiáng)汽車板原料庫(kù)區(qū)天車作業(yè)要求全過程自動(dòng)化，無需人為干預(yù)。圍繞庫(kù)區(qū)關(guān)鍵核心設(shè)備天車在庫(kù)區(qū)各類作業(yè)特點(diǎn)，原料庫(kù)天車無人化系統(tǒng)借鑒戴明環(huán)循環(huán)控制理念，將整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)分層，分級(jí)具體分為2級(jí)過程控制和1級(jí)PLC現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，分層具體分為天車作業(yè)計(jì)劃層、計(jì)劃執(zhí)行設(shè)計(jì)實(shí)施層、PLC執(zhí)行層、實(shí)時(shí)監(jiān)督層、執(zhí)行調(diào)整層。天車作業(yè)計(jì)劃層根據(jù)庫(kù)區(qū)業(yè)務(wù)需求自動(dòng)生成天車作業(yè)計(jì)劃，計(jì)劃執(zhí)行設(shè)計(jì)實(shí)施層按照天車作業(yè)計(jì)劃要求設(shè)計(jì)并計(jì)算天車執(zhí)行過程控制方法，天車PLC按照設(shè)計(jì)要求予以執(zhí)行，實(shí)時(shí)監(jiān)督層實(shí)時(shí)監(jiān)控天車作業(yè)過程是否與作業(yè)計(jì)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(duì)天車作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整或繼續(xù)執(zhí)行。整個(gè)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(dòng)執(zhí)行庫(kù)區(qū)作業(yè)。

4　系統(tǒng)功能解析

原料庫(kù)天車無人化系統(tǒng)主要由1套庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)（WMS）、2套車輛識(shí)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(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)（WMS）屬于2級(jí)過程控制，車輛識(shí)別子系統(tǒng)、天車PLC子系統(tǒng)、過跨車PLC子系統(tǒng)屬于1級(jí)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制。庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)是整個(gè)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(dòng)其它子系統(tǒng)。

4.1　庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)

庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)在宏觀上管理著整個(gè)庫(kù)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(chǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)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(shí)別子系統(tǒng)通訊。

（2）天車作業(yè)自動(dòng)排程

卸車作業(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(kù)作業(yè)自動(dòng)排程；

過跨作業(yè)自動(dòng)排程；

退線作業(yè)自動(dòng)排程；

裝車作業(yè)自動(dòng)排程。

（3）跟蹤功能

車輛跟蹤；

天車作業(yè)跟蹤；

庫(kù)圖管理及鋼卷跟蹤；

步進(jìn)梁狀態(tài)跟蹤。

（4）設(shè)備自動(dòng)控制

天車自動(dòng)控制；

過跨車自動(dòng)控制。

（5）HMI畫面

4.2　車輛識(shí)別子系統(tǒng)

車輛識(shí)別子系統(tǒng)的主要功是測(cè)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(kù)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(duì)天車大車、天車小車進(jìn)行位置控制，并按照庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作業(yè)要求對(duì)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(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)要求對(duì)過跨車進(jìn)行鎖定、解鎖和過跨移動(dòng)。

5　系統(tǒng)配置與架構(gòu)

5.1　系統(tǒng)配置

庫(kù)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(shí)別子系統(tǒng)掃描硬件采用SICK公司LMS511型號(hào)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(guó)西門子S7-300型產(chǎn)品。整個(gè)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(jì)思路、庫(kù)區(qū)天車無人化系統(tǒng)配置、庫(kù)區(qū)采購(gòu)入庫(kù)的隨機(jī)性與生產(chǎn)出庫(kù)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性，整個(gè)系統(tǒng)按照功能劃分采取分級(jí)分層控制。整個(gè)系統(tǒng)分兩級(jí)五層，兩級(jí)分別是二級(jí)過程控制和一級(jí)PLC執(zhí)行控制，五層分別是天車作業(yè)計(jì)劃層、計(jì)劃執(zhí)行設(shè)計(jì)實(shí)施層、PLC執(zhí)行層、實(shí)時(shí)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(jí)與層之間交錯(cuò)控制，級(jí)與級(jí)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(kù)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(gè)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(kù)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(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行跟蹤控制，車輛入庫(kù)后，車輛信息將會(huì)告知車輛識(shí)別子系統(tǒng)，車輛識(shí)別子系統(tǒng)測(cè)量完成后將測(cè)量結(jié)果反饋給庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)，卸車（裝車）自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車分工生成初始的天車卸車（裝車）作業(yè)計(jì)劃。當(dāng)庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)接收到MES系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃后，備料自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車分工生成初始的天車備料作業(yè)計(jì)劃。當(dāng)庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)接收到MES系統(tǒng)鋼卷退線請(qǐng)求后，退線自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車分工生成初始的天車退線作業(yè)計(jì)劃。當(dāng)庫(kù)區(qū)管理子系統(tǒng)接收到生產(chǎn)線生產(chǎn)計(jì)劃生產(chǎn)請(qǐng)求后，上料自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車分工生成初始的天車上料作業(yè)計(jì)劃。當(dāng)操作人員在畫面進(jìn)行了倒庫(kù)操作，倒庫(kù)自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車分工生成初始的天車倒庫(kù)作業(yè)計(jì)劃。在備料或倒庫(kù)過程中如果涉及到要過跨，過跨自動(dòng)作業(yè)排程將自動(dòng)按照天車分工生成初始的天車過跨作業(yè)計(jì)劃。

當(dāng)天車有了作業(yè)計(jì)劃后，天車作業(yè)跟蹤將開始計(jì)算天車PLC具體的執(zhí)行過程控制方法，卸車、裝車、備料、倒庫(kù)作業(yè)天車PLC只需要按照?qǐng)?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(dòng)控制會(huì)通知PLC繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)整作業(yè)計(jì)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(dòng)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(kù)圖管理及鋼卷跟蹤會(huì)對(duì)庫(kù)圖進(jìn)行實(shí)時(shí)更新并記錄鋼卷移動(dòng)軌跡對(duì)鋼卷進(jìn)行跟蹤。

7　結(jié)語(yǔ)

原料庫(kù)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(dòng)生產(chǎn)的開始環(huán)節(jié)，它無縫對(duì)接庫(kù)區(qū)物流和酸軋入口工藝流程，顛覆了原料庫(kù)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(kù)區(qū)天車工脫離了高強(qiáng)度重復(fù)性勞動(dòng)，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(chǎng)與生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)同步，節(jié)省了大量人力和物力。

摘自《2017今日自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在中國(guó)》