物联网技术在智能化物料搬运系统中的应用❋

孙晓霞，孟文俊，智 慧

（太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

物料搬运装备如起重机械、连续输送机械、场内机动车辆等，它们的功能虽然强大，但是都比较单一，如起重机械主要用于重物的上下运动，连续输送机械一般是指沿着固定的输送线路进行的，场内机动车辆主要用于地面搬运成件的物品。但是，现代化的工业需求是多种多样的，以上任何一种设备都不能单独地满足使用需求，因此，要满足现代工业这种系统化的需求，就要把各种物料搬运装备有机地结合起来形成系统。

物料搬运指将一系列相关的设备用于一个过程或系统中，协调合理地将物料进行移动、存储和控制的过程，所以物料、物料搬运装备或单元、搬运路径、控制单元构成了基本的物料搬运系统。

物料搬运在生产物流中占据着相当重要的位置，搬运费用占产品成本相当大的比例，所以，物料搬运的快慢能对生产过程产生各种各样的影响。要形成高度集成、良好协作、高效运作、适应性强的智能化物料搬运系统，必须充分利用各种搬运装备的特点，并结合物联网等新兴技术，这样有利于提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，还可以加快资金的周转、提高企业的效益。

物联网是指通过射频识别（RFID）、激光扫描器、红外传感器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。全面感知、可靠传输、智能处理是物联网的核心，其可划分为3层结构体系：即感知层、网络层和应用层。这3层的关键技术包括：信息收集技术，如RFID标签、传感器等；信息传输技术，如有线网、无线网、互联网；信息处理技术，如云计算等。在智能化物料搬运系统中，主要应用传感技术，即利用各种传感器，将监控对象的变化进行量化，形成数据，通过无线传感网络送到指定的位置，如自动控制系统等，然后由自动控制系统利用智能运算技术对获得的数据进行语义的理解、推理和决策，进而实现智能控制。本文将通过3个例子说明物联网技术是如何使物料搬运系统智能化的。

1 物联网技术在连续装卸系统智能化中的应用

连续装卸系统由取料头和输送带组成，由取料头从堆场取料，经带式输送机送至指定地点。在取料头上，可以安装声波传感器，该传感器能够在灰尘环境下工作，如图1所示。传感器1用来感知或者获取取料前物料层的表面位置，传感器2用来获取取料后物料层的表面位置，这些传感器将获得的数据（如瞬时上料流量、传输料流量等）传到自动控制系统，控制系统根据传输料流量与设定流量之间的上料流量差值控制取料头取料角和切入角的变化，选取最佳的物料表面，准确定位，并前后移动层层取料，实现高效、自动地取料。

2 物联网技术在装卸船机系统智能化中的应用

在传统的装卸船作业中，一般是通过现场的工作人员操作装卸船来完成搬运和装卸作业，人工操作的效率与人的经验、工作环境、心理状态等因素密切相关，工作效率不易得到保证。这是物料搬运领域面临的一个难题，物联网技术的发展为解决这一难题提供了一种有效的途径。物联网技术在智能化装卸船机中的应用主要有以下几种：

（1）利用物联网技术实现卸船机的船舱扫描。安装在卸船机上的激光传感器可以自动地检测到船舱舱口的位置，扫描船舱内物料的分布情况，确保抓斗进去后能安全准确地选择到一个最佳的抓取点，抓到物料。操纵卸船机司机只需要一直踩下脚踏板，无需操作其他装置，即可连续执行卸船作业。该功能大大减轻了司机的劳动强度，降低了对司机操作技巧的要求，可大大缩短培训周期，降低培训成本。

（2）利用物联网技术实现装船机的路径规划。根据装船机司机选择的装载模式和自动装载量，系统通过智能运算后，自动生成优化的作业路径，这样能够确保船身的动态平衡，司机只需要选择合适的装船模式，并启动自动作业，无需一直操作手柄，大大减轻了司机的劳动强度，降低了对司机操作技巧的要求。

（3）利用物联网技术实现装船机的流量检测。装船作业过程中，传感器能够实时检测到带式输送机上物料的流量，并统计一段时间内的累计流量。当累计流量达到规划值时，控制系统自动控制装船机按规划路径移到下一个最优的位置或合适的作业点进行工作，从而保证发挥卸船机最佳的卸船能力。

图1 连续装卸系统中的取料头

3 物联网技术在煤炭输送系统智能化中的应用

煤炭输送系统主要用于带式输送机对煤炭连续运输。过去，对带式输送机检测、检修都是靠人工完成，人们无法检测到检修间隔期间所发生的故障，而这期间发生的故障引起的损失是非常大的、不可估量的。利用多种类型的传感器、传感器网络，可以获取监测对象的实时状态、监控特定对象的行为。在输送机上安装各种传感器，然后监控其运行状态，可实现安全可靠地自动控制和故障诊断。物联网技术在煤炭输送系统中的应用主要有以下几点：

（1）利用物联网技术实时监测输送带的撕裂故障。装有物料的输送带在高速运行中，要检测它什么地方被撕破了，或者有裂纹等是非常困难的。因此，有必要开发一种输送带的线圈防撕裂系统，如图2所示，它包括了植入输送带中的线圈、探头、控制器、RFID芯片和RFID的识别器等。通过探头可监测到线圈的脉冲信号，将检测到的脉冲信号收集起来，用以判断输送带是否发生撕裂故障，然后将分析结果和图像传到控制室监控的屏幕上，便于及时地修整、维护，减少损失。

图2 输送带的线圈防撕裂系统

（2）利用物联网技术实现带式输送机的变频调速功能。传统的带式输送机一般是按照一定的恒定速度运行，不管输送物料多少，输送机都是恒速运动，不能随着承载物料的多少进行变速输送，能耗很大。在带式输送机中装入称重传感器，可实现带式输送机随物料多少而进行的变速输送，达到重载时加速，轻载时减速，空载时停机的目标。称重传感器能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号，控制系统获得这些信号后，即可得出某一时间输送带上物料的瞬时流量，并与给定的流量值比较，若小于给定流量值时，则减速，否则，则加速。通过控制系统、称重传感器、变频器之间的通讯，可根据输送带载荷大小调整输送机的运行速度，达到智能、节能的目的。

（3）利用物联网的多传感器监测技术不仅可对工作场所等一些特别容易发生不明状况的区域监测，还可对工作设备监测。如图3所示，将传感器1安装在轴上监测轴的情况；传感器2安装在电动机上，监测输送机运行过程中产生的周期性振动和温度。

图3 安装在电机和轴上的传感器

4 智能化物料搬运系统技术展望

在不久的将来，物料、物料搬运装备及其系统有可能被赋予智能，而智能化需要智能技术的发展，需要其他技术与物联网技术的配合，如云计算、人工智能、M2M技术，才能使智能化物料搬运系统变得更加智能化、自主性、耐用和可靠。物料搬运系统智能化技术如图4所示。

图4 物料搬运系统智能化技术

4.1 云计算

智能化物料搬运系统的发展需要云计算强大的处理和存储能力作为支撑，该搬运系统将使用数量惊人的传感器采集海量信息。这些信息需要通过无线传感网、互联网向存储和处理设备汇聚，而使用云计算来承载这些任务具有非常显著的性价比优势。此外，使用云计算设备对这些数据进行处理、分析、挖掘，可以更加迅速、准确、智能地对物料搬运系统进行管理和控制。

4.2 人工智能

专家系统应用在智能物料搬运系统中，主要是根据物料搬运的一些知识和经验，并总结成为搬运规则，存储在知识库中作为先验知识，以确定搬运路线、搬运方案等。利用遗传算法、蚁群算法等可求解物料搬运系统中的搬运路径最短问题、搬运路线优化问题。

4.3 M2M技术

利用无线传感网络和M2M技术可实现在系统中枢对分散在各地的物料搬运系统进行远程控制和监视，建立事故防范和应急处置体系，为在线实时控制、快速准确上报事故和事故发生后的迅速及时调集应急救援力量等提供更好的技术支持。

5 结论

随着经济和社会的发展，智能化物料搬运系统已经成为企业降低成本、提高效率、保证服务质量的重要基础，而物联网技术的应用对智能化物料搬运系统领域的发展提供了新的挑战和发展机遇，并有助于推动起重运输机械行业智能物流的发展。但是从国内现状看来，物联网和云计算等其他技术在智能化物料搬运系统中的应用还处于初级阶段，要完全达到智能化的要求，还需要对其相关技术进行开创性研究。

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