无人行车技术特点及自主研发思路

谢 伟

（昆钢信息中心）

1 前言

无人行车技术起源于韩国浦项制铁，2002年第一部无人值守行车研发成功，在浦项制铁正式投入生产。[1]

行车按机械结构、操作控制方式，有多种分类。按操控方式分类，主要经历了三个发展阶段，第一代为手动驾驶、地面人工指挥调度；第二代为库区自动化，车上有人驾驶、地面无人指挥调度，实现库区自动化、信息化；第三代为无人驾驶行车，也称智能行车，车上、地面均无人，智能化库存管理系统（WMS）全自动调配行车，自动化、信息化程度高，工作效率高。这里主要研究双梁式无人驾驶行车的技术特点及自主研发思路。

2 无人行车的操控方式

2.1 产品定位

目前国内大部分钢厂的行车驾驶仍采用传统的手动驾驶方式，无人行车因造价较高，产品涉及多项前沿技术，日常使用、维护中的技术要求也较高，国外应用时间不是很长，国内较广泛应用也是近几年在技术装备先进、自主研发创新能力较强的钢厂才起步不久。

2.2 操控方式分析

单台无人行车可实现全自动、半自动、HMI手动、现场手动等操作模式，操作人员可以根据生产、设备情况切换操控方式。

2.2.1 现场手动

操作人员在现场行车驾驶室控制行车动作，操作方法与普通行车相同，但设备动作控制由PLC程序实现，因此速度控制、设备定位更灵活可靠，主要用于检修后试车调试或日常点检测试。

2.2.2 HMI手动

现场无人，操作人员在控制室通过HMI点击指令按钮，控制单台行车完成大车运行、小车运行、电磁吊（或抓斗）升降、吸放物料（抓斗开闭）等单一动作，设备控制保持必要的机械、电气安全连锁，这种模式主要用于设备可靠性检验或临时完成某种特定动作。

2.2.3 半自动

操作人员在HMI上设定好起始位、目标位、提升高度等参数，对单台行车下达吊运指令，行车按程序自主完成提升、移位、下降、吸取（抓取）物料、再提升、再移位、放置物料等操作，中间过程不需人为干预，主要用于系统局部故障或临时完成某种特定动作。

2.2.4 全自动

操作人员向行车下达入库或出库任务，或直接由MES下达调度指令，行车通过信息系统、智能化检测设备及算法分析，自动判断物料位置，确定起始位、目标位、设备动作顺序、移动路径，完成物料搬运工作，这是无人行车正常工作时的主要运行模式。

2.2.5 多台联动

由操作人员下达工作任务，或由WMS、MES下达指令，多台无人行车协同工作完成指定任务，实现联动。

3 无人行车的设备组成架构分析

设备组成架构分解:单台行车按控制功能及层次架构，可分解成基础控制模块、网络通讯模块、防摇控制模块、料面数据分析、行车精确定位、摄像监控等模块。其组成架构如图1所示。

图1 无人行车功能架构示意图

3.1 基础控制模块

以PLC系统为控制核心，采集操作台信号、传感信号，采用现场总线串接编码器、传动设备，编程实现行车所有动作的程序控制，达到大小车运行、电磁吊（抓斗）升降、吸放物料（抓取、放置）的快速和精准化。

3.2 网络通讯模块

通过地面有线、车载无线网络系统，连接行车PLC、工业PC、控制室操作站、工程师站，实现行车的远程操作和控制。

3.3 防摇控制模块

如图2所示，防摇摆是智能行车系统的关键技术之一，直接关系行车运行的稳定性和效率，通过行车运行各工况下最优控制算法，实现行驶过程摆幅小、速度快的半自动控制。

无人行车系统与传统行车相比，显著特性是运行、加速、减速、停止整个过程中主钩（或抓斗）摆幅小，运行平稳，摆角可控，尤其是在取、放物料时，主钩（或抓斗）摆角可控制在2度以内，这为行车精确定位、安全取放物料提供了坚实的基础，有效保障了物料在库房里的精准码放和搬运。行车摆角产生的原因主要是受物体惯性的影响，行车在变速运动过程中主钩（或抓斗）速度变化滞后于大车和小车的速度变化，控制行车摆角就是消除这种速度变化的不同步。[2]

3.4 地面图像（或料面数据）分析及行车精确定位模块

采用格雷母线精确定位各行车大小车位置，激光扫描仪、相控阵雷达或工业摄像图像分析检测料面，数据通过搭建的有线和无线网络传入工业PC，通过数据分析和算法运算，绘制料面3D图像，给出行车最佳动作路径并将指令传递给车载PLC，实现行车的全自动控制。

3.5 摄像监控模块

图2 防摇半自动系统组成架构示意图

为实现行车的远程控制，需要实时掌握物料堆放及行车动作情况，现场加装高清摄像头，从不同角度监控设备动作，视频信号接入操作控制室，便于操作员HMI手动、半自动操作，以及全自动时对比3D模拟图像，便于监控和分析。

4 研发思路

4.1 研发的基本原则

提高自动化、智能化水平的最终目的，应该体现出降本增效、提高劳动生产率、减轻工人劳动强度、提高产品质量，最终取得良好经济效益或重大社会效益。如果简单追求技术上的“高、大、上”，投入巨大资金、人力、物力，而最终劳动生产率、质量提升不明显，或者使用效果不佳、运维水平达不到要求，经济效益反而下降的前沿技术、装备可以暂缓，等待时机。

基于以上思路，可以选取投资成本不大、工作模式不太复杂、环境要求不太高的应用场景研发无人行车，先易后难，等尖端技术产品价格下降、自身对各项技术掌握较熟练后，再研究复杂环境的应用。

4.2 应用场景选择

昆钢目前在用行车，使用数量较多且工作模式相对固定的，主要在炼铁煤焦库、高炉冲渣池、炼钢及成品库等现场，用于物料搬运。基于“先易后难、效益优先”原则，可以考虑选择煤焦库或高炉冲渣池等双梁抓斗式行车进行研发，再逐步推广到其它应用场景。

4.3 煤焦库行车应用现状分析

煤焦库是高炉生产所需燃料的重要转运站，承担着高炉冶金焦、喷吹煤的入库储存、出库输送任务。入库、出库物料搬运采用双梁式行车抓取方式，通过人工在行车上的驾驶室操作，劳动强度大，现场粉尘浓度较高，刺鼻气味较重，环境差。目前使用的行车型号老旧，配置简单，电控部分采用切电阻方式进行调速，调速效果不理想，操作不便，且电控系统故障率高。

4.4 煤焦库行车无人化改造的实施步骤及效益分析

4.4.1 实施步骤

根据目前高炉冶炼强度高、物料输送任务繁重的现状，煤焦库系统首先要确保生产顺行，因此每次只能改造一台行车，待改造后的行车运行稳定，日常操作维护正常化，满足生产要求后，才有条件改造下一台，待全部行车单台改造完成，再实现总体联动控制。

按照当前生产实际情况，第一步宜先完成1#行车单台改造及1#行车远程控制所必须的网络平台、操作监控平台搭建。

4.4.2 单台行车改造步骤

按照投资收益最大化原则及控制功能层次结构特点，单台行车技术改造亦分三步进行。第一步，先进行基础控制模块、网络通讯模块、视频监控模块改造，完成后可以实现驾驶室、远程两地操作；第二步，在基础控制模块调试基本正常时研发防摇控制模块，完成后可实现半自动方式操作；第三步，待半自动运行稳定、工作效率达到熟练工操作水平后，开发全自动控制模块。

料面数据分析及行车精确定位模块（全自动）的开发，可以和生产交叉进行，因此，全自动功能开发可以和下一台行车的第一步改造同步进行。

4.4.3 效益分析

对高炉煤焦库现有行车系统进行升级改造，改变操控方式，一方面可以减轻工作人员劳动负荷，改善工作环境，另一方面可以满足降本增效、提高劳动生产率的要求，具有良好的经济效益和社会效益。

5 结语

钢铁企业无人行车的应用作为智能制造的典型代表，集多项前沿技术于一身，国内研发方兴未艾，多种应用场景还有待突破。目前昆钢自动化、信息化水平与国内先进钢厂相比还有一定差距，对自主研发的难度和任务艰巨性要有充分的认识。同时，应该抓住有利时机，自主研发，把先进技术掌握在自己手里。