刮板取料机实现无人值守3D扫描自动取料的研究与应用

王文良 连武学 河北钢铁集团邯钢有限公司物流公司设备动力科

一、改造简介

邯钢一料场作为邯钢最大的一、二次料场，全料场为封闭料场，其中一次料场有4个料条，每个料条分为7个料仓。

整个料场的物流作业都需要操作人员在设备上进行，不仅封闭料场环境恶劣，而且每台设备至少要配备一名操作人员，整个料场的物流堆取作业都需要中控室通过对讲机来统筹调度，料条的盘料也需要大量人工和长时间的工作进行。这就使得料场物流运营成本居高不下，生产效率低下。基于以上原因我们进行了4号料条6#刮板机的智能化改造项目。

针对上述问题，我们选用在刮板两侧安装激光扫描仪，将料场数据采集到三位服务器中，服务器再通过数据算法计算出料堆的体积“体积”“重量”“边界”等数据，在料场仿真系统中以三维的方式模拟仿真呈现。

二、改造过程

本改造的目的是通过激光扫描仪对料场的整个料堆进行条形扫描；刮板取料机定位系统确定堆取料机的行程、卷扬角度数据；系统的数据处理单元会根据激光扫描出来的料场数据，进行数据分析、对比，数据特征提取、计算，并将最终计算出来的作业切入点数据传给图像处理单元；图像处理单元对激光扫描仪、定位数据等进行处理，转换成料堆的直观三维图像，并提供料堆重要边界点的坐标参数；控制人员根据实际的作业任务建立作业计划，初始化模型参数后下发作业指令，利用料堆模型和PLC模块控制刮板取料机自动化作业。从而实现通过激光扫描技术实现对于刮板取料机的远程自动控制，降低操作人员的工作强度，改善其工作环境，确保刮板机稳定运行。

本改造包括一台工控机、一套激光扫描服务器、两台激光扫描仪、刮板取料机PLC控制系统、交换机、用于定位刮板取料机位置的大车编码器、卷扬编码器、高清视频监控系统、刮板机的保护限位和一对无线通讯电台。

所做的改造是通过对料场进行测绘并建立料场坐标系并将刮板机的编码器数据与料场坐标系相对应；

在刮板机的刮板机构两侧安装两台激光扫描仪，并且将两台激光扫描仪的安装位置也建立在料场的坐标系中；

将料场进行区域划分，将每一个料场的区间坐标建立数据库；

将刮板机与中控室通过无线通讯电台建立无线通讯；

在上位机种选择作业的料场，服务器将料场区间坐标发送给PLC，刮板机在这区间进行料场扫描；

激光扫描服务器将采集上来的料场数据信息进行数据计算、对比分析、特征提取，计算出料堆的体积、重量、边界等数据存储到相应料场的数据库中；

自动取料作业时，通过对上位机进行料场选择，系统会读取相应料场数据库的料堆数据，然后将料堆边界、作业切入点等数据发送给PLC，从而实现刮板机全自动作业。

本改造的积极效果是：通过实现刮板机远程自动控制，可以大大降低操作人员的工作强度，改善操作人员的工作环境，可以实现一人同时控制多台设备，大大降低了人工成本，同时规范了刮板机的作业流程，很好的降低了刮板机因人为暴力操作所带来的设备损害，降低了设备的维修率，激光扫描系统还建立了完备的料场信息数据库，相比于人工盘煤，基于激光扫描的刮板机控制系统可以做到实时盘煤，及时计算等优点。

三、改造亮点

通过实现刮板机远程自动控制，大大降低操作人员的工作强度，改善操作人员的工作环境，可以实现一人同时控制多台设备，大大降低了人工成本，同时规范了刮板机的作业流程，很好的降低了刮板机因人为暴力操作所带来的设备损害，降低了设备的维修率，激光扫描系统还建立了完备的料场信息数据库，相比于人工盘煤，基于激光扫描的刮板机控制系统可以做到实时盘煤，及时计算等优点，每年节约成本费用85万元。

四、技术研讨

本改造需要先对料场进行测绘，建立料场坐标系，并确定料场的坐标原点和刮板机在坐标系中的位置，同时还要将刮板机编码器数据和料场坐标系进行统一；

堆料场进行区域划分，并且在服务器中根据料场划分的区间位置建立相应的数据库，将数据库与上位机和激光扫描服务器进行通讯，以便上位机和激光扫描服务器可以读取数据库；通过上位机对整个料场进行扫描采集料场中料堆的数据信息，激光扫描服务器会将采集上来的数据信息，根据料场划分的区间对不同料场的数据进行分别计算和存储在相应的数据库中：

料堆数据的计算：

激光扫描仪1位置数据，激光扫描仪2位置数据

通过特征提取算法，系统判定每个料场料堆最高点的高度为刮板机初次下放的角度，最高点所在的料场位置为刮板机的行走位置，这样就可以让刮板机自动定位目标料堆的初始位置，再根据料堆的形状提取料堆的边界数据，便可以作为刮板机的取料边界设定；

建立激光扫描服务器与PLC的Modbus Poll通讯连接，设置PLC的IP地址：192.168.0.1；

建立激光扫描服务器与料场数据库的通讯连接；

对整个料场进行自动盘煤，刮板机将刮板抬到最高位，从料场起点运行到终点，并将料仓的“体积”“重量”以模拟量类型数据存储，物料种类以状态字的类型存储在数据库中。

通过读取物料种类的状态字，刮板机可以自动选择料仓，选择料仓后激光扫描系统会给出料堆边界数据和刮板下放角度，刮板机接收到边界数据和下放角度后，刮板机进行自动取料；在PLC中编写手动干预功能模块，当刮板机运行数据出现偏差时，可以保证设备在不停机的状态下进行人工干预微调。

五、结束语

通过这次设计改造，大大节约人工维护成本，明显降低职工劳动强度，每年节约人工费用约85万元，延长了刮板机的使用寿命。同时也锻炼了自己，提高了对设备自动化知识的认知能力，今后多学习专业知识，努力对设备进行创新改造，贡献自己的力量！