智能无人抓斗吊天车在有色金属行业的应用

邓 君

（湖南天桥嘉成智能科技有限公司，湖南株洲 412000）

某有色金属冶炼股份有限公司用于铜冶炼渣处理的精矿仓配料车间，车间厂房长210m，改造一台纯手动抓斗吊，实现行车加料的全自动运行。为了解决该配料车间生产环境恶劣，人工劳动强度大，作业效率低，设备维护费用高等问题，结合企业智能制造和智慧工厂建设整体战略，对该工序的物料转运及上料作业进行智能化及相关配套改造，是非常具有现实积极意义的。对此，文章以智能无人化抓斗吊天车系统为案例，重点就其在该企业精矿仓配料车间中智能无人化抓斗吊天车系统的应用作了分析，希望能达到减人增效、降低设备故障、提升操作管理水平和效率、提升工序整体自动化和信息化水平的目的。

1 智能无人化抓斗吊天车系统概述

此项目配料车间抓斗起重机智能化系统是基于可编程控制器（PLC）、变频器和传感器的控制系统以及机器识别、计算机、通信等信息技术，并开发相应的智能调度与控制算法，实现抓斗起重机无人操作模式下的自动化运行。

为实现智能化系统以及客户对于天车作业自动化的各项功能目标，智能抓斗天车系统一般需要配备多个功能技术模块，一般主要包含：无人天车电控系统，定位及防摇系统、智能识别系统、地面辅助及安全系统、视频监控系统、网络通信系统，中控系统。

2 配料车间智能无人化抓斗吊天车系统的应用

2.1 智能无人抓斗天车电控系统

无人天车电控系统主要由车载PLC 系统、各机构驱动变频器、传感器以及相关控制软件组成。车载PLC 采用西门子S7-1500系列。抓斗的起升及开闭电机驱动采用高性能变频器控制，速度精度及力矩精度高，适合起重机电机控制。

2.1.1 智能抓斗天车电控系统（抓斗控制）的关键技术

湖南天桥嘉成智能科技有限公司智能无人天车抓斗设计为自立型重型上部双股四绳防缠绕结构。双股四绳防缠绕设计、高性能PLC 及变频器的选型配置以及公司独创的四绳同步控制技术（三闭环同步控制系统），使得抓斗动作平稳、精准，有效防止钢丝绳松弛、缠绕、磨损，是防止抓斗漏料，保证作业效率和满斗率等关键指标上优于人工操作的关键技术之一。

2.1.2 智能无人抓斗天车电气系统拓扑图。

智能无人抓斗天车电气系统拓扑图如图1所示。

图1 智能无人抓斗天车电气系统拓扑图

2.2 自动定位及防摇摆系统

天车自动定位实现原理：起重机三维位置检测系统能实时检测起重机的三维位置，通过PLC 的调度子程序，向起重机发送目标位置。车载PLC 接受到该位置后，控制各机构变频器驱动各机构电机向目标位置运行，通过一定优化算法，当起重机停止时，刚好达到目标位置，有效提高定位效率。

2.2.1 大、小车定位系统

如图2所示，大小车运行机构（X、Y 方向）采用激光测距仪对位置信息进行检测。激光测距仪带有标准的PROFINET 接口，可以通过工业以太网的通信方式直接将实时位置信息传输给PLC 控制器，定位准确，精度可达±2 mm。

图2 激光测距仪的技术指标及性能参数

大、小车定位系统通过激光在发射器与反射板之间的反射与接收，利用时间飞行函数计算，得出大小车在轨道上的距离位置信息。

定位系统的具体方案应结合现场布局、工作环境、精度要求、安装维护、可靠性、投资性价比等因素进行综合选型和配置。

本项目中的大、小车定位系统也可考虑采用绝对值编码器+RFID 磁钉校准定位技术。

2.2.2 抓斗起升、开闭定位

智能无人抓斗天车起升机构（Z 方向）及抓斗开闭位置检测采用绝对值编码器，其集成的PROFINET接口可以实现与S7-1500PLC 的完美融合和数据传输。其多圈高分辨率的计数特点，完全能够满足客户高精度定位的要求，特别是高强度的防护等级，具有强抗冲击和抗震动能力，适用于恶劣工业环境。

（1）行车起升机构（Z 轴方向）通过在升降卷筒端部安装多圈绝对值编码器来实时测量Z 轴的位置。

（2）抓斗开闭卷筒端部安装多圈绝对值编码器来实时测量抓斗开闭状态。

（3）抓斗上方配置的称重传感装置能够判断物料抓取情况，同时辅助进行抓斗触底判断。

2.2.3 电子防摇

防摇控制原理：利用软测量技术估计吊钩偏摆角，采用状态反馈的方法对桥式起重机运行机构进行速度控制同时抑制吊钩摆角，基于软测量技术摆角检测方法无需加装任何传感器，只需要变频器内部加入软件算法即可，防摇算法采用状态方程和状态反馈的方法，实时估算吊钩的摆角，然后调整大小车的加减速度。

2.3 机器识别系统

供料车间煤仓抓斗起重机智能化系统中的机器识别主要包括车辆识别（含车牌号、进场与离场判断）、堆场物料状态识别、煤台加料仓料位识别。

2.3.1 车辆识别

运输卡车进入煤仓作业区前，作业区车辆入口处的车牌识别及智能道闸系统，识别车牌号，车牌信息进入智能天车中控系统。

智能天车中控系统核对车辆车牌信息，若符合，则道闸自动开启，车辆驶入。

智能行车中控系统获得道闸控制器中的车辆入库信号，将行车工作范围进行锁定，确保卸车时的作业安全。

司机按照卸车规则完成卸料后，驶离作业区，智能行车中控系统获得道闸控制器中的车辆出库信号，对智能行车进行解锁。

若客户已部署TMS（运输管理系统），则智能天车中控系统还能通过系统对接，获取运单及物料信息。

2.3.2 堆场及煤台料仓物料识别

在起重机主梁下安装二维激光扫描仪，大车移动至堆场上方对该区域进行来回移动数次扫描。上位机系统根据扫描工控机获取的3D 点云数据，利用相应的图像及数据处理软件，实时计算出堆场物料边界、高度等状态信息。

2.4 地面辅助及安全系统

由于智能无人抓斗天车处于无人驾驶状态，自动化程度高，运输卡车等地面设备必然需要与无人天车系统产生信息交互，实现联动控制功能。

（1）部署就地电控系统，车辆司机可通过就地电控系统按钮或人机交互界面输入“卸车请求、紧急停止、继续卸车”等信号，系统也可向司机发出语音提示、声光报警等信号。

（2）就地电控系统也可部署于远程中控室内，司机的操作则相应由中控室值守人员完成。

（3）装车请求处部署网络电话机，便于地面人员和控制中心人员沟通。中控台上安装网络寻呼话筒，同时具备点对点拨号通话功能。

（4）天车上安装功放扩音器，可以利用中控台上的网络寻呼话筒对天车作业区域进行广播喊话，如滞留人员的驱离等，进一步强化天车自动化运行时的安全。

（5）部署带有人体闯入侦测和滞留侦测的智能网络摄像机，当自动化作业区域有人员滞留，或是卡车司机停留在司机室等非安全区域时，系统能进行有效识别并输出告警或停车。

（6）作业区出入口通道设置电子围栏，当自动化作业期间有人、车异常闯入时，系统能自动停车或发出声光或语音告警。

（7）作业区域设置物理围栏进行隔离。

（8）现场安装一台室外型LED 双色显示大屏幕，可滚动显示的内容包括：①行车当前运行模式和状态。②运输车辆是否停靠到位的信息反馈。③人员安全注意事项告知。④中控室的人机界面编辑的其他内容。

注：地面辅助及安全系统功能，视客户方生产条件以及对自动化程度要求等实际情况，可以安装部署上述（1）～（8）中的一种或多种功能配置。其中（1）和（2）为必选配置，其他6项均为可选配置。

2.5 视频监控系统

为使得在中控机房能够看到现场实时情况，方便相关人员对智能起重机的抓渣上料及卸车等作业进行人工干预和指挥，提升现场安全监控管理水平，需要在天车及现场相应位置安装部署网络摄像头，视频画面通过库区无线和有线通信系统回传至中控机房显示并可接入全厂监控网络。同时，为满足天车工能在中控室可进行远程连续操控作业的要求，视频系统的布置还应在远程操控的画面清晰度、视角、覆盖范围、系统实时性等方面进行合理配置。

2.6 网络通信系统

本项目网络通信系统包括有线和无线两大部分。其中有线数据通信主要负责地面与中控系统进行数据交换，无线数据通信主要负责天车现场的无线覆盖。

本网络通信系统采用的工业无线局域网具备5G网络接口功能，后期可与运营商实现技术对接，5G网络部署后，可实现中控室超远距离控制。

现场汇聚交换机至中控室核心交换机之间采用光纤传输，且为双线制，最大限度避免主干网络的单点故障，导致整个系统全线停车的问题。

所配置的高性能网桥采用5.8G 频段，频率高，信道相对纯净，传输带宽大。适合对数据传输要求较高的场景使用。传输带宽为450 Mbps 以上，在2公里的距离下，点对点传输带宽实测200 Mbps 以上。

2.7 智能无人抓斗天车中控系统

2.7.1 中控系统——硬件

①系统服务器和上位机。

②核心交换网络设备及视频后台处理设备。

③远程操控终端及自动作业监控管理终端，用于实现远程操控及自动作业监控管理操作。④中控设备配电及UPS 备电系统。⑤服务器柜及网络机柜。

2.7.2 中控系统——软件

无人天车软件系统主要用于抓斗智能天车的调度与管理，承接上位机系统或MES 系统生产计划，同时兼顾库区的激光扫描、车辆识别管理系统、安全、视频监控等设备的协同智能化管理，建立多系统非线性系统数学模型，设计最优算法，通过计划排程、设备调度、路径规划和提供多用户、智能化、模块化的控制系统，达到减少人工劳动强度、提高物料信息与设备安全、提升库区运行效率等目标，是整个智能无人天车系统中的核心组成部分。

3 结束语

与传统人工模式下精矿仓配料车间的物料操作管理方法相比，引入智能化无人化的抓斗吊天车系统，不但能够减轻人工管理成本，还能解决配料车间生产环境恶劣，人工劳动强度大，作业效率低，设备维护费用高等问题。基于此，以某有色金属冶炼股份有限公司的精矿仓配料车间中经过智能化改造的无人化抓斗吊天车系统为例，在介绍该系统作业流程、功能模块的基础上，着重介绍了其各个技术系统的应用，希望能为实现该企业行车加料的智能化全自动运行而有所帮助。