铸造起重机智能化发展展望

2022-12-27焦志强

起重运输机械 2022年4期

周继焦志强

太原重工股份有限公司技术中心太原 030024

0 引言

随着《中国制造2025》战略规划的全面实施，钢铁行业正在逐步调整产业结构布局，推动智能化转型，实现高质量发展。2019年召开的中国钢铁协会年会确定了下一阶段重点发展目标为将智能制造融入冶金工业流程。宝钢、鞍钢、首钢等钢企均将建设智慧钢厂作为后续发展目标，钢铁行业对智能化的需求不断加大。铸造起重机是吊运液态熔融金属的关键设备，是炼钢工艺中的重要组成部分，实现铸造起重机智能化转型，是智慧钢厂最终落地的重要前提条件[1]。铸造起重机工作环境恶劣、工作级别高，发生事故所造成的危害特别严重。提高铸造起重机智能化水平，可改善工人的工作环境、降低劳动强度、提高设备整体管理水平；并通过减少人员干预降低事故发生率，提升生产安全性；同时，还能提高转炉、连铸、吊运等多个部门之间的工艺协同能力，优化炼钢工艺步骤之间的衔接，提高生产效率[1]。

本文针对钢厂铸造起重机智能化实际应用需求，探索铸造起重机智能化重点发展的几个方向，以提高我国铸造起重机智能化转型的质量。

1 远程集控

远程集控是铸造起重机智能化中不可缺少的部分，可通过安装在远程操作室内的操作台，远程操作所连接的铸造起重机。远程集控的重要作用之一是承接自动控制部分的手工介入功能。在起重机自动运行过程中，当碰到一些需要手动介入确认的步骤时，安装在起重机上的自动控制功能PLC 会向远程集控系统发出远程介入请求，远程集控系统服务器在接收到来自起重机自动化模块的手动介入请求后，会通过任务池确定由哪一台远程操作台连接到起重机去处理起重机的手动介入任务。当任务发送到响应的操作台后，屏幕会提示司机需要进行何种操作任务或确认步骤，使司机快速处理手动介入任务。当手动任务处理完成后，自动模块返回到自动模式继续执行任务。这种以自动模块作为流程管理系统的结构可最大限度地提高工作效率，减少人工介入的时间，增加手动操作的便利性。

采用远程集中控制的方式，使1名起重机司机监管控制多台起重机运行成为可能，改善了起重机司机的工作环境, 降低了起重机司机的工作强度，提高了起重机的工作效率。今后的发展方向是如何充分利用视觉识别技术和任务调度技术，进一步提高起重机司机远程操作效率。通过一人对多机远程集控系统的开发，在起重机自动或半自动运行的状态下尽可能提高司机操作监控的可靠性与安全性，保证车间工艺流程高效运行，满足现场使用需求。

2 自动运行

自动运行是铸造起重机智能化的核心部分。根据铸造起重机的工艺特点，自动运行中的关键模块包括自动巡航、自动挂钩及自动坐包。

自动巡航是指起重机接到来自铁钢包物流系统的调度指令后，按照设定的最优安全路径自动运行到指定位置。起重机自动巡航依托于行车三维定位系统、智能自动防摇、防碰撞、天地互通等技术[1]，要求各个工位坐标已知且精度满足要求。自动巡航由安装在起重机上的PLC执行。

自动挂钩是指起重机接到来自铁钢包物流系统的调度指令后，根据钢（铁）水包与吊钩的相对位置，自动完成吊钩挂住钢（铁）水包耳轴并确认挂好。自动挂钩技术是铸造起重机自动运行最大的难点。该技术主要包括2部分，一是起重机各机构的联动运行，二是吊钩和耳轴相对位置的确认及反馈。起重机各机构的联动运行依托于三维定位系统、智能自动防摇、天地互通及自动控制等技术，在当前的技术条件下能够实现。难点在于吊钩和耳轴相对位置的确认及反馈。由于吊钩与钢包的工作环境及工作模式无法加装传感器，只能采用智能感知的方式获取该信息。

自动坐包是指起重机接到来自铁钢包物流系统的调度指令后，根据钢（铁）水包与座包位的相对位置，自动巡航到座包位放下钢水包、完成自动脱钩任务并确认吊钩与钢（铁）水包耳轴脱离。自动坐包技术同自动挂钩技术具有相同的技术要求构成，其难点在于吊钩与钢包耳轴脱离后的确认及反馈。

为了降低作业人员干预度和作业强度，真正意义上实现行车一键式自动巡航和工序接力，需在动态运行中实现高精度三维空间精准定位。但是由于整个冶炼过程中需要参与的设备众多，某些设备（如钢包）在现有工艺条件及设备运行条件下，无法提供准确的三维空间定位信息，因此，如何获得准确的三维空间信息对于现有设备智能化改造十分必要。

3 智能感知

智能感知是解决铸造起重机智能化难点的有效手段。智能感知是人工智能的一个发展方向，是指将物理世界的信号通过摄像头、麦克风或其他传感器的硬件设备，借助语音识别、图像识别等前沿技术，映射到数字世界，再将这些数字信息进一步提升至可认知的层次。即通过感知设备实现视觉、听觉、和触觉等感知能力。人和动物都是被动感知的，而机器可以主动感知红外雷达、微波雷达、激光雷达等。

可利用智能感知中的机器视觉解决自动运行中自动脱挂钩识别、获取设备三维空间位置信息等难题。机器视觉又主要分为2D视觉和3D视觉。炼钢厂环境条件恶劣复杂，温度高、光线差、粉尘多，通过实际测试，2D视觉（图像识别）无法满足炼钢厂恶劣环境下的可靠识别；3D视觉技术则可通过无线探测技术适应炼钢车间多粉尘的环境。今后的发展方向和研究重点有2个，一是通过优化算法，提高自动脱挂钩的识别成功率；二是通过硬件及软件的融合优化，提高位置识别精度，以保证起重机自动运行的可靠性。

4 智能监测

铸造起重机常常存在着某些非健康的“病态”影响因素，如金属结构的塑性变形、疲劳破坏、脆性断裂、整体或局部失稳等危险状态；机构或设备由于磨损、断裂、变形（畸变）、腐蚀（气蚀）导致出现异常状态；电控设备由于触头粘连、触点磨损、元器件老化和腐蚀等出现异常状态；安全防护装置失灵也会导致起重作业出现超载、碰撞、过卷扬等不安全行为状态。这些损伤、异常、不安全行为等“病态”问题，若不加以排除并及时维护管理，到达一定程度就会转化为失效、故障、失误等“严重疾病”，必将引发或导致重大安全事故。

利用物联网技术，针对铸造起重机这一复杂系统，开展健康状态方面的深层次“病态”机理研究，通过系统健康状态监测数据处理得到综合评价方法将是今后的重点发展方向。

5 人机交互

起重机司机在操作过程中往往注意力全集中在起吊过程中。为提高起重机运行安全性和使用效率，增加语音交互功能是很有必要的。司机在操作过程中，通过语音进行指令下达，操作起重机完成常规任务。同时，在发生紧急情况时，通过语音报警提醒司机当前起重机面临的问题，可大大提高起重机的安全性。故语音交互功能的研究也是今后的一个重要发展方向。

6 数字孪生

数字孪生技术是将具体的物理产品进行数字化表达，方便用户通过数字化产品来观察实际产品可能发生的情况。通过仿真模型参数将其传递到按产品制作的三维模型，能实时、动态地评估产品当前及后续寿命期间的功能和性能。而在产品使用过程中，收集传感器及其他相连接装置的数据，并加以分析利用，就能在早期产品设计时，将生产制造和运营维护需求融入进去，从而完成智能优化改进。

将数字孪生技术应用在铸造起重机上，有助于把控设备的实时状态、有助于实现对设备实体物理特征的精准分析、有助于指导铸造起重机整个寿命过程的运行维护[5]。今后的重点发展方向：一是建立铸造起重机数字孪生模型，二是增强现实与虚拟现实技术在铸造起重机数字孪生模型中的应用，实现在线数字化的监测数据与数字孪生模型同步映射。