轧后库无人化起重机控制安全策略的研究*

张 勇 张卫斌 王 栓 陆顺峰 王朱涛

1 江苏省特种设备安全监督检验研究院 苏州 215600 2 江苏沙钢集团有限公司 苏州 215625

0 引言

市场监管总局印发的《特种设备安全与节能事业发展“十四五”规划》指出，要切实提高特种设备安全监管效能，加快起重机械损伤感知与健康监测技术创新。特别是冶金行业的桥式起重机工作环境更为恶劣，金属结构长期承受高温辐射，并且在表面往往会沉积大量冶炼过程中产生的灰尘。由于这些因素的影响，起重机面临着使用管理、检验检测、市场监管等方面的痛点、难点。因此，冶金企业的起重机亟需整体健康状态评估与预警，控制生产管理、检验检测、市场监管等各个环节的风险。

无人化、自动化是起重机械发展的一个重要方向。无人化起重机在国内的探索与研究正在开展，工信部“建设智能制造标准试验验证公共服务平台（5G 新一代信息技术与钢铁行业融合）”项目明确提出，要制定《智能制造 钢铁行业 无人化起重机通用技术要求》标准，该标准的制定将对我国的无人化起重机的研究与开发起到指导作用。

当前，网络技术、智能感知技术、协同与控制技术得到了空前发展。对冶金行业而言，加快企业智能化进程，深度融合工业化和信息化将为冶金企业带来新的机遇和发展。

冶金企业的起重机预警平台包括数据采集、数据传输、及数据分析等模块。自安全技术规范出台至今，各类厂家生产的起重机械安全监控管理系统趋于完善、成熟、稳定，并已广泛应用于不同类别和使用场合的起重机械。胡静波等[1]从数据来源、现场采集技术、大数据预处理、大数据存储技术、大数据分析技术、大数据挖掘方法、多类型用户平台架构和软件实现等角度分析了起重机安全监管大数据平台建设的难点；王松雷等[2]分析了目前起重机械监管存在的困难和原因，采用物联网、4G 和云平台技术，以无线遥控器为核心，研发了一套综合性监管平台，可以实现安全监控、安全监管、智慧维保、智慧特检等功能，开发了硬件系统、终端小程序、远程监管平台，便于相关人员使用。传感器优化布置是冶金企业起重机整体健康评估研究中十分重要的问题。基于动态特性的健康评估通常需要安装多个传感器，其安装位置及数量对准确检测结构动态行为具有十分关键的影响。Qin X R 等[3]利用改进的单亲遗传算法，提出了一种基于初始传感器布局的传感器优化布置方法，通过港口集装箱起重机的算例验证了该方法的有效性和可靠性；对于实际工程结构，往往需要考虑多个传感器布置性能要求，Saleem M M等[4]利用卡尔曼滤波及多目标遗传算法，实现了桥梁的多目标传感器优化布置。

分析已有文献，发现现有研究的无人化起重机安全控制系统有如下问题：

1）针对传感器优化布置问题的研究颇多，从单目标到多目标优化、单工况到多工况数据、单类型到多类型传感器，这些方法都较好地实现了特定环境下特定结构的传感器优化布置，而冶金企业起重机因结构复杂性与载荷多样性等因素所致多类型传感器的多目标优化布置问题尚待进一步研究。

2）市场上冶金企业的起重机安全监管系统日趋完善、成熟、稳定，能较好地应用于特定场合下特定设备的安全监管，但系统的可迁移性不够，且不大部分研究是硬件和软件安全、起重机和数据管理分开研究探索，并没有将其联动设计研究。

轧后库起重机是对轧制后的钢板进行深加工的重要机械，本文对轧后库起重机的无人化控制的安全策略进行研究，无人化起重机安全策略主要分为硬件安全策略和软件安全策略。通过硬件和软件安全、起重机和数据管理联系开发，望能为无人化起重机的发展提供有益探索。

1 无人化起重机硬件安全策略设计

本文研究的对象是位于江苏某公司冷轧板轧后库8台通用桥式起重机的无人化实施过程。

轧后库是钢板冷轧等待并进行后继深加工的中间库区，轧后库的起重机械是冷轧钢卷存卷、挪库及深加工的重要生产设备。根据起重机械使用单位的技术要求，结合轧后库自身的特点，在对现场起重机械及库区物流流程详细了解的基础上，参照TSG Q7016—2016《起重机械安装改造重大修理监督检验规则》、GB/T 6067.1—2010《起重机安全规程 第1 部分总则》相关规定，对轧后库起重机械无人化改造项目的8 台通用桥式起重机控制安全策略进行了设计。

冷轧板轧后库共有2 跨，其中北跨5 台、南跨3 台起重机。库区涉及4 个过跨车、5 个步进梁、3 个汽车运输线、2 个打包区，库区布置如图1 所示。

图1 轧后库布置图

起重机自动控制功能包括：操作方式、起重机本体自动控制系统、传动控制系统、定位控制系统、防碰撞系统、吊具控制系统、防摇摆控制系统和数据系统等，实现起重机无人驾驶、精准定位、自动吊放钢卷等功能。通过对起重机进行无人化改造，使其具有自动、遥控、手动、检修4 种操作模式。

起重机本地自动化系统包括：对所需改造的起重机进行本体自动化改造，新增安全型PLC，系统以主从结合，全部采用以太网通讯方式。具体改造是在起重机电气室布置控制器，在司机室、夹钳信号柜内布置远程I/O，减少起重机连接电缆，以满足无人起重机的高可靠性控制要求，降低线路故障排查工作，减少电缆维护工作[5-8]。

1.1 传动控制系统

起重机大小车、主起升传动系统变频器控制均采用通讯控制，并在钢丝绳卷筒出轴处安装绝对值编码器用于测量主钩高度；更换7 台起重机主起升电动机为变频电动机，同时新增主钩变频器，主起升变频器采用闭环电流矢量控制算法或DTC 直接转矩控制算法，可实现零速松闸或合闸，减少对制动器、钢丝绳的磨损，减少维护费用，延长使用寿命；对起重机的大、小车减速电动机进行改造，变频器利旧，大小车运行采用矢量化VF 控制算法，实现多个电动机之间的运行同步，精确实现刹车制动，同时启动停止更柔和，减少起重机启停时冲击负载，减少起重机轮对轨道的磨损，延长大、小修时间。另外对主起升机构、大小车机构加装在线振动、温度等检测传感器。

1.2 定位控制系统

库区需新增起重机定位设备，大车采用格雷母线定位方式，小车采用激光测距定位方式，且所有起重机都新增Z轴绝对值编码器测定夹具高度，新增夹具旋转编码器测定夹具旋转角度。

1.3 防碰撞系统

增加防碰撞功能，保证在PLC 系统或定位系统出现问题的情况下防碰撞系统仍然有效，防止起重机之间发生碰撞事故。

1.3.1 起重机间防撞

同一跨存在手动或遥控起重机时，需要考虑与无人起重机的防撞与避让，防撞策略为：

1）手动/遥控起重机增加大车测距功能、指示灯；

2）无人起重机运动时，如果被手动/遥控起重机挡住，则通过指示灯通知手动/遥控起重机避让；如果没有被挡住，则锁住运动路径进行运动；

3）手动起重机进行手动移动时，经起重机PLC 判断是否碰到被无人起重机锁住区域，如碰到则手动起重机无法通过；

4）手动起重机与无人起重机双向之间安装有激光测距仪，当发现对方离自身距离小于安全距离时进行停车；系统具有起重机规避安全通道功能，起重机在自动运行中，按照设定路线吊卷或者空载行走，避开安全通道及工艺要求的安全区域。系统具有地面障碍物回避控制功能，在无人起重机的移动区间里存在地面障碍物时，吊具以最优路径向目标移动，实现安全吊运、避免与障碍物相撞的控制（见图2）。

图2 起重机避让危险区域

1.3.2 避让功能

系统具有多台起重机之间避让功能，该规避功能的实现包括3 个层次。

1）起重机之间的规避按照后车避让前车的原则，由无人起重机自动化控制系统(Warehouse Management System，WMS)安排避让调度指令，按工作指令优先级优化起重机之间的防撞控制。先接到指令的起重机优先动作，排在后面的起重机避让排在前面的起重机，一个起重机运行，一个起重机回避；

2）地面安全控制器实时采集起重机运行的坐标数据，执行20 m减速运行，10 m制动功能（该距离可设置），实现起重机之间的安全避让；

3）起重机本身具有激光距离检测传感器和限位开关实现最终的防碰撞保护，一旦监测到越限则按照设定的程序动作。

1.3.3 固定危险区域吊运轨迹最优设计

冷轧厂酸轧车间轧后库钢卷存放位置、吊运轨迹的优化直接关系到整个库区的运行效率和起重机运行能耗，本方案自钢卷入库之后，全程进行库位的优化计算。

钢卷入库时，WMS 系统跟踪作业规则自动确定最优的存放区域；多个库的钢卷推荐算法的推荐规则根据车间业务需求确定。系统根据制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）的上料计划实现自动倒跺，将目标钢卷提前摆放到上料口附近。根据最优吊运效率要求，自动分配起重机执行本吊运任务、自动调度起重机执行，实现库区作业效率最优。起重机自动避让障碍物，自动规划路径，并且实现无静止点通过，大大提升库区起重机的运转效率[9，10]（见图3）。

图3 无人起重机无静止点通过示意图

2 无人化起重机软件安全策略设计

无人起重机的自动库管系统是在常规库区管理系统WMS 基础上增加了各类自动化设备接口、库区自动作业管理、起重机调度、无人控制、远程监控等功能。自动WMS 系统是无人起重机的控制核心，在系统发生故障的情况下能够确保数据不丢失。

2.1 库区起重机作业自动排程

起重机WMS 系统根据库区业务计划自动形成起重机作业。一条完整的起重机作业主要包括：吊卷位置、放卷位置、钢卷属性(钢卷的ID、宽度、自重、质量、外径和内径)以及作业路径等，MES 通过相关的通讯接口实现信息的交互。系统根据作业优先级、起重机位置、起重机状态等信息，调度库区起重机分配起重机任务。

2.2 多起重机作业自动调度

对运输钢卷的起重机实时状态进行监控，根据作业任务合理分配作业指令，引导、协调相关转运设备完成钢卷的运转任务。起重机作业实时状态显示在终端画面上，同跨多车同时作业时，具备冲突和实时调度功能，以免起重机作业时相撞造成事故。系统具备优化管理功能，包括起重机作业指令优化、吊运路径优化、多车任务优化、物料存储优化、起重机避障路径计算等，库管系统规则要求可自定义。

2.3 起重机与设备的联锁控制

当起重机作业与地面移动设备有关时，起重机中控系统会根据移动设备的状态实时控制起重机。当起重机执行上料作业指示时，起重机中控系统会与生产线控制系统实时交互，完成设备动作安全连锁设置、吊放位置确定和钢卷信息的传送。当起重机自动作业顺利完成后，将作业结果同步到生产线控制系统，并解除设备安全联锁状态，做到产线生产与起重机作业安全无缝对接和谐生产。

2.4 人机交互和 HMI 操作控制

在无人起重机控制室中布置相应的操作站，操作员在控制室通过人机操作系统（Human Machine Interface，HMI）监控整个库区的运行（见图4），HMI系统即WMS 的客户端，客户端包括：库区库存图形化显示、用户管理、设备智能配置、垛位钢卷信息化管理、人工干预、应急处理等功能。

图4 总览界面

可对起重机等设备进行实时信息展示查看（见图5），并具备模式切换、上断点、急停等控制指令下达功能。客户端操作界面设置登录管理，操作权限分组管理。权限由低到高分别为只读权限、可操作权限、可配置权限、厂家权限。只读权限用户只能查看设备、作业、配置等信息，不能修改，一般适用于上级领导查看信息。可操作权限用户可以切换设备模式、调整作业顺序和内容，但不能进行配置，一般适用于库管值班人员。可配置权限除了有操作权限外，还可以对库管系统进行配置，如修改作业优先级、修改作业范围、修改垛位禁用等，一般适用于维护人员。厂家权限包含所有权限，以便厂家进行维护和升级。

图5 起重机信息控制界面

3 应用实例

采用以上硬件程序防护、软件程序防护的无人化起重机的控制系统目前已在轧后库的起重机上试运行。根据现场钢卷库存管理要求，通过无人起重机位置跟踪、防摇摆和防碰撞等控制技术可实现起重机无摆动、无冲击吊运；实现垛位分配、起重机调度、起重机路径规划、危险区域管理、无静止通过等功能，实现库区全过程跟踪与智能优化调度，达到减少工作强度、提高信息化程度、提升设备安全性、提升库区运行效率等目标。

目前，该项目已经可以完成以下功能：1）以物流自动化为基础，利用库存管理平台和无人化起重机调度与控制，对钢卷的入库、起重机的作业调度、倒垛、倒跨、出库等过程进行全面跟踪，实现库房的精细化管理。2）优化人员结构，实现人员合理配备。利用统一监控、调度平台，实现库区无人化设备、系统集中化管理，进一步缩减人力投入。3）保障钢卷吊运质量，避免钢卷操作损伤。4）延长设备维护周期，降低事故率。5）起重机吊运作业标准化，提高起重机运行效率。

4 结论

经现场对该无人化起重机进行检验验证，该无人化起重机的控制系统符合特种设备相关规范的要求，可以实现起重机械无人化运行,全方位提升了智能工厂的生产效率。