无人化导向的预堆垛系统研究范文

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摘要:预堆垛机是厚板产线钢板入库前的最后一个设备，国内外的厚板产线多有设置。介绍了预堆垛的生产工艺，阐述了通过预堆垛机收集钢板的作用及作业流程，分析了目前使用中存在的不足。根据近年来相关技术的发展，提出了基于无人化导向的预堆垛系统方案，对方案中的指令设定、本体动作、电磁控制、视频识别四个功能模块进行了论述。认为通过技术升级，可以实现无人化作业，达到提升劳动效率和市场竞争力的目的。

关键词:预堆垛机;无人化作业;视频识别

国内建设的厚板产线较多在精整线末端设置了钢板预堆垛设备，用于将入库前的钢板在厚度方向上堆叠后再一起入库，如宝钢、沙钢、湘钢、新钢等厚板厂都采用了相同的配置［1－3］。据不完全统计，预堆垛设备大都运行在半自动或手动状态，投入率较低。近年来，随着社会技术的快速发展，诸如视频识别、仓库管理、电磁控制等相关技术［4－8］不断成熟，现场检测元件灵敏度、稳定性也有了大幅改善，提高自动化水平已有充分技术支持。

1厚板厂预堆垛生产工艺

1．1预堆垛收集钢板的目的和原则入库前使用预堆垛收集钢板可以起到如下三个方面的作用:①将钢板堆叠在一起，减少了占用面积，使得后续的辊道、收集台架容纳钢板的能力倍增;②减少了成品库行车的吊运次数，大幅缩短了行车的作业时间，并减少了相应的能源消耗;③由于预堆垛设备拥有独立的定位系统及短距调整，使得钢板堆垛更加整齐，对改善成品库形象有一定作用。文献［9］认为钢板收集应遵循以下原则:①同一吊的钢板必须是同一批号、同一牌号、同一规格、统一尺寸的钢板;②定尺板与非定尺板应放置在不同台架上，分别吊运;③非定尺板(同一宽度)吊运时，长板在下，短板在上;④每吊的钢板质量或数量要符合吊运设备规定或满足用户要求的原则。预堆垛也是钢板收集的一种形式，理应遵循上述一般原则;同时也应认识到，预堆垛是钢板成品库堆垛的“预先的”实现，在符合电磁起重设备规定前提下成品库钢板垛放的规则亦可在此适用。这随各单位成品库管理的不同而各具特色。

1．2预堆垛收集钢板的流程预堆垛收集钢板的一般流程为:上工序通过辊道输送钢板→预堆垛机组接收钢板并定位→起重机构下降→电磁机构调磁吸附钢板→起重机构吊起钢板上升→等待下一块钢板→……→该堆垛最后一块板→预堆垛机组接收钢板并定位→起重机构下降→电磁机构卸磁放下钢板→起重机构上升→堆垛过程结束。辊道将堆垛钢板送往成品库指定位置，等待行车下线。

1．3存在的问题目前预堆垛投入率不高，自动化程度较低，受困于如下几个问题:(1)预堆垛使用策略不完善。涉及哪些钢板可以一起堆垛、怎么使用预堆垛等问题。精整区域工序及工艺路径多是中厚板生产的特点之一，诸如缓冷、火切、冷矫、修磨等工序使得钢板很难按照计划集批进入成品库。而预堆垛机则是收集同属性(牌号、规格、客户等)的钢板，固定的策略难以适应多变的现场生产。(2)本体动作控制程序不完善。与预堆垛使用策略相应，不同的使用策略需要不同的动作执行来落实作业意图，在使用策略没有较好解决前只能靠操作人员的应变达到目的。(3)预堆垛起重机构与起重行车类似，调磁、卸磁、调磁量需要人工根据经验手动调整。(4)实物信息的一致性需要人工校验。自动化系统(含基础自动化、过程自动化)在某点或某事件获得物料的初始化信息，之后再在计算机的控制下加工处理。虽然有检测元件辅助物料跟踪，但仍旧不能完好实现信息、实际物料的吻合，需要人员目测核对。

1．4改进方向(1)完善使用策略，设计符合实际需求的指令设定系统。(2)根据使用策略完善本体动作控制步序、动作逻辑。(3)根据使用策略研究并细化磁力控制系统。(4)引入机器视觉中的视频识别技术，进一步解决实物信息“两张皮”的问题。

2基于无人化导向的预堆垛系统组成

基于无人化导向的预堆垛系统的主要功能模块有指令设定模块、本体运行控制模块、电磁控制模块和板号识别模块。各模块协调工作，共同完成钢板预堆垛任务。系统功能结构图如图1所示

。2．1指令设定模块指令设定模块是指根据一定的算法规则设定钢板的作业指令，包括预堆垛动作指令、钢板去向指令两部分内容。指令生成后通过电文形式下发给基础自动化系统。初始状态时，送往预堆垛机的钢板在一定区域内进行检索，若该区域内存在两块以上可堆垛钢板，则生成首块钢板作业指令;之后钢板根据条件匹配首块板，条件满足就生成堆垛指令。预堆垛内的钢板达到数量、质量或某种限制时，结束堆垛，预堆垛机释放钢板，交给L1基础自动化控制。钢板去向与堆垛指令密切相关，由于存在成品钢板入库“目的地不唯一”的情况，引入“匹配系数”的概念，即在多去向可能时，对各去向适合堆放钢板的程度作出评价，以最佳结果作为实际执行的钢板去向。算法考虑下列要素:设备结构、钢板规格、客户、成品库存、L3对钢板堆垛的分配、后续同类型钢板的限制等。为适应生产的变化，赋予相关人员调节指令边界条件的途径，如堆垛最大数量限制、首(末)块钢板指令、影响“匹配系数”的因素权重等，管理人员可进行离线管理，使自动效果朝着人们期望的方向运行。

2．2本体运行控制模块本体运行控制是指根据作业指令，自动顺序地执行钢板预堆垛的动作，包括钢板内部跟踪定位、两套起重机构的横移和升降、信息(L1＆L2)的处理。在自动模式运行的状态下，上位机下发设定指令，预堆垛接手钢板控制，执行内部跟踪，依照一定的速度曲线设定钢板运行速度，配合末端挡板的使用，准确控制定位精度。起重机构横移和升降由安装在本体上的绝对值编码器和限位进行控制。由于预堆垛机本身质量较大，运输钢板的时候如果速度过大，产生的惯性也就越大，相应地会影响定位的精确性;如果速度过小，跟不上生产节奏，影响了物流的速度。对应于这种情况，设计变速运行控制，即在离目标值的一定范围内低速运行，超过这个范围则高速运行。这样既保证了定位的精确性，又保证了生产节奏的快速适应。钢板实物位置发生了变化，自动化系统跟踪影像的逻辑位置也应随之改变，完成堆垛的钢板以虚拟的影像进行跟踪。

2．3电磁控制模块电磁控制模块需要确定磁铁选择数量、电磁吸盘吸力的大小，以适应规格不同、块数不同钢板的吊起。根据钢板的长度及设计定位，可以很容易确定需使用的磁铁数量及分布。而磁力应当满足既能将钢板安全吊起，又不至于因吸力太大而对其他设备造成损害。根据麦克斯韦电磁场理论，电磁吸力大小与磁力线穿过磁极的总面积及气隙中的磁感应强度的平方成正比。如果磁感应强度(B)沿磁极表面是均匀分布的，则电磁铁的吸力计算公式［10－11］为:F=B2S2μ0(1)式中:F为电磁力，J/cm;S为磁极表面总面积，cm2;μ0为空气磁导系数，为1．25×10－8H/cm。以式(1)为基础建立等效电路模型，文献［10］推导出了电磁力与电流(I)的关系式(2)，其中a为常数，可通过现场的的优化调试确定。F=aI2(2)忽略钢板密度变化的影响，根据钢板的规格转化为钢板质量，通过式(2)即可确定励磁电流的大小。在确定常数数值的基础上，通过对控制程序进行优化，使自动励磁程序达到最佳状态，得到最好的效果。

2．4钢板号识别模块钢板号识别模块主要完成钢板实物的识别以及与信息系统的校对，确保作业钢板正确，是做到与实物信息一致的重要措施。为解决实物信息核对依赖人工的问题，引入视频识别(Videoidentification)技术，智能识别钢板标志，采集相关钢板信息。在预堆垛前设置设备。视频识别采用高端视频分析技术，依据具体环境，详细辨认实时视频图像，可对人员异常行为、设备故障、产品外观缺陷、烟雾环境以及产品批次号进行分析识别［12］。该技术广泛应用于智能交通、治安监控、停车库等领域，在社会生活中已经非常成熟。基于网络视频识别技术的智能煤炭运输系统已于2015年上半年在神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿试运行成功。厚板产线的作业环境对设置视频识别装置的优势在于:一方面，由于设置厂房内部可以保证不受雨雪云雾等外界环境的影响，通过辅助光源可保持光线基本稳定;另一方面，检测区域受控，可以保证非钢板的目标不出现。这些特点对于视频识别系统的稳定工作及技术处理是非常有利的。根据系统的功能性需要，对系统进行总体设计，首先描绘出了系统的总体拓扑结构图［13］，见图2。把专用摄像机采集的视频图像作为输入，对这些序列图像进行分析，提取场景信息，然后利用数字图像处理、模式识别和计算机视觉技术，实现板号的自动识别和钢板跟踪，提取出以一定格式命名(如板号、时间)的视频摘要保存，便于查看或分析。根据生产需求，对视频识别系统提出如下关键参数要求，便于设备选型。(1)平均检测时间(MeanTimetoDetect)小于2s，满足1500块/d的入库需求。(2)检测率(DetectionRate)大于99．9%，确保生产稳定运行。(3)误报率(FalseAlarmRate)不大于0．5‰，减少异常的发生。

3预计应用效果

通过对预堆垛系统的深入研究，细分为4个控制模块，各模块协同工作，共同实现钢板预堆垛无人化的目标，达到提高劳动效率的目的。由于钢板堆垛后再进入成品库，考虑多块堆垛和未堆垛钢板等因素，行车下线钢板作业效率约能提高50%，同时能耗也将明显降低。经预堆垛的钢板对齐更好，利于成品库钢板堆垛形象的提升。

4结语

(1)预堆垛在厚板生产中有着重要作用，重视其应用对厚板生产有很大益处。(2)视频识别技术近年来发展迅速，在社会生活中的应用已经非常成熟，在重工业生产中亦有成功案例，将该技术应用到厚板生产中是可行的。(3)预堆垛机无人化操作是一个探索性工作，要使目标完成不仅需要良好的设计还需要后续大量的调试细化工作。

参考文献

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作者：赵勤平 单位：宝山钢铁股份有限公司厚板部