1　概述

钢铁工业是国民经济的基础产业。当前，我国虽然已建成全球产业链完整的钢铁工业体系，但钢铁产业仍面临产能过剩、降本增效、节能减排、创新发展能力不足等严峻挑战。钢铁产业处于结构调整、转型升级的关键阶段。在传统的行车吊运工作中，一台行车如果要完成一次钢卷吊运，需要一位机组操作室通过对讲机和吊运计划单传递吊运信息，需要一名行车工操控行车，一名库位工找准库位。流程不仅繁复而且存在人员需求量大、信息丢失、危险系数高等一系列难题。

2　主要目标

全自动行车和库区智能管理系统的投入将实现行车的无人运行，在车间经过智能改造后，只需要编制好生产计划、转库驳运计划，系统就能自动分配任务并设定行车行驶路线完成吊运作业，24 小时不间断运行，并带来以下效果：

（1）信息流与实物流一致：IT/OT 融合，贯通上下游信息，库存变动信息全程跟踪并实时反馈给 MES 系统。

（2）提高运营效率：利用全局优化算法和动态堆场资源分配技术，实现行车智能调度，跺位合理分配，物料存储优化和路径优化，最小化倒垛和上料时间，提高板坯热送热装比例，提高作业效率。

（3）提高生产安全性：行车实现无人化的智能调度，降低人与设备之间的交互，消除安全隐患，带来极大的安全效益。

（4）提高劳动生产率：取消行车操作工，减少地面工作人员，优化人力资源配置。

（5）提升产品质量：采用精准定位、3D 识别、闭环防摇等先进技术减少人为吊运过程中造成的物料损坏，并可延长设备的使用寿命。

（6）智能化运维：通过提高库区自动化和信息化管理水平，实现实时状态监视，数据分析、预测性维护等功能，帮助客户降低运营维护成本。

3　解决方案介绍

IACS无人行车系统（Integrated Autonomous Crane System）由施耐德电气率先研发并推出，其方案可以概括为：一个基础平台，四大核心系统，十二项创新性关键技术。

3.1　一个基础平台

基于施耐德电气EcoStruxure™物联网架构与平台，通过互联互通的产品、敏捷稳定的边缘控制系统，以及丰富强大的应用、分析与服务，实现信息技术（IT）与运营技术（OT）系统的融合，提高库区自动化、信息化、智能化管理水平，自动完成入库、出库和倒库等工作，保持信息流和实物流的高度一致，提高库区运营效率，如图1所示。

图1 施耐德电气EcoStruxure™物联网架构

3.2　IACS无人行车系统架构（四大核心系统）

图2为IACS无人行车系统架构，主要包含四大核心系统：

图2 施耐德电气IACS无人行车系统架构

（1）库区管理系统（Warehouse Management System，WMS）

• 贯通上下游信息，打破信息孤岛，保持信息流与实物流的高度一致；

• 向上接受L3系统生产计划，同时将库存变动信息实时反馈给MES系统；

• 向下协调行车自动化系统和地面控制系统的高效协作，提高运营效率。

WMS作为ICAS无人行车架构中重要的组成部分，负责库区内产品的存储管理，实现产品的可追溯；管理生产计划，采用数字化的管理、自动生成报表替代现有的人工管理以及纸质化工作方式，优化生产流程和管理规则，合理分配库区存储分布，确保库区内的行车和地面设备安全和高效的协作，提高运营效率。

（ 2 ） 行车自动化控制系统（Smart Crane Automation System，SCAS，如图3所示）

图3 行车自动化控制系统架构

行车自动化控制系统作为IACS无人行车系统中重要的一部分，承担着物料吊运的重要工作，对保障系统整体效率起至关重要的作用，同时兼顾设备运行的安全性。系统的设计充分考虑了机械因素、灵活性和手自动切换因素，采用先进的算法（平滑的制动器释放、控制曲线、转矩控制、转矩平衡等），使行车能够实现如下功能：

• 高性能的防摇和定位，所有运动可以同时进行而不降低系统的性能，闭环防摇和定位可以确保系统在达到目标位置时无晃动；

• 3D货物识别和检测（2D扫描在运行过程中完成，在减速并且到达目标位置时，完成实物识别）；

• 动态环境识别（产品定位、卡车等），确保位置的安全型，避免损坏；

• 路径控制算法负责寻找到达目标位置的最短路径，同时考虑安全因素；

• 精确的大小车定位，方案的选择基于现场环境；

• 卷筒侧的位置编码器和安全编码器用于测量起升钢丝绳长和执行安全校验，保障系统高安全性；

• 所有采用的传感器都是重型和工业型的，适应恶劣的工作环境。

（3）行车监控系统——EcoStruxure™起重专家

行车监控系统EcoStruxure™起重专家，可实时反馈行车的作业状态，并记录历史运行曲线，具有动态视频回放功能，帮助客户掌握行车在发生故障时的运行信息，相比于简单的静态数据，动态视频回放的方式更加直观，更容易帮助维护人员分析故障，减少停机时间，如图4所示。此外，EcoStruxure™起重专家凭借数据分析和预测性维护功能，助力客户实现库区的智能运维，大大降低企业的运营维护成本。

图4 行车监控系统

（4）地面控制系统（Ground Control System）

地面控制系统主要包含两部分，一部分为地面设备控制系统，负责地面设备的自动化过程控制以及与原机组自动化系统连锁控制；一部分为安全控制系统，负责监控区域内设备和人员的安全，如地面作业人员区域、卡车出入区域等。

3.3　十二项创新性关键技术

（１）实时扫描与3D识别技术

行车在库区运行时对扫过区域进行实时扫描，2D扫描在运行过程中完成，在减速并且到达目标位置时建立3D模型。

（2）动态三轴联动技术

行车XYZ轴联动控制功能：同时控制纵向/横向/高度方向联动，优化行车作业时间，提升物流效率。

（3）闭环防摇控制技术

高精度的闭环防摇控制技术，有效减少物料摇摆，实现行车和物料的精准定位，提高行车作业效率。

（4）行车路径优化技术

根据下道工序以及码垛原则，系统自动合理分配库位，依据目标库位分配的结果，路径控制算法寻找到达目标位置的最短路径。

（5）运行中禁吊区避让技术

行车在运行过程中，行车与目标点中间突然增加封锁区域，行车可及时回避封锁区域，在运行状态下重新选择新的路径，而不需要停车后重新计算新的路径。

（6）多行车协作防撞技术

多行车间距实时测量，安全区间自动校核，行车位置实时跟踪，保证高效运行，采用微波防撞传感器长期运行无信号衰减，高温环境运行可靠性高。

（7）板坯防回转堆放技术

对于板坯在库区内堆放，行车在起制动过程中经常存在板坯回转的情况，导致板坯在垛位上堆放不整齐，施耐德基于三角测量方式通过PLC算法，很好的解决了板坯回转堆放的问题。

（8）动态库区资源分配技术

结合库区作业的动态特性及装卸过程，建立库区资源优化分配的数学模型，减少库区内的倒库作业，降低堆场的装卸作业时间。

（9）AI智能调度技术

通过配置的库区、跨、存储位等信息，根据人工智能算法按照生产计划实现行车的调度优化。

（10）WMS仿真分析技术

基于库区实况的虚拟仿真分析，大大缩短系统上线时间，虚拟工厂建模→任务场景创建→功能仿真分析→可视化的过程→可定量的结果，全功能仿真：行车自动化系统和地面设备之间协作与联锁；全流程仿真：出库/入库、上料/下料、倒库、过跨等流程；验证库区设计和计划分配的合理性，缩短系统的上线时间；验证过程控制与指令的一致性，为决策人员提供合理的改进建议；分析改善系统瓶颈，开始生产之前即可确保获得最高的作业效率。

（11）TMS车辆管理技术

TMS车辆管理系统与WMS深度融合，实现仓配一体化，降低车辆等待时间，提高物流效率，车辆、库存全局可视化，装载优化，线路规划；实现物流作业监管，订单进度跟踪，及时了解异常情况

（12）EHE预测性维护技术

监测、分析和预测于一体，全方位掌控库区设备的运行状态，AI数据分析，合理地通过页面和报表进行展示，为维护人员制定维护计划提供决策依据

3.4　数据通信

在上级L3/MES，L2和IACS库区综合管理系统数据交换是必要的，上级系统提前发送生产计划和相关的信息到WMS（L2），L1地面设备（如垛板台和卸板台、辊道、过跨车）的连锁信号被接入到地面系统的安全PLC，并发送给WMS。WMS会根据规则和优化的算法来安排行车执行任务，系统间的通讯架构如图5所示。

图5 系统间通讯架构图

为更好地了解行车和地面设备的作业状况，对无人行车的车上及车下布局CCTV，用于辅助操作员远程操作行车，行车上CCTV安装视角朝向夹钳方向和行车的两侧（确保监控无死角），地面布局覆盖整个库区，通讯架构示意图如图6所示。

图6 通讯架构示意图

3.5　无线网络

施耐德电气整体方案充分利用了边缘控制的优势，把和行车自动化相关的算法（路径优化、防摇、3D识别等）集成在行车的PLC内，只反馈必要信息至地面，而过程算法中利用的数据无需通过网络进行转发，大大降低了对无线网络的负担和依赖，解决了IACS无人行车系统可能存在的网络稳定性问题造成的系统不稳定。

为CCTV视频监控系统和自动控制系统提供2路独立网络，采用点对点的方式（行车整个运行过程不存在漫游切换也不存在短暂中断的问题），保障系统的稳定性。

4　代表性及推广价值

宝钢热轧1580车间无人行车改造是目前业界公认的难度较大的项目，凭借施耐德电气先进的IACS无人行车解决方案，宝钢热轧1580智能车间升级改造成为钢铁业首个正式入围工信部“中国制造2025”的试点示范项目。目前，行车全自动投入率稳定在98.5%以上，共减少全部20个行车操作工和地面库管理人员，劳动效率明显提升，有效保障了车间操作人员和非操作人员的人身安全。在功能考核期间，该项目也经受了满负荷生产的考验，能够满足10,500吨日产的需要。板坯库导入率相由原来的30%提升至现在的70%～80%左右，有效提升进出库物流管理系统，彻底杜绝物品丢失。

近年来，我国智能制造得到迅猛的发展，无人行车作为库区智能化控制的核心工程，是智能化必须解决的问题。施耐德电气凭借领先的技术和解决方案先后帮助宝钢多个钢铁生产基地实现行车的无人化运行，其价值和适应性已得到了广泛的验证。随着今后几年无人行车的发展、库区智能化的不断推进，钢企关注的重点不再仅仅是实现单个桥式起重机的无人化控制和单个库区内不同设备间的协同控制，而是整个钢铁生产基地的所有板坯库、钢卷库区与大物流系统的全链条协同，从而实现真正意义上的智能化工厂。随着对现有组织方式和作业流程的梳理和优化，以及生产管理的磨合，实践经验的总结提炼，施耐德电气将对钢企的智能工厂建设提供可借鉴的设计优化的依据。作为自动化领域数字化转型的引领者，施耐德电气也将继续以丰富的数字化转型实践和深厚的行业积淀携手钢铁企业，以新技术赋能具体工业场景，促进中国钢铁工业的高效与可持续发展。

摘自《自动化博览》2021年4月刊