河钢集团唐钢公司 李晓刚

作者简介

李晓刚（1975-），男，河北唐山人 ，高级工程师，工程硕士，现就职于河钢集团唐钢公司信息自动化部，研究方向为面向智能制造工厂信息化与自动的融合。

摘要：唐钢高强汽车板原料库天车无人化系统是国内第一套自主集成具有完全自主知识产权的系统。系统主要功能包括：作业计划、作业监控、作业确认、信息更新、数据通信等。实现了库区天车无人驾驶作业，作业计划和作业执行过程完全自动化，同时也实现了钢卷信息及钢卷状态在库区、生产线、MES之间共享，有效地降低了库区工作人员的作业强度和作业错误率。

关键词：无人天车；过程控制；作业计划；作业监控

Abstract: Based on the unmanned crane of HBIS Tang steel high strength automobile plate Co., Ltd material yard, unmanned crane system has been designed and developed, which is constructed independently by domestic companies. The main functions of the system include work plan, work monitor, work confirm, info update, data communication, etc. The system let crane unmanned automatic drive come true, the work plan and coil auto load by unmanned crane process control also automatic. At the same time of coil auto load by unmanned crane, the information of coil and the status of coil has been shared with yard, production line and MES. The system also reduces effectively the power of work of yard worker and work error rate.

Key words: Unmanned crane; Process control; Work plan; Working monitor

1　前言

当前物联网与现代信息技术正在深刻改变着社会、企业的运作模式，为钢铁行业的竞争力重构创造了新的机会。唐钢高强汽车板项目是唐钢在这一时代背景下调整产品结构，实施产业升级的载体工程，代表了当今世界冷轧工艺设备技术、自动化控制技术和高端冷轧产品的最高水平。项目实施以来始终以智能化工厂为目标，在国内率先实现了原料库区天车作业无人化，天车无人化系统集信息化、自动化和过程控制于一体，采用车辆识别技术、天车作业计划自动排程技术、自动上料过程控制技术、自动过跨过程控制技术、天车作业无人驾驶技术、钢卷库区移动轨迹跟踪技术，有效地将库区孤立的汽车、天车、过跨车、障碍物、钢卷、步进梁等紧密地联系在一起。实现了库区生产业务流程自动化、天车作业无人化、库区钢卷物料跟踪全寿命周期化。唐钢高强汽车板原料库天车无人化系统有效地连接了原料物流、原料库区和生产线，实现库区钢卷入库、出库全流程全过程自动化及APS排产、MES生产执行控制、酸轧线自动生产全流程全过程完全自动，为智能工厂其他信息系统提供基础信息支撑。

2　库区概况及业务流程

唐钢高强汽车板有限公司原料库总共两跨10个区、5部天车、两段上料步进梁（每跨一段）、1部过跨车、6个停车位（其中2#、4#停车位带车辆识别为全自动停车位）。库区南北走向分东西跨，东跨内有1-5区、1-3#停车位、1#步进梁及1-3#天车，西跨内有6-10区、4-6#停车位、2#步进梁及4-5#天车，两跨之间通过过跨车相连。3#车主要负责设备检修，兼顾PLTCM东跨生产上料及备料；2#车主要负责PLTCM东跨生产上料，兼顾备料及3#停车位卸车；1#车主要负责1、2#停车位卸车，兼顾备料；5#车主要负责PLTCM西跨生产上料，兼顾备料、4、5#停车位卸车；4#车主要负责4、6#停车位卸车，兼顾备料，同时所有的天车具备倒库（包括库内到过跨车及过跨车到库内）功能。整个库区布置图如图1所示。

图1 库区布置图

钢卷在原料库区一般大致经历采购实物入库、计划排产备料、生产上料出库等过程。唐钢高强汽车板有限公司原料库库区主要业务是钢卷采购入库、生产备料、生产上料及少量生产退线与采购退库。钢卷采购入库及采购退库主要采用汽车运输，车辆信息由公司物流管控系统负责，生产备料、生产上料及生产退线由公司MES系统驱动。

2.1　采购入库流程

（1）车辆刷卡进场

物流管控系统（LOG）发送车辆信息给天车无人化系统，车辆信息包括车牌号、车辆运输派车单、车上放卷位置数量及每个位置钢卷信息。

（2）车辆信息检验

检验内容如下：

车物信息是否一致；

外观质量是否合格，是否入库；

确定钢卷方向；

指定停车位置。

检验完成后，天车无人化系统将检验结果反馈给物流管控系统与MES。

（3）车辆排队刷卡进库

（4）发送车辆信息给车辆识别系统

（5）车辆识别系统开始测量

（6）车辆识别开始测量完成

（7）生成卸车作业计划

（8）天车执行卸车任务

（9）卸车完成

（10）车辆刷卡离库

2.2　生产备料流程

（1）接收MES生产计划

（2）按照生产计划生成备料作业计划

按照生产计划顺序将钢卷交叉移动到备料区（涉及到过跨）。

（3）天车执行备料任务

（4）生产计划备料完成

2.3　生产上料流程

（1）接收生产线生产计划开始生产指令

（2）按照生产计划生成上料作业计划

（3）天车执行上料任务

（4）生产计划上料完成

2.4　生产退线流程

（1）MES下发钢卷退线请求

（2）生成钢卷退线作业计划

（3）钢卷到达退线吊卷指定位置

（4）天车执行退线任务

（5）退线完成

2.5　采购退库流程

（1）车辆刷卡进场

物流管控系统（LOG）发送车辆信息给天车无人化系统。车辆信息包括车牌号、车辆运输派车单、车上钢卷位置分布及每个位置需要摆放钢卷的ID。

（2）车辆排队刷卡进库

（3）发送车辆信息给车辆识别系统

（4）车辆识别系统开始测量

（5）车辆识别开始测量完成

（6）生成装车作业计划

（7）天车执行装车任务

（8）装车完成

（9）车辆刷卡离库

根据原料库库区业务流程，天车作业类型主要分为卸车作业、备料作业、上料作业、退线作业、装车作业以及由备料作业产生的压卷倒库作业和过跨作业。

3　系统设计思路

唐钢高强汽车板原料库区天车作业要求全过程自动化，无需人为干预。围绕库区关键核心设备天车在库区各类作业特点，原料库天车无人化系统借鉴戴明环循环控制理念，将整个控制系统进行分级分层，分级具体分为2级过程控制和1级PLC现场基础自动化控制，分层具体分为天车作业计划层、计划执行设计实施层、PLC执行层、实时监督层、执行调整层。天车作业计划层根据库区业务需求自动生成天车作业计划，计划执行设计实施层按照天车作业计划要求设计并计算天车执行过程控制方法，天车PLC按照设计要求予以执行，实时监督层实时监控天车作业过程是否与作业计划要求预期一致，调整控制层根据监督反馈结果对天车作业计划进行调整或继续执行。整个天车无人化系统按照上述循环控制思路周而复始自动执行库区作业。

4　系统功能解析

原料库天车无人化系统主要由1套库区管理子系统（WMS）、2套车辆识别子系统（SRS）、5套天车PLC子系统、1套过跨车PLC子系统构成，其中库区管理子系统（WMS）属于2级过程控制，车辆识别子系统、天车PLC子系统、过跨车PLC子系统属于1级现场基础自动化控制。库区管理子系统是整个天车无人化系统的核心，它负责与外部系统进行信息交换并根据业务需求驱动其它子系统。

4.1　库区管理子系统

库区管理子系统在宏观上管理着整个库区，主要功能如下：

（1）数据通讯

与物流管控系统通讯；

与MES系统通讯；

与PLTCM现场基础自动化系统通讯；

与天车PLC子系统通讯；

与过跨车PLC子系统通讯；

与车辆识别子系统通讯。

（2）天车作业自动排程

卸车作业自动排程；

备料作业自动排程；

上料作业自动排程；

倒库作业自动排程；

过跨作业自动排程；

退线作业自动排程；

装车作业自动排程。

（3）跟踪功能

车辆跟踪；

天车作业跟踪；

库图管理及钢卷跟踪；

步进梁状态跟踪。

（4）设备自动控制

天车自动控制；

过跨车自动控制。

（5）HMI画面

4.2　车辆识别子系统

车辆识别子系统的主要功是测量卸车车载钢卷及装车放卷位置精确坐标。

4.3　天车PLC子系统

天车PLC子系统主要功能是执行库区管理子系统下发的各种指令，在执行指令的过程中对天车大车、天车小车进行位置控制，并按照库区管理子系统设计的作业要求对主钩升降及夹钳关闭/打开进行控制。

4.4　过跨车PLC子系统

过跨车PLC子系统的主要功能是按照库区管理子系统要求对过跨车进行锁定、解锁和过跨移动。

5　系统配置与架构

5.1　系统配置

库区管理子系统服务端采用HP proLiant DL580 G7服务器，客户端HMI采用HP pavilion 500 PC Series商用机；车辆识别子系统扫描硬件采用SICK公司LMS511型号2D激光扫描设备，扫描数据处理服务器采用研华PPC-3120工控机；天车、过跨车PLC子系统均采用德国西门子S7-300型产品。整个天车无人化系统配置如图2所示。

图2 天车无人化系统配置图

5.2　系统架构

基于系统整体设计思路、库区天车无人化系统配置、库区采购入库的随机性与生产出库的连续性和实时性，整个系统按照功能划分采取分级分层控制。整个系统分两级五层，两级分别是二级过程控制和一级PLC执行控制，五层分别是天车作业计划层、计划执行设计实施层、PLC执行层、实时监督层、执行调整层。为保证天车无人作业安全可靠，级与层之间交错控制，级与级之间通过TCP/IP socket进行数据交互，层与层之间通过数据库数据共享进行数据交互，操作显示画面采用WEB方式。整个系统架构框图如图3所示。

图3 天车无人化系统架构框图

6　系统子系统之间的串联

当库区管理子系统接收到物流管控系统车辆到达信息后，车辆跟踪开始对车辆状态进行跟踪控制，车辆入库后，车辆信息将会告知车辆识别子系统，车辆识别子系统测量完成后将测量结果反馈给库区管理子系统，卸车（装车）自动作业排程将自动按照天车分工生成初始的天车卸车（装车）作业计划。当库区管理子系统接收到MES系统生产计划后，备料自动作业排程将自动按照天车分工生成初始的天车备料作业计划。当库区管理子系统接收到MES系统钢卷退线请求后，退线自动作业排程将自动按照天车分工生成初始的天车退线作业计划。当库区管理子系统接收到生产线生产计划生产请求后，上料自动作业排程将自动按照天车分工生成初始的天车上料作业计划。当操作人员在画面进行了倒库操作，倒库自动作业排程将自动按照天车分工生成初始的天车倒库作业计划。在备料或倒库过程中如果涉及到要过跨，过跨自动作业排程将自动按照天车分工生成初始的天车过跨作业计划。

当天车有了作业计划后，天车作业跟踪将开始计算天车PLC具体的执行过程控制方法，卸车、装车、备料、倒库作业天车PLC只需要按照执行顺控逻辑顺序执行即可，上料、退线作业天车主钩下降放卷或天车主钩下降吊卷需要等待步进梁状态跟踪信息，符合条件后天车自动控制会通知PLC继续执行或调整作业计划重新执行，过跨作业天车PLC放卷、吊卷需要等待过跨车自动控制信息，符合条件后天车方可放卷或吊卷。天车在吊卷或放卷过程中，库图管理及钢卷跟踪会对库图进行实时更新并记录钢卷移动轨迹对钢卷进行跟踪。

7　结语

原料库区天车无人化是唐钢高强汽车板智能化工厂全流程自动生产的开始环节，它无缝对接库区物流和酸轧入口工艺流程，颠覆了原料库区与酸轧入口步进梁的传统工作模式，转变了厂区工作人员传统的工作思维模式，使原料库区天车工脱离了高强度重复性劳动，构建了生产与物流间的信息桥梁，做到了生产现场与生产信息实时同步，节省了大量人力和物力。

摘自《2017今日自动化技术应用在中国》