唐鋼高強汽車板原料庫天車無人化系統解析

河鋼集團唐鋼公司 李曉剛

作者簡介

李曉剛（1975-）， 男， 河北唐山人 ， 高級工程師， 工程碩士， 現就職於河鋼集團唐鋼公司資訊自動化部， 研究方向為面向智慧製造工廠資訊化與自動的融合。

摘要：唐鋼高強汽車板原料庫天車無人化系統是國內第一套自主集成具有完全自主智慧財產權的系統。 系統主要功能包括：作業計畫、作業監控、作業確認、資訊更新、資料通信等。 實現了庫區天車無人駕駛作業， 作業計畫和作業執行過程完全自動化， 同時也實現了鋼卷資訊及鋼卷狀態在庫區、生產線、MES之間共用， 有效地降低了庫區工作人員的作業強度和作業錯誤率。

關鍵字：無人天車；程序控制；作業計畫；作業監控

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

當前物聯網與現代資訊技術正在深刻改變著社會、企業的運作模式， 為鋼鐵行業的競爭力重構創造了新的機會。 唐鋼高強汽車板項目是唐鋼在這一時代背景下調整產品結構， 實施產業升級的載體工程， 代表了當今世界冷軋工藝設備技術、自動化控制技術和高端冷軋產品的最高水準。 專案實施以來始終以智慧化工廠為目標， 在國內率先實現了原料庫區天車作業無人化， 天車無人化系統集資訊化、自動化和程序控制於一體， 採用車輛識別技術、天車作業計畫自動排程技術、自動上料程序控制技術、自動過跨程序控制技術、天車作業無人駕駛技術、鋼卷庫區移動軌跡跟蹤技術，

有效地將庫區孤立的汽車、天車、過跨車、障礙物、鋼卷、步進梁等緊密地聯繫在一起。 實現了庫區生產業務流程自動化、天車作業無人化、庫區鋼卷物料跟蹤全壽命週期化。 唐鋼高強汽車板原料庫天車無人化系統有效地連接了原料物流、原料庫區和生產線， 實現庫區鋼捲入庫、出庫全流程全過程自動化及APS排產、MES生產執行控制、酸軋線自動生產全流程全過程完全自動， 為智慧工廠其他資訊系統提供基礎資訊支撐。

2　庫區概況及業務流程

唐鋼高強汽車板有限公司原料庫總共兩跨10個區、5部天車、兩段上料步進梁（每跨一段）、1部過跨車、6個停車位（其中2#、4#停車位帶車輛識別為全自動停車位）。

庫區南北走向分東西跨， 東跨內有1-5區、1-3#停車位、1#步進梁及1-3#天車， 西跨內有6-10區、4-6#停車位、2#步進梁及4-5#天車， 兩跨之間通過過跨車相連。 3#車主要負責設備檢修， 兼顧PLTCM東跨生產上料及備料；2#車主要負責PLTCM東跨生產上料， 兼顧備料及3#停車位卸車；1#車主要負責1、2#停車位卸車， 兼顧備料；5#車主要負責PLTCM西跨生產上料， 兼顧備料、4、5#停車位卸車；4#車主要負責4、6#停車位卸車， 兼顧備料， 同時所有的天車具備倒庫（包括庫內到過跨車及過跨車到庫內）功能。 整個庫區佈置圖如圖1所示。

圖1 庫區佈置圖

鋼卷在原料庫區一般大致經歷採購實物入庫、計畫排產備料、生產上料出庫等過程。 唐鋼高強汽車板有限公司原料庫庫區主要業務是鋼卷採購入庫、生產備料、生產上料及少量生產退線與採購退庫。 鋼卷採購入庫及採購退庫主要採用汽車運輸， 車輛資訊由公司物流管控系統負責， 生產備料、生產上料及生產退線由公司MES系統驅動。

2.1　採購入庫流程

（1）車輛刷卡進場

物流管控系統（LOG）發送車輛資訊給天車無人化系統，

車輛資訊包括車牌號、車輛運輸派車單、車上放卷位置數量及每個位置鋼卷資訊。

（2）車輛資訊檢驗

檢驗內容如下：

車物資訊是否一致；

外觀品質是否合格， 是否入庫；

確定鋼卷方向；

指定停車位置。

檢驗完成後， 天車無人化系統將檢驗結果回饋給物流管控系統與MES。

（3）車輛排隊刷卡進庫

（4）發送車輛資訊給車輛識別系統

（5）車輛識別系統開始測量

（6）車輛識別開始測量完成

（7）生成卸車作業計畫

（8）天車執行卸車任務

（9）卸車完成

（10）車輛刷卡離庫

2.2　生產備料流程

（1）接收MES生產計畫

（2）按照生產計畫生成備料作業計畫

按照生產計畫順序將鋼卷交叉移動到備料區（涉及到過跨）。

（3）天車執行備料任務

（4）生產計畫備料完成

2.3　生產上料流程

（1）接收生產線生產計畫開始生產指令

（2）按照生產計畫生成上料作業計畫

（3）天車執行上料任務

（4）生產計畫上料完成

2.4　生產退線流程

（1）MES下發鋼卷退線請求

（2）生成鋼卷退線作業計畫

（3）鋼卷到達退線吊卷指定位置

（4）天車執行退線任務

（5）退線完成

2.5　採購退庫流程

（1）車輛刷卡進場

物流管控系統（LOG）發送車輛資訊給天車無人化系統。車輛資訊包括車牌號、車輛運輸派車單、車上鋼卷位置分佈及每個位置需要擺放鋼卷的ID。

（2）車輛排隊刷卡進庫

（3）發送車輛資訊給車輛識別系統

（4）車輛識別系統開始測量

（5）車輛識別開始測量完成

（6）生成裝車作業計畫

（7）天車執行裝車任務

（8）裝車完成

（9）車輛刷卡離庫

根據原料庫庫區業務流程，天車作業類型主要分為卸車作業、備料作業、上料作業、退線作業、裝車作業以及由備料作業產生的壓卷倒庫作業和過跨作業。

3　系統設計思路

唐鋼高強汽車板原料庫區天車作業要求全過程自動化，無需人為干預。圍繞庫區關鍵核心設備天車在庫區各類作業特點，原料庫天車無人化系統借鑒戴明環迴圈控制理念，將整個控制系統進行分級分層，分級具體分為2級程序控制和1級PLC現場基礎自動化控制，分層具體分為天車作業計畫層、計畫執行設計實施層、PLC執行層、即時監督層、執行調整層。天車作業計畫層根據庫區業務需求自動生成天車作業計畫，計畫執行設計實施層按照天車作業計畫要求設計並計算天車執行程序控制方法，天車PLC按照設計要求予以執行，即時監督層即時監控天車作業過程是否與作業計畫要求預期一致，調整控制層根據監督回饋結果對天車作業計畫進行調整或繼續執行。整個天車無人化系統按照上述迴圈控制思路周而復始自動執行庫區作業。

4　系統功能解析

原料庫天車無人化系統主要由1套庫區管理子系統（WMS）、2套車輛識別子系統（SRS）、5套天車PLC子系統、1套過跨車PLC子系統構成，其中庫區管理子系統（WMS）屬於2級程序控制，車輛識別子系統、天車PLC子系統、過跨車PLC子系統屬於1級現場基礎自動化控制。庫區管理子系統是整個天車無人化系統的核心，它負責與外部系統進行資訊交換並根據業務需求驅動其它子系統。

4.1　庫區管理子系統

庫區管理子系統在宏觀上管理著整個庫區，主要功能如下：

（1）資料通訊

與物流管控系統通訊；

與MES系統通訊；

與PLTCM現場基礎自動化系統通訊；

與天車PLC子系統通訊；

與過跨車PLC子系統通訊；

與車輛識別子系統通訊。

（2）天車作業自動排程

卸車作業自動排程；

備料作業自動排程；

上料作業自動排程；

倒庫作業自動排程；

過跨作業自動排程；

退線作業自動排程；

裝車作業自動排程。

（3）跟蹤功能

車輛跟蹤；

天車作業跟蹤；

庫圖管理及鋼卷跟蹤；

步進梁狀態跟蹤。

（4）設備自動控制

天車自動控制；

過跨車自動控制。

（5）HMI畫面

4.2　車輛識別子系統

車輛識別子系統的主要功是測量卸車車載鋼卷及裝車放卷位置精確座標。

4.3　天車PLC子系統

天車PLC子系統主要功能是執行庫區管理子系統下發的各種指令，在執行指令的過程中對天車大車、天車小車進行位置控制，並按照庫區管理子系統設計的作業要求對主鉤升降及夾鉗關閉/打開進行控制。

4.4　過跨車PLC子系統

過跨車PLC子系統的主要功能是按照庫區管理子系統要求對過跨車進行鎖定、解鎖和過跨移動。

5　系統組態與架構

5.1　系統組態

庫區管理子系統服務端採用HP proLiant DL580 G7伺服器，用戶端HMI採用HP pavilion 500 PC Series商用機；車輛識別子系統掃描硬體採用SICK公司LMS511型號2D鐳射掃描設備，掃描資料處理伺服器採用研華PPC-3120工控機；天車、過跨車PLC子系統均採用德國西門子S7-300型產品。整個天車無人化系統組態如圖2所示。

圖2 天車無人化系統組態圖

5.2　系統架構

基於系統整體設計思路、庫區天車無人化系統組態、庫區採購入庫的隨機性與生產出庫的連續性和即時性，整個系統按照功能劃分採取分級分層控制。整個系統分兩級五層，兩級分別是二級程序控制和一級PLC執行控制，五層分別是天車作業計畫層、計畫執行設計實施層、PLC執行層、即時監督層、執行調整層。為保證天車無人作業安全可靠，級與層之間交錯控制，級與級之間通過TCP/IP socket進行資料交互，層與層之間通過資料庫資料共用進行資料交互，操作顯示畫面採用WEB方式。整個系統架構框圖如圖3所示。

圖3 天車無人化系統架構框圖

6　系統子系統之間的串聯

當庫區管理子系統接收到物流管控系統車輛到達資訊後，車輛跟蹤開始對車輛狀態進行跟蹤控制，車輛入庫後，車輛資訊將會告知車輛識別子系統，車輛識別子系統測量完成後將測量結果回饋給庫區管理子系統，卸車（裝車）自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車卸車（裝車）作業計畫。當庫區管理子系統接收到MES系統生產計畫後，備料自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車備料作業計畫。當庫區管理子系統接收到MES系統鋼卷退線請求後，退線自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車退線作業計畫。當庫區管理子系統接收到生產線生產計畫生產請求後，上料自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車上料作業計畫。當操作人員在畫面進行了倒庫操作，倒庫自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車倒庫作業計畫。在備料或倒庫過程中如果涉及到要過跨，過跨自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車過跨作業計畫。

當天車有了作業計畫後，天車作業跟蹤將開始計算天車PLC具體的執行程序控制方法，卸車、裝車、備料、倒庫作業天車PLC只需要按照執行順控邏輯循序執行即可，上料、退線作業天車主鉤下降放卷或天車主鉤下降吊卷需要等待步進梁狀態跟蹤資訊，符合條件後天車自動控制會通知PLC繼續執行或調整作業計畫重新執行，過跨作業天車PLC放卷、吊卷需要等待過跨車自動控制資訊，符合條件後天車方可放卷或吊卷。天車在吊卷或放卷過程中，庫圖管理及鋼卷跟蹤會對庫圖進行即時更新並記錄鋼卷移動軌跡對鋼捲進行跟蹤。

7　結語

原料庫區天車無人化是唐鋼高強汽車板智慧化工廠全流程自動生產的開始環節，它無縫對接庫區物流和酸軋入口工藝流程，顛覆了原料庫區與酸軋入口步進梁的傳統工作模式，轉變了廠區工作人員傳統的工作思維模式，使原料庫區天車工脫離了高強度重複性勞動，構建了生產與物流間的資訊橋樑，做到了生產現場與生產資訊即時同步，節省了大量人力和物力。

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2.3　生產上料流程

（1）接收生產線生產計畫開始生產指令

（2）按照生產計畫生成上料作業計畫

（3）天車執行上料任務

（4）生產計畫上料完成

2.4　生產退線流程

（1）MES下發鋼卷退線請求

（2）生成鋼卷退線作業計畫

（3）鋼卷到達退線吊卷指定位置

（4）天車執行退線任務

（5）退線完成

2.5　採購退庫流程

（1）車輛刷卡進場

物流管控系統（LOG）發送車輛資訊給天車無人化系統。車輛資訊包括車牌號、車輛運輸派車單、車上鋼卷位置分佈及每個位置需要擺放鋼卷的ID。

（2）車輛排隊刷卡進庫

（3）發送車輛資訊給車輛識別系統

（4）車輛識別系統開始測量

（5）車輛識別開始測量完成

（6）生成裝車作業計畫

（7）天車執行裝車任務

（8）裝車完成

（9）車輛刷卡離庫

根據原料庫庫區業務流程，天車作業類型主要分為卸車作業、備料作業、上料作業、退線作業、裝車作業以及由備料作業產生的壓卷倒庫作業和過跨作業。

3　系統設計思路

唐鋼高強汽車板原料庫區天車作業要求全過程自動化，無需人為干預。圍繞庫區關鍵核心設備天車在庫區各類作業特點，原料庫天車無人化系統借鑒戴明環迴圈控制理念，將整個控制系統進行分級分層，分級具體分為2級程序控制和1級PLC現場基礎自動化控制，分層具體分為天車作業計畫層、計畫執行設計實施層、PLC執行層、即時監督層、執行調整層。天車作業計畫層根據庫區業務需求自動生成天車作業計畫，計畫執行設計實施層按照天車作業計畫要求設計並計算天車執行程序控制方法，天車PLC按照設計要求予以執行，即時監督層即時監控天車作業過程是否與作業計畫要求預期一致，調整控制層根據監督回饋結果對天車作業計畫進行調整或繼續執行。整個天車無人化系統按照上述迴圈控制思路周而復始自動執行庫區作業。

4　系統功能解析

原料庫天車無人化系統主要由1套庫區管理子系統（WMS）、2套車輛識別子系統（SRS）、5套天車PLC子系統、1套過跨車PLC子系統構成，其中庫區管理子系統（WMS）屬於2級程序控制，車輛識別子系統、天車PLC子系統、過跨車PLC子系統屬於1級現場基礎自動化控制。庫區管理子系統是整個天車無人化系統的核心，它負責與外部系統進行資訊交換並根據業務需求驅動其它子系統。

4.1　庫區管理子系統

庫區管理子系統在宏觀上管理著整個庫區，主要功能如下：

（1）資料通訊

與物流管控系統通訊；

與MES系統通訊；

與PLTCM現場基礎自動化系統通訊；

與天車PLC子系統通訊；

與過跨車PLC子系統通訊；

與車輛識別子系統通訊。

（2）天車作業自動排程

卸車作業自動排程；

備料作業自動排程；

上料作業自動排程；

倒庫作業自動排程；

過跨作業自動排程；

退線作業自動排程；

裝車作業自動排程。

（3）跟蹤功能

車輛跟蹤；

天車作業跟蹤；

庫圖管理及鋼卷跟蹤；

步進梁狀態跟蹤。

（4）設備自動控制

天車自動控制；

過跨車自動控制。

（5）HMI畫面

4.2　車輛識別子系統

車輛識別子系統的主要功是測量卸車車載鋼卷及裝車放卷位置精確座標。

4.3　天車PLC子系統

天車PLC子系統主要功能是執行庫區管理子系統下發的各種指令，在執行指令的過程中對天車大車、天車小車進行位置控制，並按照庫區管理子系統設計的作業要求對主鉤升降及夾鉗關閉/打開進行控制。

4.4　過跨車PLC子系統

過跨車PLC子系統的主要功能是按照庫區管理子系統要求對過跨車進行鎖定、解鎖和過跨移動。

5　系統組態與架構

5.1　系統組態

庫區管理子系統服務端採用HP proLiant DL580 G7伺服器，用戶端HMI採用HP pavilion 500 PC Series商用機；車輛識別子系統掃描硬體採用SICK公司LMS511型號2D鐳射掃描設備，掃描資料處理伺服器採用研華PPC-3120工控機；天車、過跨車PLC子系統均採用德國西門子S7-300型產品。整個天車無人化系統組態如圖2所示。

圖2 天車無人化系統組態圖

5.2　系統架構

基於系統整體設計思路、庫區天車無人化系統組態、庫區採購入庫的隨機性與生產出庫的連續性和即時性，整個系統按照功能劃分採取分級分層控制。整個系統分兩級五層，兩級分別是二級程序控制和一級PLC執行控制，五層分別是天車作業計畫層、計畫執行設計實施層、PLC執行層、即時監督層、執行調整層。為保證天車無人作業安全可靠，級與層之間交錯控制，級與級之間通過TCP/IP socket進行資料交互，層與層之間通過資料庫資料共用進行資料交互，操作顯示畫面採用WEB方式。整個系統架構框圖如圖3所示。

圖3 天車無人化系統架構框圖

6　系統子系統之間的串聯

當庫區管理子系統接收到物流管控系統車輛到達資訊後，車輛跟蹤開始對車輛狀態進行跟蹤控制，車輛入庫後，車輛資訊將會告知車輛識別子系統，車輛識別子系統測量完成後將測量結果回饋給庫區管理子系統，卸車（裝車）自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車卸車（裝車）作業計畫。當庫區管理子系統接收到MES系統生產計畫後，備料自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車備料作業計畫。當庫區管理子系統接收到MES系統鋼卷退線請求後，退線自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車退線作業計畫。當庫區管理子系統接收到生產線生產計畫生產請求後，上料自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車上料作業計畫。當操作人員在畫面進行了倒庫操作，倒庫自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車倒庫作業計畫。在備料或倒庫過程中如果涉及到要過跨，過跨自動作業排程將自動按照天車分工生成初始的天車過跨作業計畫。

當天車有了作業計畫後，天車作業跟蹤將開始計算天車PLC具體的執行程序控制方法，卸車、裝車、備料、倒庫作業天車PLC只需要按照執行順控邏輯循序執行即可，上料、退線作業天車主鉤下降放卷或天車主鉤下降吊卷需要等待步進梁狀態跟蹤資訊，符合條件後天車自動控制會通知PLC繼續執行或調整作業計畫重新執行，過跨作業天車PLC放卷、吊卷需要等待過跨車自動控制資訊，符合條件後天車方可放卷或吊卷。天車在吊卷或放卷過程中，庫圖管理及鋼卷跟蹤會對庫圖進行即時更新並記錄鋼卷移動軌跡對鋼捲進行跟蹤。

7　結語

原料庫區天車無人化是唐鋼高強汽車板智慧化工廠全流程自動生產的開始環節，它無縫對接庫區物流和酸軋入口工藝流程，顛覆了原料庫區與酸軋入口步進梁的傳統工作模式，轉變了廠區工作人員傳統的工作思維模式，使原料庫區天車工脫離了高強度重複性勞動，構建了生產與物流間的資訊橋樑，做到了生產現場與生產資訊即時同步，節省了大量人力和物力。

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