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摘要:預堆垛機是厚板產線鋼板入庫前的最后一個設備，國內外的厚板產線多有設置。介紹了預堆垛的生產工藝，闡述了通過預堆垛機收集鋼板的作用及作業流程，分析了目前使用中存在的不足。根據近年來相關技術的發展，提出了基于無人化導向的預堆垛系統方案，對方案中的指令設定、本體動作、電磁控制、視頻識別四個功能模塊進行了論述。認為通過技術升級，可以實現無人化作業，達到提升勞動效率和市場競爭力的目的。

關鍵詞:預堆垛機;無人化作業;視頻識別

國內建設的厚板產線較多在精整線末端設置了鋼板預堆垛設備，用于將入庫前的鋼板在厚度方向上堆疊后再一起入庫，如寶鋼、沙鋼、湘鋼、新鋼等厚板廠都采用了相同的配置［1－3］。據不完全統計，預堆垛設備大都運行在半自動或手動狀態，投入率較低。近年來，隨著社會技術的快速發展，諸如視頻識別、倉庫管理、電磁控制等相關技術［4－8］不斷成熟，現場檢測元件靈敏度、穩定性也有了大幅改善，提高自動化水平已有充分技術支持。

1厚板廠預堆垛生產工藝

1．1預堆垛收集鋼板的目的和原則入庫前使用預堆垛收集鋼板可以起到如下三個方面的作用:①將鋼板堆疊在一起，減少了占用面積，使得后續的輥道、收集臺架容納鋼板的能力倍增;②減少了成品庫行車的吊運次數，大幅縮短了行車的作業時間，并減少了相應的能源消耗;③由于預堆垛設備擁有獨立的定位系統及短距調整，使得鋼板堆垛更加整齊，對改善成品庫形象有一定作用。文獻［9］認為鋼板收集應遵循以下原則:①同一吊的鋼板必須是同一批號、同一牌號、同一規格、統一尺寸的鋼板;②定尺板與非定尺板應放置在不同臺架上，分別吊運;③非定尺板(同一寬度)吊運時，長板在下，短板在上;④每吊的鋼板質量或數量要符合吊運設備規定或滿足用戶要求的原則。預堆垛也是鋼板收集的一種形式，理應遵循上述一般原則;同時也應認識到，預堆垛是鋼板成品庫堆垛的“預先的”實現，在符合電磁起重設備規定前提下成品庫鋼板垛放的規則亦可在此適用。這隨各單位成品庫管理的不同而各具特色。

1．2預堆垛收集鋼板的流程預堆垛收集鋼板的一般流程為:上工序通過輥道輸送鋼板→預堆垛機組接收鋼板并定位→起重機構下降→電磁機構調磁吸附鋼板→起重機構吊起鋼板上升→等待下一塊鋼板→……→該堆垛最后一塊板→預堆垛機組接收鋼板并定位→起重機構下降→電磁機構卸磁放下鋼板→起重機構上升→堆垛過程結束。輥道將堆垛鋼板送往成品庫指定位置，等待行車下線。

1．3存在的問題目前預堆垛投入率不高，自動化程度較低，受困于如下幾個問題:(1)預堆垛使用策略不完善。涉及哪些鋼板可以一起堆垛、怎么使用預堆垛等問題。精整區域工序及工藝路徑多是中厚板生產的特點之一，諸如緩冷、火切、冷矯、修磨等工序使得鋼板很難按照計劃集批進入成品庫。而預堆垛機則是收集同屬性(牌號、規格、客戶等)的鋼板，固定的策略難以適應多變的現場生產。(2)本體動作控制程序不完善。與預堆垛使用策略相應，不同的使用策略需要不同的動作執行來落實作業意圖，在使用策略沒有較好解決前只能靠操作人員的應變達到目的。(3)預堆垛起重機構與起重行車類似，調磁、卸磁、調磁量需要人工根據經驗手動調整。(4)實物信息的一致性需要人工校驗。自動化系統(含基礎自動化、過程自動化)在某點或某事件獲得物料的初始化信息，之后再在計算機的控制下加工處理。雖然有檢測元件輔助物料跟蹤，但仍舊不能完好實現信息、實際物料的吻合，需要人員目測核對。

1．4改進方向(1)完善使用策略，設計符合實際需求的指令設定系統。(2)根據使用策略完善本體動作控制步序、動作邏輯。(3)根據使用策略研究并細化磁力控制系統。(4)引入機器視覺中的視頻識別技術，進一步解決實物信息“兩張皮”的問題。

2基于無人化導向的預堆垛系統組成

基于無人化導向的預堆垛系統的主要功能模塊有指令設定模塊、本體運行控制模塊、電磁控制模塊和板號識別模塊。各模塊協調工作，共同完成鋼板預堆垛任務。系統功能結構圖如圖1所示

。2．1指令設定模塊指令設定模塊是指根據一定的算法規則設定鋼板的作業指令，包括預堆垛動作指令、鋼板去向指令兩部分內容。指令生成后通過電文形式下發給基礎自動化系統。初始狀態時，送往預堆垛機的鋼板在一定區域內進行檢索，若該區域內存在兩塊以上可堆垛鋼板，則生成首塊鋼板作業指令;之后鋼板根據條件匹配首塊板，條件滿足就生成堆垛指令。預堆垛內的鋼板達到數量、質量或某種限制時，結束堆垛，預堆垛機釋放鋼板，交給L1基礎自動化控制。鋼板去向與堆垛指令密切相關，由于存在成品鋼板入庫“目的地不唯一”的情況，引入“匹配系數”的概念，即在多去向可能時，對各去向適合堆放鋼板的程度作出評價，以最佳結果作為實際執行的鋼板去向。算法考慮下列要素:設備結構、鋼板規格、客戶、成品庫存、L3對鋼板堆垛的分配、后續同類型鋼板的限制等。為適應生產的變化，賦予相關人員調節指令邊界條件的途徑，如堆垛最大數量限制、首(末)塊鋼板指令、影響“匹配系數”的因素權重等，管理人員可進行離線管理，使自動效果朝著人們期望的方向運行。

2．2本體運行控制模塊本體運行控制是指根據作業指令，自動順序地執行鋼板預堆垛的動作，包括鋼板內部跟蹤定位、兩套起重機構的橫移和升降、信息(L1＆L2)的處理。在自動模式運行的狀態下，上位機下發設定指令，預堆垛接手鋼板控制，執行內部跟蹤，依照一定的速度曲線設定鋼板運行速度，配合末端擋板的使用，準確控制定位精度。起重機構橫移和升降由安裝在本體上的絕對值編碼器和限位進行控制。由于預堆垛機本身質量較大，運輸鋼板的時候如果速度過大，產生的慣性也就越大，相應地會影響定位的精確性;如果速度過小，跟不上生產節奏，影響了物流的速度。對應于這種情況，設計變速運行控制，即在離目標值的一定范圍內低速運行，超過這個范圍則高速運行。這樣既保證了定位的精確性，又保證了生產節奏的快速適應。鋼板實物位置發生了變化，自動化系統跟蹤影像的邏輯位置也應隨之改變，完成堆垛的鋼板以虛擬的影像進行跟蹤。

2．3電磁控制模塊電磁控制模塊需要確定磁鐵選擇數量、電磁吸盤吸力的大小，以適應規格不同、塊數不同鋼板的吊起。根據鋼板的長度及設計定位，可以很容易確定需使用的磁鐵數量及分布。而磁力應當滿足既能將鋼板安全吊起，又不至于因吸力太大而對其他設備造成損害。根據麥克斯韋電磁場理論，電磁吸力大小與磁力線穿過磁極的總面積及氣隙中的磁感應強度的平方成正比。如果磁感應強度(B)沿磁極表面是均勻分布的，則電磁鐵的吸力計算公式［10－11］為:F=B2S2μ0(1)式中:F為電磁力，J/cm;S為磁極表面總面積，cm2;μ0為空氣磁導系數，為1．25×10－8H/cm。以式(1)為基礎建立等效電路模型，文獻［10］推導出了電磁力與電流(I)的關系式(2)，其中a為常數，可通過現場的的優化調試確定。F=aI2(2)忽略鋼板密度變化的影響，根據鋼板的規格轉化為鋼板質量，通過式(2)即可確定勵磁電流的大小。在確定常數數值的基礎上，通過對控制程序進行優化，使自動勵磁程序達到最佳狀態，得到最好的效果。

2．4鋼板號識別模塊鋼板號識別模塊主要完成鋼板實物的識別以及與信息系統的校對，確保作業鋼板正確，是做到與實物信息一致的重要措施。為解決實物信息核對依賴人工的問題，引入視頻識別(Videoidentification)技術，智能識別鋼板標志，采集相關鋼板信息。在預堆垛前設置設備。視頻識別采用高端視頻分析技術，依據具體環境，詳細辨認實時視頻圖像，可對人員異常行為、設備故障、產品外觀缺陷、煙霧環境以及產品批次號進行分析識別［12］。該技術廣泛應用于智能交通、治安監控、停車庫等領域，在社會生活中已經非常成熟。基于網絡視頻識別技術的智能煤炭運輸系統已于2015年上半年在神華神東煤炭集團哈拉溝煤礦試運行成功。厚板產線的作業環境對設置視頻識別裝置的優勢在于:一方面，由于設置廠房內部可以保證不受雨雪云霧等外界環境的影響，通過輔助光源可保持光線基本穩定;另一方面，檢測區域受控，可以保證非鋼板的目標不出現。這些特點對于視頻識別系統的穩定工作及技術處理是非常有利的。根據系統的功能性需要，對系統進行總體設計，首先描繪出了系統的總體拓撲結構圖［13］，見圖2。把專用攝像機采集的視頻圖像作為輸入，對這些序列圖像進行分析，提取場景信息，然后利用數字圖像處理、模式識別和計算機視覺技術，實現板號的自動識別和鋼板跟蹤，提取出以一定格式命名(如板號、時間)的視頻摘要保存，便于查看或分析。根據生產需求，對視頻識別系統提出如下關鍵參數要求，便于設備選型。(1)平均檢測時間(MeanTimetoDetect)小于2s，滿足1500塊/d的入庫需求。(2)檢測率(DetectionRate)大于99．9%，確保生產穩定運行。(3)誤報率(FalseAlarmRate)不大于0．5‰，減少異常的發生。

3預計應用效果

通過對預堆垛系統的深入研究，細分為4個控制模塊，各模塊協同工作，共同實現鋼板預堆垛無人化的目標，達到提高勞動效率的目的。由于鋼板堆垛后再進入成品庫，考慮多塊堆垛和未堆垛鋼板等因素，行車下線鋼板作業效率約能提高50%，同時能耗也將明顯降低。經預堆垛的鋼板對齊更好，利于成品庫鋼板堆垛形象的提升。

4結語

(1)預堆垛在厚板生產中有著重要作用，重視其應用對厚板生產有很大益處。(2)視頻識別技術近年來發展迅速，在社會生活中的應用已經非常成熟，在重工業生產中亦有成功案例，將該技術應用到厚板生產中是可行的。(3)預堆垛機無人化操作是一個探索性工作，要使目標完成不僅需要良好的設計還需要后續大量的調試細化工作。

參考文獻

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作者：趙勤平 單位：寶山鋼鐵股份有限公司厚板部