隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度持續(xù)攀升，水泥行業(yè)作為支撐基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心產(chǎn)業(yè)，正面臨迫切的綠色低碳轉(zhuǎn)型壓力。其中，廣泛采用替代原、燃料成為推動(dòng)這一轉(zhuǎn)型進(jìn)程的關(guān)鍵途徑之一。然而，我國替代原燃料資源特性復(fù)雜，包括成分多樣、品質(zhì)參差、特異性強(qiáng)、含害物質(zhì)多，且地理分布不均、來源廣泛、供應(yīng)穩(wěn)定性差。在此背景下，聯(lián)合儲(chǔ)庫以其獨(dú)特的靈活性、高單位面積儲(chǔ)量、改善濕黏物料性能、促進(jìn)多區(qū)物料混搭及節(jié)省用地等優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，逐漸成為應(yīng)對(duì)復(fù)雜替代原燃料儲(chǔ)存與搭配的理想解決方案(見圖1)。然而，聯(lián)合儲(chǔ)庫業(yè)務(wù)涉及物流、質(zhì)量、生產(chǎn)、維修、人員、車輛等多個(gè)環(huán)節(jié)，協(xié)調(diào)與協(xié)作復(fù)雜。物料的進(jìn)出庫搭配作業(yè)高度依賴人工操作，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，長期精準(zhǔn)搭配物料難。同時(shí)，庫區(qū)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，頻繁的人車交互增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。
為了解決上述問題，華新水泥積極研發(fā)出基于全自動(dòng)行車的智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)，并在13家工廠進(jìn)行了廣泛的推廣與實(shí)踐。該系統(tǒng)不僅有效提升了生產(chǎn)效能，還確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，同時(shí)在保障作業(yè)安全及降低碳排放等方面也展現(xiàn)了其實(shí)際價(jià)值。
二、智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)構(gòu)成
智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)主要由三個(gè)功能層級(jí)構(gòu)成：現(xiàn)場(chǎng)控制層、智能調(diào)度層以及業(yè)務(wù)拓展層，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖2.
(1)現(xiàn)場(chǎng)控制層：作為底層硬件設(shè)施的集合，負(fù)責(zé)直接對(duì)物料處理過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制。該層由自動(dòng)行車系統(tǒng)、無線通信模塊以及現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)三大組件構(gòu)成，各組件內(nèi)嵌不同類型的軟硬件設(shè)施以滿足特定功能需求。具體而言，自動(dòng)行車系統(tǒng)集成了一系列關(guān)鍵硬件設(shè)備，諸如變頻器以調(diào)節(jié)行車運(yùn)行速度，PLC(可編程邏輯控制器)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯，編碼器用于精確測(cè)定行車位移，稱重傳感器確保物料重量的精確計(jì)量，激光掃描儀與激光測(cè)距設(shè)備則用于空間定位與物料識(shí)別，RFID(無線射頻識(shí)別)系統(tǒng)用于編碼器校正管理，而限位開關(guān)則為行車操作設(shè)定安全邊界?，F(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)則包含了地面站PLC以協(xié)調(diào)地面設(shè)備運(yùn)行，道閘系統(tǒng)確保物料進(jìn)出有序，以及報(bào)警指示設(shè)備以及時(shí)警示潛在異常狀況。無線模塊主要指無線通信模塊，它為各硬件設(shè)備間以及與上層系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換提供了無線傳輸通道。
(2)智能調(diào)度層：作為系統(tǒng)的核心決策與指揮中心，部署于工廠中央監(jiān)控室，由智能物料處理系統(tǒng)、AI視頻監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)急操作平臺(tái)三大子系統(tǒng)構(gòu)成。智能物料處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)建立聯(lián)合儲(chǔ)庫數(shù)字模型，綜合管理聯(lián)合儲(chǔ)庫業(yè)務(wù)及設(shè)備、統(tǒng)計(jì)分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，規(guī)劃及調(diào)度多臺(tái)行車安全、高效作業(yè);AI視頻監(jiān)控系統(tǒng)不但實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況，同時(shí)運(yùn)用人工智能技術(shù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，預(yù)警信息將作為聯(lián)鎖信號(hào)接入智能物料處理系統(tǒng)，從而有效杜絕違規(guī)、防范安全風(fēng)險(xiǎn);應(yīng)急操作平臺(tái)則為應(yīng)對(duì)突發(fā)情況提供了備用控制手段。
(3)業(yè)務(wù)拓展層：體現(xiàn)了智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)與外部關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)的深度集成與協(xié)同創(chuàng)新。此層通過數(shù)據(jù)交互接口與質(zhì)量控制系統(tǒng)、物流發(fā)運(yùn)系統(tǒng)、生產(chǎn)過程DCS(分布式控制系統(tǒng))以及智能設(shè)備監(jiān)測(cè)優(yōu)化系統(tǒng)等進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料質(zhì)量、物流狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度以及設(shè)備健康狀況的實(shí)時(shí)感知與智能響應(yīng)，從而促進(jìn)了跨系統(tǒng)間的信息共享、決策優(yōu)化與業(yè)務(wù)流程的無縫銜接，共同構(gòu)成了一個(gè)高度集成、智能驅(qū)動(dòng)的物料處理生態(tài)系統(tǒng)。
三
智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)功能分為自動(dòng)行車、庫區(qū)建模、儲(chǔ)庫管理、智能調(diào)度、維修管理、安全保護(hù)六大模塊。
3.1自動(dòng)行車
自動(dòng)行車模塊作為智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)的核心組件，負(fù)責(zé)執(zhí)行由智能調(diào)度模塊下達(dá)的任務(wù)指令，其工作流程涵蓋了行車定位、抓斗定位與姿態(tài)控制、任務(wù)執(zhí)行以及系統(tǒng)通信四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2-51.
(1)行車定位：通過變頻器控制行車大、小車行走電機(jī)，配合格雷母線定位技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)大車與小車位置的精確檢測(cè)。相較于激光傳感器與編碼器加磁釘技術(shù)方案，格雷母線方案不但無累積誤差，同時(shí)其擁有更好的耐腐蝕性能。
(2)抓斗定位與姿態(tài)控制：在卷揚(yáng)滾筒上安裝絕對(duì)值編碼器并與驅(qū)動(dòng)的變頻器形成閉環(huán)控制，從而精確的計(jì)算抓斗的位置與開閉度。抓斗防搖控制可減少負(fù)載發(fā)生不必要的擺動(dòng)，它不但使系統(tǒng)停車精準(zhǔn)，而且通過更高速度和更短加速和減速時(shí)間來減少工作時(shí)間。防搖傳感功能的關(guān)鍵是獲取總擺臂長度(總擺臂長度是繩索長度和偏移量的總和)計(jì)算定義擺動(dòng)的時(shí)間常數(shù)(T),從而控制小車及大車科學(xué)加速和減速。防搖功能可使用起重專用變頻器(ABB880、匯川等)快速實(shí)現(xiàn)。
(3)任務(wù)執(zhí)行：行車的各項(xiàng)任務(wù)可以被分解為五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作：大車/小車移動(dòng)、抓斗下降、抓斗閉合、抓斗提升、抓斗打開。通過組合這些標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作并關(guān)聯(lián)坐標(biāo)，即可構(gòu)建出行車的全部任務(wù)。為了確保安全，智能調(diào)度模塊會(huì)將任務(wù)分解為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作順序或并行(多軸聯(lián)動(dòng))執(zhí)行，并在接收到預(yù)完成信號(hào)時(shí)適時(shí)發(fā)出后續(xù)指令，以兼顧執(zhí)行效率。
(4)系統(tǒng)通信：自動(dòng)行車模塊的PLC與智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)之間采用無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為確保任務(wù)指令傳遞的安全與可靠性，必須設(shè)計(jì)一套安全交互機(jī)制，用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)軟件與PLC硬件間的數(shù)據(jù)交換過程。
3.2庫區(qū)建模
庫區(qū)三維建模技術(shù)利用安裝于自動(dòng)行車一側(cè)的線性激光掃描儀實(shí)時(shí)掃描庫區(qū)數(shù)據(jù)6.并在行車移動(dòng)的過程中以特定的單位長度(例，0.5m)存入SQL數(shù)據(jù)庫，得到以0.5m為間距的庫區(qū)3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終動(dòng)態(tài)構(gòu)建與更新庫區(qū)三維模型(見圖3)。這里有兩點(diǎn)需要注意。首先，激光掃描儀揚(yáng)塵、飛鳥、反射等環(huán)境因素影響，直接測(cè)量的數(shù)據(jù)多伴有毛刺噪聲，這里我們使用梯度填充的算法進(jìn)行平滑填充。其次，掃描儀常固定于行車單側(cè)，而抓斗位于行車中央。因此在行車完成物料抓取作業(yè)后，如延掃描儀方向進(jìn)行，則無法獲取作業(yè)的后庫區(qū)狀態(tài)變化。盡管理論上在行車兩側(cè)增設(shè)掃描儀可以解決此問題，但將增加硬件投入成本。為此，我們可依據(jù)抓取物料的重量與容重關(guān)系估算抓取體積，采取一種補(bǔ)償算法的策略在短期內(nèi)估算料位的變化，從而在確保一定建模精度與實(shí)時(shí)性的同時(shí)，避免過高的硬件投入。
3.3儲(chǔ)庫管理
儲(chǔ)庫管理模塊作為系統(tǒng)的核心組件，其核心任務(wù)在于統(tǒng)籌規(guī)劃涉及人員配置、設(shè)備部署、物料分類及儲(chǔ)庫空間布局等多維度要素。模塊通過構(gòu)建高度仿真化的庫區(qū)數(shù)字化模型，精確再現(xiàn)儲(chǔ)庫實(shí)體環(huán)境的關(guān)鍵特征。該模型詳盡模擬儲(chǔ)庫實(shí)體中各功能單元的位置、形態(tài)及其邏輯交互。模型涵蓋卸料口、出料倉、存儲(chǔ)區(qū)域、物料種類、隔墻、檢修區(qū)等關(guān)鍵業(yè)務(wù)元素，通過內(nèi)嵌數(shù)據(jù)分析揭示業(yè)務(wù)元素間的空間關(guān)聯(lián)、流程協(xié)作規(guī)律及潛在優(yōu)化點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)管理可視性的同時(shí)，為儲(chǔ)庫運(yùn)營決策提供實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、多維數(shù)據(jù)支持。
3.4智能調(diào)度
聯(lián)合儲(chǔ)庫業(yè)務(wù)涵蓋生產(chǎn)、物流、質(zhì)量控制、設(shè)備維修、行車操作及駕駛員等多部門協(xié)作，智能調(diào)度模塊通過與生產(chǎn)DCS系統(tǒng)、物料發(fā)運(yùn)ADL系統(tǒng)、智能在線質(zhì)量控制系統(tǒng)以及智能設(shè)備監(jiān)測(cè)優(yōu)化系統(tǒng)之間的深度互聯(lián)與數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)全面的智能化調(diào)度管理(見圖4)。所有調(diào)度任務(wù)均放置與任務(wù)池中，在條件觸發(fā)激活7后按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)按序執(zhí)行。行車任務(wù)會(huì)被分解為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作組合，逐一下發(fā)PLC執(zhí)行。
(1)進(jìn)料調(diào)度：通過與物料發(fā)運(yùn)ADL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，利用進(jìn)料口讀卡器識(shí)別入庫物料種類，并與道閘系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，確保入庫物料品種的自動(dòng)識(shí)別與對(duì)應(yīng)入庫任務(wù)的自動(dòng)激活。
(2)出料調(diào)度：通過與生產(chǎn)DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，獲取皮帶喂料秤的計(jì)量數(shù)據(jù);結(jié)合行車稱重模塊的入庫重量信息與初始倉位評(píng)估值，構(gòu)建起較精確的虛擬倉位模型。此模型旨在模擬儲(chǔ)庫的實(shí)際容量狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的倉位上、下限閾值，自動(dòng)觸發(fā)或終止“補(bǔ)倉”作業(yè)。
(3)搭配調(diào)度：通過與質(zhì)控系統(tǒng)集成，實(shí)時(shí)獲取質(zhì)量管理部門設(shè)定的物料進(jìn)庫策略與出庫搭配方案，實(shí)現(xiàn)多品種原燃料的精細(xì)化搭配。
(4)協(xié)同調(diào)度：如果多臺(tái)行車的工作任務(wù)存在空間交互，協(xié)同調(diào)度將根據(jù)系統(tǒng)中的行車主、次與任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定，基于任務(wù)空間鎖定及安全空間判定規(guī)則，執(zhí)行限速、等待、避讓等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)多行車的協(xié)同作業(yè)。
3.5安全防護(hù)模塊
智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)在面對(duì)聯(lián)合儲(chǔ)庫庫區(qū)復(fù)雜性、多作業(yè)交互性、人員車輛密集等帶來的顯著安全風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，不僅關(guān)注行車安全、人員安全、卸貨車輛安全，還著力應(yīng)對(duì)任務(wù)安全與調(diào)度安全的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)采取硬件與軟件雙重措施，對(duì)各類安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全方位管控。
(1)硬件層面：在原有行車安全防護(hù)硬件基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過限位開關(guān)及攝像頭對(duì)庫區(qū)入口、登車口、快速門等關(guān)鍵通道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)庫區(qū)的全封閉管理。當(dāng)發(fā)生非法侵入時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)連鎖停機(jī)機(jī)制。在卸料口安裝急停按鈕、指示燈與道閘系統(tǒng)用于防范行車與卸料車輛交互作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)行車執(zhí)行卸料口抓取任務(wù)時(shí)，指示燈顯示紅色并禁止道閘抬桿;當(dāng)卸料車卸料及道閘抬桿狀態(tài)時(shí)，行車將禁止抓斗下降動(dòng)作。
(2)軟件層面：系統(tǒng)引入位置校驗(yàn)、安全空間判定、任務(wù)空間鎖定、AI監(jiān)控等功能防范運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
?、傥恢眯ｒ?yàn)：系統(tǒng)對(duì)行車位置進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)，結(jié)合變頻器轉(zhuǎn)速對(duì)車位置變化進(jìn)行梯度判定，錯(cuò)誤時(shí)連鎖停機(jī)。
②安全空間判定：行車由運(yùn)動(dòng)到停止的過程中其安全邊際是不斷變化的。
行車停車距離S通過公式
式中：v為行車速度，h為擺臂長度，g為重力，tac為減速時(shí)間。動(dòng)態(tài)計(jì)算各行車行進(jìn)中占用的安全空間及邊界，各行車的安全邊界間必須大于設(shè)定的安全距離。同時(shí)，基于行車間的距離，也可以計(jì)算相鄰行車的可釋放的最大相對(duì)速度。
?、廴蝿?wù)空間鎖定：行車任務(wù)執(zhí)行前會(huì)判定行車至目標(biāo)終點(diǎn)所需的任務(wù)空間是否可用，并在任務(wù)啟動(dòng)后動(dòng)態(tài)鎖定此區(qū)域，其他交互任務(wù)須在鎖定空間的安全距離外等待空間釋放后方可繼續(xù)執(zhí)行。
④AI監(jiān)控聯(lián)動(dòng)：實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)與AI監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，確保任務(wù)執(zhí)行、調(diào)度安排、人員活動(dòng)及車輛運(yùn)行全過程的安全性，全方位降低各類安全風(fēng)險(xiǎn)(見圖5)。
3.6維修模塊
維修模塊采用雙重策略進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。第一，維修模塊全面監(jiān)控行車設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)，詳盡統(tǒng)計(jì)與分析報(bào)警與故障信息，旨在構(gòu)建故障處理知識(shí)庫，為操作人員提供即時(shí)準(zhǔn)確的診斷與解決方案。第二，模塊將行車設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間、工作斗數(shù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至智能設(shè)備監(jiān)測(cè)優(yōu)化系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)既用于觸發(fā)預(yù)設(shè)的計(jì)劃性維護(hù)任務(wù)，確保設(shè)備在嚴(yán)重故障前得到適時(shí)維護(hù)，又支持系統(tǒng)通過深入挖掘與分析設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)故障征兆初顯時(shí)的預(yù)防性維修，有效防止故障發(fā)生，從而有力保障設(shè)備正常運(yùn)行與系統(tǒng)整體效率。
四、智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐
截至2023年12月，華新水泥已成功在其21家下屬工廠實(shí)現(xiàn)了智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)的規(guī)?；茝V和應(yīng)用(見表1)。在此過程中，共完成了65臺(tái)行車的現(xiàn)代化升級(jí)，并精簡(jiǎn)了76個(gè)行車操作崗位，顯著提升了勞動(dòng)效率，增長幅度高達(dá)50.32%。通過標(biāo)準(zhǔn)化的操作和系統(tǒng)的高效運(yùn)行管理，行車機(jī)械故障率下降幅度高達(dá)70%。同時(shí)，關(guān)鍵組件如鋼絲繩的使用壽命也得到了顯著提升，增幅超過50%。據(jù)初步估算，該智能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用每年為公司帶來近千萬人民幣的經(jīng)濟(jì)效益。
尤為重要的是，智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)與質(zhì)控、物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了深度集成與創(chuàng)新性融合，通過分區(qū)存儲(chǔ)與精細(xì)化搭配不同品質(zhì)的物料，有效抑制了出庫原燃料質(zhì)量的波動(dòng)性(見圖6)。以華新水泥昆明崇德水泥有限公司為例，該公司將煤炭存儲(chǔ)區(qū)域細(xì)分為15個(gè)子區(qū)域，通過系統(tǒng)的精細(xì)化調(diào)控，使得出磨煤粉的灰分波動(dòng)性較改造前下降約18.9%,出磨煤粉空干基熱值的波動(dòng)性也同步降低了約9.3%。
五、結(jié)論
水泥智能聯(lián)合儲(chǔ)庫物料處理系統(tǒng)打通了生產(chǎn)、質(zhì)量、物流等業(yè)務(wù)上下游，智能調(diào)度無人行車實(shí)現(xiàn)聯(lián)合儲(chǔ)庫車間的智能化作業(yè)，大大提高了工作效率，降低了原燃料的質(zhì)量波動(dòng)性，為下游生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)，有效的助力水泥行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。