作为全球最大的水泥生产国,我国已经实现水泥生产的自动化,但在水泥厂包装车间的袋装水泥装车作业环节,目前仍采用人力方式为主,不仅效率低下,而且更严重的是会对人体造成极大危害,引发皮肤病、骨骼损伤、尘肺病等20多种疾病。据粗略统计,目前我国每年有6.4万人从事水泥装车工作,其尘肺病患病率高达20%。而据中国尘肺病农民生存状况调查报告显示,尘肺病的死亡率高达22%,水泥搬运工人一旦患病,不得不承受身体的痛苦、高昂的医药费和给家庭带来的打击。因此,出于效率、健康、安全等各方面因素考虑,目前水泥装车作业亟待以自动化设备取代人力。
水泥厂主要有两种装车作业模式:离线装车和在线装车。
离线装车是指一些需要连续化生产或者需要进行生产调峰的场所,即在没有发运订单的情况下,客户自行进行包装生产并在托盘上码垛;码垛完成后存储在库内,一旦客户有订单需求,则优先对库内产品进行销售。这时客户可以进行整托销售,也可以对整托拆垛。产品拆垛成散袋后,通过输送线将散袋产品输送至自动装车机器人,自动装车机器人根据客户订单进行自动装车,装车完成后车辆驶离车道。具体应用场景,如图1所示。
图1 离线装车解决方案构成示意图
在线装车是指车辆到达装车车道后,客户启动包装机,然后进行散袋包装;散袋包装完成后通过输送线将装袋产品送到装车机器人,装车机器人根据客户订单进行自动装车,装车完成后车辆驶离车道。具体应用场景,如图2所示。
图2 在线装车解决方案构成示意图
需要说明的是,无论离线装车,还是在线装车,解决方案中核心的智能装车机器人为同一系统,在实际应用中,还有离线装车与在线装车做成同一大系统的,这样更加能够提升智能装车系统的利用率。
智能装车系统,由自动化机械、应用软件、车辆检测系统、视频分析、收尘系统组成。机械替代人员执行高负荷的体力劳动;收尘系统保证整个装车过程中清洁无尘;软件系统是整个产品的大脑,通过数据的流动,减少人的干预,让整个产品更加智能、安全可控。其运行方式如下:货车空车到达指定区域后无需移动,智能装车系统根据订单系统推送的装车总重量并自动识别车型,然后根据车厢尺寸自动编排装车垛型,装车机自动进行成品包装装车,装车机设有红外检测和机械计数两种计数方式,预留仓储系统接口,装车完成后输出语音和屏幕提示,货车离开。由此可见,智能装车系统可以从根本上实现水泥工厂的无尘化、数字化、无人化。
图3 自动装车机械手的组成部分
下面以杭州明度智能科技有限公司(简称“明度公司”)研发制造的智能装车系统为例,介绍该类产品的功能特点。
装车效率:2000~2400包/小时。
单组拆垛效率:1000~1200包/小时;总效率:2000~2400包/小时。
车辆通过高度:4米。
装车规格:车辆总长度4~17.5米,车辆宽度1.6~2.8米。
适应车型:高栏车、拉筋车(现有车辆扫描设备最大拉筋识别精度为5mm)、异形车、平板车、三轮车等敞篷车。
装车机系统通过以太网与厂区一卡通对接,实现订单信息自动获得,订单完成后推送信息给一卡通,减少装车环节人员数量。
装车机系统通过以太网与包装机、码垛机等工艺设备实现连锁控制,提高装车过程的自动化。
车辆到达后,装车机的3D激光雷达自动扫描车辆,自动获得车辆位置和车厢尺寸,自动计算垛型,自动装车。
装车机系统具有识别系统,以检测当前货车车厢的尺寸信息、空间方位、拉筋位置信息,反馈给控制系统,从而对装车系统进行自适应调节;采用视觉扫描系统,自动识别车辆长、宽、高等数据,自动生成所有数据(含码垛数据),避开拉筋位置。
全自动装车机设置联锁功能,做到整条传输线路联锁,装车机与包装线机械手进行联锁,当装车机停机或故障后,包装线机械手自动转换为托盘码垛模式。
装车过程中要求车辆不移动,装车机自动移动进行装车。
数据中心:与水泥厂原有物流排号系统、SAP系统、物流信息系统共享大数据,开放数据接口。
控制系统:智能化程度高,根据车辆的实际情况自动运算水泥的堆码方式。
远程控制与数据共享:24小时远程监控与数据系统对接实时共享。
全自动装车机安装有计数器,可以预设装车量,到设定值后具备联动停车功能,装车完成后声光提醒司机离开。
具有分段装车功能,放包高度低,无滑包,垛型整齐。可实现多品种水泥产品混装,设备会预留出空间以实现多次装车,或者留出人工装车空间。
采用2个机械手取包,每个机械手的传动系统配置2条链条传动(如图3)。链条按照双倍冗余进行选型,即单根链条可满足机械手活动负载,保证正常装车发运;在极端情况下,如某一根链条断裂,装车机可在拆除损坏链条后继续装车,再根据发运实际情况选择维修时间。
放包高度低,机械手升降最大行程为1.2米,取包工位能最大限度地下伸车厢放料,放包高度不高于40厘米,堆码整齐,破包率小于1‰。
图4是智能装车系统的整体技术架构,从下往上可以看到,在机械上使用了13种传感器,使得每个核心部位的机械零部件的状态都实时可见可控;该系统集成了激光雷达、视频监控技术,来实现无人干预下的车辆测量和异常监控;再上层,系统通过对接工厂所有的信息化系统,来实现数据开放和数据环流;对外部系统,提供了统一接口层,以标准化的接口方便快速接入平台、集成或者被其他系统所集成;在云端,系统部署了一整套运维管控的服务,让用户可以随时随地对工厂进行监控管理;同时,利用云端丰富的计算资源、存储资源,可以提供给工厂多维度的分析报表工具,来帮助工厂实现更好的运营。
图4 智能装车系统整体技术架构
随着国家对智慧工厂、智慧城市的大力支持和推广,智能装车系统能帮助水泥厂提升信息化水平,实现跨越式发展,进入业务上云、数据上云、数据共享的时代。
装水泥的货车种类繁杂,包括三轮车、平板车、C型车、凹型车、半挂车、高栏板车、平板车等。面对众多车型,如采用人工测量的方式显然工作量巨大。检测系统使用了一个激光线扫雷达,可以对车辆进行全方位无死角的扫描,将扫描后的数据转换为3D点云数据,通过相应算法的计算,得到车型与车厢长、宽、高等数据,测量精度可达到5mm以内,车型覆盖了目前所有袋装水泥运输车辆的车型,这也就意味着智能装车系统在车辆检测方面具有非常强的可复制性。3D云台测量系统的性能特点,见图5。
图5 3D云台测量系统的性能特点
工业物联网的核心是对设备数据进行采集。故障预测系统搭载有十多种传感器,通过加装工业物联网网关,对设备及传感器上的数据进行实时采集,采集到的数据实时上传到云端时序数据库,结合设备管理、物料管理两个模块的数据,对设备各个零部件进行实时分析;利用云端的计算资源进行历史数据的大数据计算,得到每个零部件当前的生命趋势图,对已出现故障或者即将出现故障的零部件进行及时告警通知,保证设备在不影响装车任务的情况下得到及时维护、维修。智能装车系统的运维管理平台,如图6所示。
图6 智能装车系统的运维管理平台
(1)智能装车系统对水泥的多种袋型有高度适用性,如图7所示。
图7 智能装车系统可以处理多种袋型的水泥
(2)只要一卡通系统开放接口,就可以与水泥厂包装车间发运系统实现无缝对接。同时,装车系统还可以与包装机、插袋机、转弯溜子等设备进行对接,实现整个系统的联动控制。
(3)现在很多水泥厂的包装机都已经使用多年,因此包装机输出的袋型比较复杂,有连包、横包、T型包等各种异常袋型。为了解决这些问题,确保装车系统运行的稳定性,智能装车系统还配置了袋包异常处理单元,如图8所示。
图8(1) 袋包异常处理单元——连包及横包处理装置
图8(2) 袋包异常处理单元——T形包处理装置
图8(3) 袋包异常处理单元——斜皮带连包控制单元
(4)收尘方式:在包含码垛机械手及其运动范围内(即落包范围正上方空间内),设计一全封闭空间作为收尘空间,通过收尘管道将扬尘收集到收尘系统,如图9所示。
图9 自动装车系统配备的全封闭空间, 通过管道将扬尘收集到收尘系统
(5)电气控制柜具有防水、防尘结构,防护等级为IP54,配置专用电柜空调,箱内散热采用空气内循环,隔绝箱外粉尘环境,走线穿线采用“穿墙板”和航空插头,控制柜符合IP54防护标准。电气控制柜设置接地端子,控制柜的制作安装采用板前线槽走线,柜内的元件安装便于维护。控制柜内设有资料放置盒,使资料取用方便,不易集纳灰尘。从控制柜引出的配线出口加装防尘盖。如图10所示。
图10 智能装车系统配置的电控柜具备防水、 防尘且保持箱内恒温的功能
(6)开发手机微信小程序,同时应用数字孪生技术,可以让工厂随时看到设备的运行状态、装车进度及装车量。如图11所示。
图11 客户端可以下载的APP, 对应项目分配相应账户进行访问, 可随时了解设备运行状况
(7)运用车辆引导技术及装车系统自动纠偏技术,助力司机快速停车及避免重复停车的麻烦,在车辆左右停偏15厘米以内的情况下,设备依旧可以实现正常装车。如图12所示。
图12 运用光电引导技术帮助司机停车, 并在设备行程上考虑司机 停车停偏的问题
此外,为适应不同车型,明度公司自动装车设备持续迭代,目前已经升级到HTSL-400机型,该机型可以覆盖所有开放式车型及袋型。
智能装车系统的市场成熟度
截至目前,明度公司的智能装车系统已经服务于中国建材旗下中联、西南、南方、同力、合肥院、凯盛院、成都院、武汉院等企业,同时还与金隅冀东、华新、台泥、葛洲坝、鱼峰、上峰、峨胜等多家水泥行业头部企业建立合作关系,服务客户总计台数已经达到百余台,同时该公司也与行业企业携手共同制定团体标准。日前,由明度公司牵头、4家行业企业共同制定的《袋装水泥(物料)智能装车系统》团体标准已经通过专家组评审。
为降低产品的价格,提升产品的性价比,并为客户提供有更好的体验,明度公司智能装车产品采用标准化模块生产,从制造到现场安装,整体时间基本只需约30天。此外,明度公司的智能装车系统应用领域也非常广泛,不仅服务于水泥行业,还延伸到化肥、化工、饲料、粮油等多个行业。
明度公司智能装车系统以经济、环保、民生为宗旨开发,这意味着该系统不仅关注经济效益,还注重对环境的影响和对社会的贡献。这种可持续发展的理念,对于现代企业而言非常重要。总体来说,随着智能技术和工业互联网发展,智能装车系统的市场需求有望持续增长。明度公司在该领域的积极探索和多个行业的应用经验,使其处于市场成熟度较高的地位,并有望在未来继续发展壮大。
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