隨著全球對環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展的關注度持續(xù)攀升，水泥行業(yè)作為支撐基礎設施建設的核心產業(yè)，正面臨迫切的綠色低碳轉型壓力。其中，廣泛采用替代原、燃料成為推動這一轉型進程的關鍵途徑之一。然而，我國替代原燃料資源特性復雜，包括成分多樣、品質參差、特異性強、含害物質多，且地理分布不均、來源廣泛、供應穩(wěn)定性差。在此背景下，聯(lián)合儲庫以其獨特的靈活性、高單位面積儲量、改善濕黏物料性能、促進多區(qū)物料混搭及節(jié)省用地等優(yōu)勢逐漸凸顯，逐漸成為應對復雜替代原燃料儲存與搭配的理想解決方案(見圖1)。然而，聯(lián)合儲庫業(yè)務涉及物流、質量、生產、維修、人員、車輛等多個環(huán)節(jié)，協(xié)調與協(xié)作復雜。物料的進出庫搭配作業(yè)高度依賴人工操作，工人勞動強度大，長期精準搭配物料難。同時，庫區(qū)作業(yè)環(huán)境復雜，頻繁的人車交互增加了安全風險。
為了解決上述問題，華新水泥積極研發(fā)出基于全自動行車的智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)，并在13家工廠進行了廣泛的推廣與實踐。該系統(tǒng)不僅有效提升了生產效能，還確保了產品質量的穩(wěn)定，同時在保障作業(yè)安全及降低碳排放等方面也展現(xiàn)了其實際價值。
二、智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)構成
智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)主要由三個功能層級構成：現(xiàn)場控制層、智能調度層以及業(yè)務拓展層，其系統(tǒng)架構見圖2.
(1)現(xiàn)場控制層：作為底層硬件設施的集合，負責直接對物料處理過程進行實時監(jiān)控與控制。該層由自動行車系統(tǒng)、無線通信模塊以及現(xiàn)場管理系統(tǒng)三大組件構成，各組件內嵌不同類型的軟硬件設施以滿足特定功能需求。具體而言，自動行車系統(tǒng)集成了一系列關鍵硬件設備，諸如變頻器以調節(jié)行車運行速度，PLC(可編程邏輯控制器)實現(xiàn)復雜的控制邏輯，編碼器用于精確測定行車位移，稱重傳感器確保物料重量的精確計量，激光掃描儀與激光測距設備則用于空間定位與物料識別，RFID(無線射頻識別)系統(tǒng)用于編碼器校正管理，而限位開關則為行車操作設定安全邊界?，F(xiàn)場管理系統(tǒng)則包含了地面站PLC以協(xié)調地面設備運行，道閘系統(tǒng)確保物料進出有序，以及報警指示設備以及時警示潛在異常狀況。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)及應急操作平臺三大子系統(tǒng)構成。智能物料處理系統(tǒng)負責建立聯(lián)合儲庫數(shù)字模型，綜合管理聯(lián)合儲庫業(yè)務及設備、統(tǒng)計分析運行數(shù)據(jù)，規(guī)劃及調度多臺行車安全、高效作業(yè);AI視頻監(jiān)控系統(tǒng)不但實時顯示現(xiàn)場作業(yè)情況，同時運用人工智能技術對視頻數(shù)據(jù)進行監(jiān)測預警，預警信息將作為聯(lián)鎖信號接入智能物料處理系統(tǒng)，從而有效杜絕違規(guī)、防范安全風險;應急操作平臺則為應對突發(fā)情況提供了備用控制手段。
(3)業(yè)務拓展層：體現(xiàn)了智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)與外部關鍵業(yè)務系統(tǒng)的深度集成與協(xié)同創(chuàng)新。此層通過數(shù)據(jù)交互接口與質量控制系統(tǒng)、物流發(fā)運系統(tǒng)、生產過程DCS(分布式控制系統(tǒng))以及智能設備監(jiān)測優(yōu)化系統(tǒng)等進行雙向數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了對物料質量、物流狀態(tài)、生產進度以及設備健康狀況的實時感知與智能響應，從而促進了跨系統(tǒng)間的信息共享、決策優(yōu)化與業(yè)務流程的無縫銜接，共同構成了一個高度集成、智能驅動的物料處理生態(tài)系統(tǒng)。
三
智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)功能分為自動行車、庫區(qū)建模、儲庫管理、智能調度、維修管理、安全保護六大模塊。
3.1自動行車
自動行車模塊作為智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)的核心組件，負責執(zhí)行由智能調度模塊下達的任務指令，其工作流程涵蓋了行車定位、抓斗定位與姿態(tài)控制、任務執(zhí)行以及系統(tǒng)通信四個關鍵環(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，配合格雷母線定位技術，以實現(xiàn)大車與小車位置的精確檢測。相較于激光傳感器與編碼器加磁釘技術方案，格雷母線方案不但無累積誤差，同時其擁有更好的耐腐蝕性能。
(2)抓斗定位與姿態(tài)控制：在卷揚滾筒上安裝絕對值編碼器并與驅動的變頻器形成閉環(huán)控制，從而精確的計算抓斗的位置與開閉度。抓斗防搖控制可減少負載發(fā)生不必要的擺動，它不但使系統(tǒng)停車精準，而且通過更高速度和更短加速和減速時間來減少工作時間。防搖傳感功能的關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)計算定義擺動的時間常數(shù)(T),從而控制小車及大車科學加速和減速。防搖功能可使用起重專用變頻器(ABB880、匯川等)快速實現(xiàn)。
(3)任務執(zhí)行：行車的各項任務可以被分解為五個標準動作：大車/小車移動、抓斗下降、抓斗閉合、抓斗提升、抓斗打開。通過組合這些標準動作并關聯(lián)坐標，即可構建出行車的全部任務。為了確保安全，智能調度模塊會將任務分解為標準動作順序或并行(多軸聯(lián)動)執(zhí)行，并在接收到預完成信號時適時發(fā)出后續(xù)指令，以兼顧執(zhí)行效率。
(4)系統(tǒng)通信：自動行車模塊的PLC與智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)之間采用無線通信方式進行數(shù)據(jù)交互。為確保任務指令傳遞的安全與可靠性，必須設計一套安全交互機制，用于協(xié)調系統(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)三維建模技術利用安裝于自動行車一側的線性激光掃描儀實時掃描庫區(qū)數(shù)據(jù)6.并在行車移動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點云數(shù)據(jù)，最終動態(tài)構建與更新庫區(qū)三維模型(見圖3)。這里有兩點需要注意。首先，激光掃描儀揚塵、飛鳥、反射等環(huán)境因素影響，直接測量的數(shù)據(jù)多伴有毛刺噪聲，這里我們使用梯度填充的算法進行平滑填充。其次，掃描儀常固定于行車單側，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增設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系估算抓取體積，采取一種補償算法的策略在短期內估算料位的變化，從而在確保一定建模精度與實時性的同時，避免過高的硬件投入。
3.3儲庫管理
儲庫管理模塊作為系統(tǒng)的核心組件，其核心任務在于統(tǒng)籌規(guī)劃涉及人員配置、設備部署、物料分類及儲庫空間布局等多維度要素。模塊通過構建高度仿真化的庫區(qū)數(shù)字化模型，精確再現(xiàn)儲庫實體環(huán)境的關鍵特征。該模型詳盡模擬儲庫實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、存儲區(qū)域、物料種類、隔墻、檢修區(qū)等關鍵業(yè)務元素，通過內嵌數(shù)據(jù)分析揭示業(yè)務元素間的空間關聯(lián)、流程協(xié)作規(guī)律及潛在優(yōu)化點，在實現(xiàn)管理可視性的同時，為儲庫運營決策提供實時、精準、多維數(shù)據(jù)支持。
3.4智能調度
聯(lián)合儲庫業(yè)務涵蓋生產、物流、質量控制、設備維修、行車操作及駕駛員等多部門協(xié)作，智能調度模塊通過與生產DCS系統(tǒng)、物料發(fā)運ADL系統(tǒng)、智能在線質量控制系統(tǒng)以及智能設備監(jiān)測優(yōu)化系統(tǒng)之間的深度互聯(lián)與數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)全面的智能化調度管理(見圖4)。所有調度任務均放置與任務池中，在條件觸發(fā)激活7后按照設定的優(yōu)先級按序執(zhí)行。行車任務會被分解為標準動作組合，逐一下發(fā)PLC執(zhí)行。
(1)進料調度：通過與物料發(fā)運ADL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，利用進料口讀卡器識別入庫物料種類，并與道閘系統(tǒng)聯(lián)動，確保入庫物料品種的自動識別與對應入庫任務的自動激活。
(2)出料調度：通過與生產DCS系統(tǒng)實時通信，獲取皮帶喂料秤的計量數(shù)據(jù);結合行車稱重模塊的入庫重量信息與初始倉位評估值，構建起較精確的虛擬倉位模型。此模型旨在模擬儲庫的實際容量狀態(tài)，并根據(jù)預設的倉位上、下限閾值，自動觸發(fā)或終止“補倉”作業(yè)。
(3)搭配調度：通過與質控系統(tǒng)集成，實時獲取質量管理部門設定的物料進庫策略與出庫搭配方案，實現(xiàn)多品種原燃料的精細化搭配。
(4)協(xié)同調度：如果多臺行車的工作任務存在空間交互，協(xié)同調度將根據(jù)系統(tǒng)中的行車主、次與任務優(yōu)先級設定，基于任務空間鎖定及安全空間判定規(guī)則，執(zhí)行限速、等待、避讓等動作，從而實現(xiàn)多行車的協(xié)同作業(yè)。
3.5安全防護模塊
智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)在面對聯(lián)合儲庫庫區(qū)復雜性、多作業(yè)交互性、人員車輛密集等帶來的顯著安全風險時，不僅關注行車安全、人員安全、卸貨車輛安全，還著力應對任務安全與調度安全的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)采取硬件與軟件雙重措施，對各類安全風險進行全方位管控。
(1)硬件層面：在原有行車安全防護硬件基礎上，系統(tǒng)通過限位開關及攝像頭對庫區(qū)入口、登車口、快速門等關鍵通道進行實時監(jiān)管，實現(xiàn)對庫區(qū)的全封閉管理。當發(fā)生非法侵入時，系統(tǒng)將觸發(fā)連鎖停機機制。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)風險。當行車執(zhí)行卸料口抓取任務時，指示燈顯示紅色并禁止道閘抬桿;當卸料車卸料及道閘抬桿狀態(tài)時，行車將禁止抓斗下降動作。
(2)軟件層面：系統(tǒng)引入位置校驗、安全空間判定、任務空間鎖定、AI監(jiān)控等功能防范運行風險。
①位置校驗：系統(tǒng)對行車位置進行實時校驗，結合變頻器轉速對車位置變化進行梯度判定，錯誤時連鎖停機。
?、诎踩臻g判定：行車由運動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為減速時間。動態(tài)計算各行車行進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定的安全距離。同時，基于行車間的距離，也可以計算相鄰行車的可釋放的最大相對速度。
?、廴蝿湛臻g鎖定：行車任務執(zhí)行前會判定行車至目標終點所需的任務空間是否可用，并在任務啟動后動態(tài)鎖定此區(qū)域，其他交互任務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。
?、蹵I監(jiān)控聯(lián)動：實現(xiàn)設備狀態(tài)與AI監(jiān)控系統(tǒng)的實時聯(lián)動，確保任務執(zhí)行、調度安排、人員活動及車輛運行全過程的安全性，全方位降低各類安全風險(見圖5)。
3.6維修模塊
維修模塊采用雙重策略進行設備維護。第一，維修模塊全面監(jiān)控行車設備各項運行參數(shù)與狀態(tài)，詳盡統(tǒng)計與分析報警與故障信息，旨在構建故障處理知識庫，為操作人員提供即時準確的診斷與解決方案。第二，模塊將行車設備實際運行時間、工作斗數(shù)等關鍵數(shù)據(jù)實時傳輸至智能設備監(jiān)測優(yōu)化系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)既用于觸發(fā)預設的計劃性維護任務，確保設備在嚴重故障前得到適時維護，又支持系統(tǒng)通過深入挖掘與分析設備運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)故障征兆初顯時的預防性維修，有效防止故障發(fā)生，從而有力保障設備正常運行與系統(tǒng)整體效率。
四、智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)應用實踐
截至2023年12月，華新水泥已成功在其21家下屬工廠實現(xiàn)了智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)的規(guī)?；茝V和應用(見表1)。在此過程中，共完成了65臺行車的現(xiàn)代化升級，并精簡了76個行車操作崗位，顯著提升了勞動效率，增長幅度高達50.32%。通過標準化的操作和系統(tǒng)的高效運行管理，行車機械故障率下降幅度高達70%。同時，關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)的廣泛應用每年為公司帶來近千萬人民幣的經(jīng)濟效益。
尤為重要的是，智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)與質控、物流系統(tǒng)實現(xiàn)了深度集成與創(chuàng)新性融合，通過分區(qū)存儲與精細化搭配不同品質的物料，有效抑制了出庫原燃料質量的波動性(見圖6)。以華新水泥昆明崇德水泥有限公司為例，該公司將煤炭存儲區(qū)域細分為15個子區(qū)域，通過系統(tǒng)的精細化調控，使得出磨煤粉的灰分波動性較改造前下降約18.9%,出磨煤粉空干基熱值的波動性也同步降低了約9.3%。
五、結論
水泥智能聯(lián)合儲庫物料處理系統(tǒng)打通了生產、質量、物流等業(yè)務上下游，智能調度無人行車實現(xiàn)聯(lián)合儲庫車間的智能化作業(yè)，大大提高了工作效率，降低了原燃料的質量波動性，為下游生產的連續(xù)穩(wěn)定運行奠定了基礎，有效的助力水泥行業(yè)的綠色轉型。