水泥包裝車間袋裝水泥人工裝車面臨的問題

作為全球最大的水泥生產(chǎn)國，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)的自動化，但在水泥廠包裝車間的袋裝水泥裝車作業(yè)環(huán)節(jié)，目前仍采用人力方式為主，不僅效率低下，而且更嚴(yán)重的是會對人體造成極大危害，引發(fā)皮膚病、骨骼損傷、塵肺病等20多種疾病。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，目前我國每年有6.4萬人從事水泥裝車工作，其塵肺病患病率高達(dá)20%。而據(jù)中國塵肺病農(nóng)民生存狀況調(diào)查報(bào)告顯示，塵肺病的死亡率高達(dá)22%，水泥搬運(yùn)工人一旦患病，不得不承受身體的痛苦、高昂的醫(yī)藥費(fèi)和給家庭帶來的打擊。因此，出于效率、健康、安全等各方面因素考慮，目前水泥裝車作業(yè)亟待以自動化設(shè)備取代人力。

智能裝車系統(tǒng)解決方案與功能特點(diǎn)

水泥廠主要有兩種裝車作業(yè)模式：離線裝車和在線裝車。

1.離線裝車

離線裝車是指一些需要連續(xù)化生產(chǎn)或者需要進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)峰的場所，即在沒有發(fā)運(yùn)訂單的情況下，客戶自行進(jìn)行包裝生產(chǎn)并在托盤上碼垛；碼垛完成后存儲在庫內(nèi)，一旦客戶有訂單需求，則優(yōu)先對庫內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行銷售。這時客戶可以進(jìn)行整托銷售，也可以對整托拆垛。產(chǎn)品拆垛成散袋后，通過輸送線將散袋產(chǎn)品輸送至自動裝車機(jī)器人，自動裝車機(jī)器人根據(jù)客戶訂單進(jìn)行自動裝車，裝車完成后車輛駛離車道。具體應(yīng)用場景，如圖1所示。

圖1 離線裝車解決方案構(gòu)成示意圖

2.在線裝車

在線裝車是指車輛到達(dá)裝車車道后，客戶啟動包裝機(jī)，然后進(jìn)行散袋包裝；散袋包裝完成后通過輸送線將裝袋產(chǎn)品送到裝車機(jī)器人，裝車機(jī)器人根據(jù)客戶訂單進(jìn)行自動裝車，裝車完成后車輛駛離車道。具體應(yīng)用場景，如圖2所示。

圖2 在線裝車解決方案構(gòu)成示意圖

需要說明的是，無論離線裝車，還是在線裝車，解決方案中核心的智能裝車機(jī)器人為同一系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中，還有離線裝車與在線裝車做成同一大系統(tǒng)的，這樣更加能夠提升智能裝車系統(tǒng)的利用率。

智能裝車系統(tǒng)，由自動化機(jī)械、應(yīng)用軟件、車輛檢測系統(tǒng)、視頻分析、收塵系統(tǒng)組成。機(jī)械替代人員執(zhí)行高負(fù)荷的體力勞動；收塵系統(tǒng)保證整個裝車過程中清潔無塵；軟件系統(tǒng)是整個產(chǎn)品的大腦，通過數(shù)據(jù)的流動，減少人的干預(yù)，讓整個產(chǎn)品更加智能、安全可控。其運(yùn)行方式如下：貨車空車到達(dá)指定區(qū)域后無需移動，智能裝車系統(tǒng)根據(jù)訂單系統(tǒng)推送的裝車總重量并自動識別車型，然后根據(jù)車廂尺寸自動編排裝車垛型，裝車機(jī)自動進(jìn)行成品包裝裝車，裝車機(jī)設(shè)有紅外檢測和機(jī)械計(jì)數(shù)兩種計(jì)數(shù)方式，預(yù)留倉儲系統(tǒng)接口，裝車完成后輸出語音和屏幕提示，貨車離開。由此可見，智能裝車系統(tǒng)可以從根本上實(shí)現(xiàn)水泥工廠的無塵化、數(shù)字化、無人化。

圖3 自動裝車機(jī)械手的組成部分

下面以杭州明度智能科技有限公司（簡稱“明度公司”）研發(fā)制造的智能裝車系統(tǒng)為例，介紹該類產(chǎn)品的功能特點(diǎn)。

• 裝車效率：2000～2400包/小時。

• 單組拆垛效率：1000～1200包/小時；總效率：2000～2400包/小時。

• 車輛通過高度：4米。

• 裝車規(guī)格：車輛總長度4～17.5米，車輛寬度1.6～2.8米。

• 適應(yīng)車型：高欄車、拉筋車（現(xiàn)有車輛掃描設(shè)備最大拉筋識別精度為5mm）、異形車、平板車、三輪車等敞篷車。

• 裝車機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與廠區(qū)一卡通對接，實(shí)現(xiàn)訂單信息自動獲得，訂單完成后推送信息給一卡通，減少裝車環(huán)節(jié)人員數(shù)量。

• 裝車機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與包裝機(jī)、碼垛機(jī)等工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)連鎖控制，提高裝車過程的自動化。

• 車輛到達(dá)后，裝車機(jī)的3D激光雷達(dá)自動掃描車輛，自動獲得車輛位置和車廂尺寸，自動計(jì)算垛型，自動裝車。

• 裝車機(jī)系統(tǒng)具有識別系統(tǒng)，以檢測當(dāng)前貨車車廂的尺寸信息、空間方位、拉筋位置信息，反饋給控制系統(tǒng)，從而對裝車系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)；采用視覺掃描系統(tǒng)，自動識別車輛長、寬、高等數(shù)據(jù)，自動生成所有數(shù)據(jù)（含碼垛數(shù)據(jù)），避開拉筋位置。

• 全自動裝車機(jī)設(shè)置聯(lián)鎖功能，做到整條傳輸線路聯(lián)鎖，裝車機(jī)與包裝線機(jī)械手進(jìn)行聯(lián)鎖，當(dāng)裝車機(jī)停機(jī)或故障后，包裝線機(jī)械手自動轉(zhuǎn)換為托盤碼垛模式。

• 裝車過程中要求車輛不移動，裝車機(jī)自動移動進(jìn)行裝車。

• 數(shù)據(jù)中心：與水泥廠原有物流排號系統(tǒng)、SAP系統(tǒng)、物流信息系統(tǒng)共享大數(shù)據(jù)，開放數(shù)據(jù)接口。

• 控制系統(tǒng)：智能化程度高，根據(jù)車輛的實(shí)際情況自動運(yùn)算水泥的堆碼方式。

• 遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)共享：24小時遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)系統(tǒng)對接實(shí)時共享。

• 全自動裝車機(jī)安裝有計(jì)數(shù)器，可以預(yù)設(shè)裝車量，到設(shè)定值后具備聯(lián)動停車功能，裝車完成后聲光提醒司機(jī)離開。

• 具有分段裝車功能，放包高度低，無滑包，垛型整齊?？蓪?shí)現(xiàn)多品種水泥產(chǎn)品混裝，設(shè)備會預(yù)留出空間以實(shí)現(xiàn)多次裝車，或者留出人工裝車空間。

• 采用2個機(jī)械手取包，每個機(jī)械手的傳動系統(tǒng)配置2條鏈條傳動（如圖3）。鏈條按照雙倍冗余進(jìn)行選型，即單根鏈條可滿足機(jī)械手活動負(fù)載，保證正常裝車發(fā)運(yùn)；在極端情況下，如某一根鏈條斷裂，裝車機(jī)可在拆除損壞鏈條后繼續(xù)裝車，再根據(jù)發(fā)運(yùn)實(shí)際情況選擇維修時間。

• 放包高度低，機(jī)械手升降最大行程為1.2米，取包工位能最大限度地下伸車廂放料，放包高度不高于40厘米，堆碼整齊，破包率小于1‰。

智能裝車系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

圖4是智能裝車系統(tǒng)的整體技術(shù)架構(gòu)，從下往上可以看到，在機(jī)械上使用了13種傳感器，使得每個核心部位的機(jī)械零部件的狀態(tài)都實(shí)時可見可控；該系統(tǒng)集成了激光雷達(dá)、視頻監(jiān)控技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)下的車輛測量和異常監(jiān)控；再上層，系統(tǒng)通過對接工廠所有的信息化系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)開放和數(shù)據(jù)環(huán)流；對外部系統(tǒng)，提供了統(tǒng)一接口層，以標(biāo)準(zhǔn)化的接口方便快速接入平臺、集成或者被其他系統(tǒng)所集成；在云端，系統(tǒng)部署了一整套運(yùn)維管控的服務(wù)，讓用戶可以隨時隨地對工廠進(jìn)行監(jiān)控管理；同時，利用云端豐富的計(jì)算資源、存儲資源，可以提供給工廠多維度的分析報(bào)表工具，來幫助工廠實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)營。

圖4 智能裝車系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)

隨著國家對智慧工廠、智慧城市的大力支持和推廣，智能裝車系統(tǒng)能幫助水泥廠提升信息化水平，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，進(jìn)入業(yè)務(wù)上云、數(shù)據(jù)上云、數(shù)據(jù)共享的時代。

智能裝車系統(tǒng)的核心技術(shù)

1.車輛檢測系統(tǒng)

裝水泥的貨車種類繁雜，包括三輪車、平板車、C型車、凹型車、半掛車、高欄板車、平板車等。面對眾多車型，如采用人工測量的方式顯然工作量巨大。檢測系統(tǒng)使用了一個激光線掃雷達(dá)，可以對車輛進(jìn)行全方位無死角的掃描，將掃描后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)算法的計(jì)算，得到車型與車廂長、寬、高等數(shù)據(jù)，測量精度可達(dá)到5mm以內(nèi)，車型覆蓋了目前所有袋裝水泥運(yùn)輸車輛的車型，這也就意味著智能裝車系統(tǒng)在車輛檢測方面具有非常強(qiáng)的可復(fù)制性。3D云臺測量系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，見圖5。

圖5 3D云臺測量系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

2.故障預(yù)測系統(tǒng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心是對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。故障預(yù)測系統(tǒng)搭載有十多種傳感器，通過加裝工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，對設(shè)備及傳感器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到云端時序數(shù)據(jù)庫，結(jié)合設(shè)備管理、物料管理兩個模塊的數(shù)據(jù)，對設(shè)備各個零部件進(jìn)行實(shí)時分析；利用云端的計(jì)算資源進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)計(jì)算，得到每個零部件當(dāng)前的生命趨勢圖，對已出現(xiàn)故障或者即將出現(xiàn)故障的零部件進(jìn)行及時告警通知，保證設(shè)備在不影響裝車任務(wù)的情況下得到及時維護(hù)、維修。智能裝車系統(tǒng)的運(yùn)維管理平臺，如圖6所示。

圖6 智能裝車系統(tǒng)的運(yùn)維管理平臺

3.其他核心功能

（1）智能裝車系統(tǒng)對水泥的多種袋型有高度適用性，如圖7所示。

圖7 智能裝車系統(tǒng)可以處理多種袋型的水泥

（2）只要一卡通系統(tǒng)開放接口，就可以與水泥廠包裝車間發(fā)運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對接。同時，裝車系統(tǒng)還可以與包裝機(jī)、插袋機(jī)、轉(zhuǎn)彎溜子等設(shè)備進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的聯(lián)動控制。

（3）現(xiàn)在很多水泥廠的包裝機(jī)都已經(jīng)使用多年，因此包裝機(jī)輸出的袋型比較復(fù)雜，有連包、橫包、T型包等各種異常袋型。為了解決這些問題，確保裝車系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，智能裝車系統(tǒng)還配置了袋包異常處理單元，如圖8所示。

圖8(1) 袋包異常處理單元——連包及橫包處理裝置

圖8(2) 袋包異常處理單元——T形包處理裝置

圖8(3) 袋包異常處理單元——斜皮帶連包控制單元

（4）收塵方式：在包含碼垛機(jī)械手及其運(yùn)動范圍內(nèi)（即落包范圍正上方空間內(nèi)），設(shè)計(jì)一全封閉空間作為收塵空間，通過收塵管道將揚(yáng)塵收集到收塵系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 自動裝車系統(tǒng)配備的全封閉空間， 通過管道將揚(yáng)塵收集到收塵系統(tǒng)

（5）電氣控制柜具有防水、防塵結(jié)構(gòu)，防護(hù)等級為IP54，配置專用電柜空調(diào)，箱內(nèi)散熱采用空氣內(nèi)循環(huán)，隔絕箱外粉塵環(huán)境，走線穿線采用“穿墻板”和航空插頭，控制柜符合IP54防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。電氣控制柜設(shè)置接地端子，控制柜的制作安裝采用板前線槽走線，柜內(nèi)的元件安裝便于維護(hù)。控制柜內(nèi)設(shè)有資料放置盒，使資料取用方便，不易集納灰塵。從控制柜引出的配線出口加裝防塵蓋。如圖10所示。

圖10 智能裝車系統(tǒng)配置的電控柜具備防水、 防塵且保持箱內(nèi)恒溫的功能

（6）開發(fā)手機(jī)微信小程序，同時應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以讓工廠隨時看到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、裝車進(jìn)度及裝車量。如圖11所示。

圖11 客戶端可以下載的APP， 對應(yīng)項(xiàng)目分配相應(yīng)賬戶進(jìn)行訪問， 可隨時了解設(shè)備運(yùn)行狀況

（7）運(yùn)用車輛引導(dǎo)技術(shù)及裝車系統(tǒng)自動糾偏技術(shù)，助力司機(jī)快速停車及避免重復(fù)停車的麻煩，在車輛左右停偏15厘米以內(nèi)的情況下，設(shè)備依舊可以實(shí)現(xiàn)正常裝車。如圖12所示。

圖12 運(yùn)用光電引導(dǎo)技術(shù)幫助司機(jī)停車， 并在設(shè)備行程上考慮司機(jī) 停車停偏的問題

此外，為適應(yīng)不同車型，明度公司自動裝車設(shè)備持續(xù)迭代，目前已經(jīng)升級到HTSL-400機(jī)型，該機(jī)型可以覆蓋所有開放式車型及袋型。

智能裝車系統(tǒng)的市場成熟度

截至目前，明度公司的智能裝車系統(tǒng)已經(jīng)服務(wù)于中國建材旗下中聯(lián)、西南、南方、同力、合肥院、凱盛院、成都院、武漢院等企業(yè)，同時還與金隅冀東、華新、臺泥、葛洲壩、魚峰、上峰、峨勝等多家水泥行業(yè)頭部企業(yè)建立合作關(guān)系，服務(wù)客戶總計(jì)臺數(shù)已經(jīng)達(dá)到百余臺，同時該公司也與行業(yè)企業(yè)攜手共同制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。日前，由明度公司牽頭、4家行業(yè)企業(yè)共同制定的《袋裝水泥（物料）智能裝車系統(tǒng)》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過專家組評審。

為降低產(chǎn)品的價格，提升產(chǎn)品的性價比，并為客戶提供有更好的體驗(yàn)，明度公司智能裝車產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊生產(chǎn)，從制造到現(xiàn)場安裝，整體時間基本只需約30天。此外，明度公司的智能裝車系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，不僅服務(wù)于水泥行業(yè)，還延伸到化肥、化工、飼料、糧油等多個行業(yè)。

明度公司智能裝車系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、民生為宗旨開發(fā)，這意味著該系統(tǒng)不僅關(guān)注經(jīng)濟(jì)效益，還注重對環(huán)境的影響和對社會的貢獻(xiàn)。這種可持續(xù)發(fā)展的理念，對于現(xiàn)代企業(yè)而言非常重要。總體來說，隨著智能技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，智能裝車系統(tǒng)的市場需求有望持續(xù)增長。明度公司在該領(lǐng)域的積極探索和多個行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使其處于市場成熟度較高的地位，并有望在未來繼續(xù)發(fā)展壯大。