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國，我國已經實現水泥生產的自動化，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。據粗略統(tǒng)計，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20%。而據中國塵肺病農民生存狀況調查報告顯示，塵肺病的死亡率高達22%，水泥搬運工人一旦患病，不得不承受身體的痛苦、高昂的醫(yī)藥費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)亟待以自動化設備取代人力。

智能裝車系統(tǒng)解決方案與功能特點

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)化生產或者需要進行生產調峰的場所，即在沒有發(fā)運訂單的情況下，客戶自行進行包裝生產并在托盤上碼垛；碼垛完成后存儲在庫內，一旦客戶有訂單需求，則優(yōu)先對庫內產品進行銷售。這時客戶可以進行整托銷售，也可以對整托拆垛。產品拆垛成散袋后，通過輸送線將散袋產品輸送至自動裝車機器人，自動裝車機器人根據客戶訂單進行自動裝車，裝車完成后車輛駛離車道。具體應用場景，如圖1所示。

圖1 離線裝車解決方案構成示意圖

2.在線裝車

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

圖2 在線裝車解決方案構成示意圖

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器人為同一系統(tǒng)，在實際應用中，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)，由自動化機械、應用軟件、車輛檢測系統(tǒng)、視頻分析、收塵系統(tǒng)組成。機械替代人員執(zhí)行高負荷的體力勞動；收塵系統(tǒng)保證整個裝車過程中清潔無塵；軟件系統(tǒng)是整個產品的大腦，通過數據的流動，減少人的干預，讓整個產品更加智能、安全可控。其運行方式如下：貨車空車到達指定區(qū)域后無需移動，智能裝車系統(tǒng)根據訂單系統(tǒng)推送的裝車總重量并自動識別車型，然后根據車廂尺寸自動編排裝車垛型，裝車機自動進行成品包裝裝車，裝車機設有紅外檢測和機械計數兩種計數方式，預留倉儲系統(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)可以從根本上實現水泥工廠的無塵化、數字化、無人化。

圖3 自動裝車機械手的組成部分

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，介紹該類產品的功能特點。

• 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。

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

• 裝車機系統(tǒng)通過以太網與廠區(qū)一卡通對接，實現訂單信息自動獲得，訂單完成后推送信息給一卡通，減少裝車環(huán)節(jié)人員數量。

• 裝車機系統(tǒng)通過以太網與包裝機、碼垛機等工藝設備實現連鎖控制，提高裝車過程的自動化。

• 車輛到達后，裝車機的3D激光雷達自動掃描車輛，自動獲得車輛位置和車廂尺寸，自動計算垛型，自動裝車。

• 裝車機系統(tǒng)具有識別系統(tǒng)，以檢測當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)進行自適應調節(jié)；采用視覺掃描系統(tǒng)，自動識別車輛長、寬、高等數據，自動生成所有數據（含碼垛數據），避開拉筋位置。

• 全自動裝車機設置聯(lián)鎖功能，做到整條傳輸線路聯(lián)鎖，裝車機與包裝線機械手進行聯(lián)鎖，當裝車機停機或故障后，包裝線機械手自動轉換為托盤碼垛模式。

• 裝車過程中要求車輛不移動，裝車機自動移動進行裝車。

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

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

• 遠程控制與數據共享：24小時遠程監(jiān)控與數據系統(tǒng)對接實時共享。

• 全自動裝車機安裝有計數器，可以預設裝車量，到設定值后具備聯(lián)動停車功能，裝車完成后聲光提醒司機離開。

• 具有分段裝車功能，放包高度低，無滑包，垛型整齊。可實現多品種水泥產品混裝，設備會預留出空間以實現多次裝車，或者留出人工裝車空間。

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

• 放包高度低，機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)技術架構

圖4是智能裝車系統(tǒng)的整體技術架構，從下往上可以看到，在機械上使用了13種傳感器，使得每個核心部位的機械零部件的狀態(tài)都實時可見可控；該系統(tǒng)集成了激光雷達、視頻監(jiān)控技術，來實現無人干預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)，來實現數據開放和數據環(huán)流；對外部系統(tǒng)，提供了統(tǒng)一接口層，以標準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)部署了一整套運維管控的服務，讓用戶可以隨時隨地對工廠進行監(jiān)控管理；同時，利用云端豐富的計算資源、存儲資源，可以提供給工廠多維度的分析報表工具，來幫助工廠實現更好的運營。

圖4 智能裝車系統(tǒng)整體技術架構

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，實現跨越式發(fā)展，進入業(yè)務上云、數據上云、數據共享的時代。

智能裝車系統(tǒng)的核心技術

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，可以對車輛進行全方位無死角的掃描，將掃描后的數據轉換為3D點云數據，通過相應算法的計算，得到車型與車廂長、寬、高等數據，測量精度可達到5mm以內，車型覆蓋了目前所有袋裝水泥運輸車輛的車型，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的可復制性。3D云臺測量系統(tǒng)的性能特點，見圖5。

圖5 3D云臺測量系統(tǒng)的性能特點

2.故障預測系統(tǒng)

工業(yè)物聯(lián)網的核心是對設備數據進行采集。故障預測系統(tǒng)搭載有十多種傳感器，通過加裝工業(yè)物聯(lián)網網關，對設備及傳感器上的數據進行實時采集，采集到的數據實時上傳到云端時序數據庫，結合設備管理、物料管理兩個模塊的數據，對設備各個零部件進行實時分析；利用云端的計算資源進行歷史數據的大數據計算，得到每個零部件當前的生命趨勢圖，對已出現故障或者即將出現故障的零部件進行及時告警通知，保證設備在不影響裝車任務的情況下得到及時維護、維修。智能裝車系統(tǒng)的運維管理平臺，如圖6所示。

圖6 智能裝車系統(tǒng)的運維管理平臺

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)運系統(tǒng)實現無縫對接。同時，裝車系統(tǒng)還可以與包裝機、插袋機、轉彎溜子等設備進行對接，實現整個系統(tǒng)的聯(lián)動控制。

（3）現在很多水泥廠的包裝機都已經使用多年，因此包裝機輸出的袋型比較復雜，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：在包含碼垛機械手及其運動范圍內（即落包范圍正上方空間內），設計一全封閉空間作為收塵空間，通過收塵管道將揚塵收集到收塵系統(tǒng)，如圖9所示。

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

（5）電氣控制柜具有防水、防塵結構，防護等級為IP54，配置專用電柜空調，箱內散熱采用空氣內循環(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防護標準。電氣控制柜設置接地端子，控制柜的制作安裝采用板前線槽走線，柜內的元件安裝便于維護。控制柜內設有資料放置盒，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、 防塵且保持箱內恒溫的功能

（6）開發(fā)手機微信小程序，同時應用數字孿生技術，可以讓工廠隨時看到設備的運行狀態(tài)、裝車進度及裝車量。如圖11所示。

圖11 客戶端可以下載的APP， 對應項目分配相應賬戶進行訪問， 可隨時了解設備運行狀況

（7）運用車輛引導技術及裝車系統(tǒng)自動糾偏技術，助力司機快速停車及避免重復停車的麻煩，在車輛左右停偏15厘米以內的情況下，設備依舊可以實現正常裝車。如圖12所示。

圖12 運用光電引導技術幫助司機停車， 并在設備行程上考慮司機 停車停偏的問題

此外，為適應不同車型，明度公司自動裝車設備持續(xù)迭代，目前已經升級到HTSL-400機型，該機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)已經服務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)建立合作關系，服務客戶總計臺數已經達到百余臺，同時該公司也與行業(yè)企業(yè)攜手共同制定團體標準。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)》團體標準已經通過專家組評審。

為降低產品的價格，提升產品的性價比，并為客戶提供有更好的體驗，明度公司智能裝車產品采用標準化模塊生產，從制造到現場安裝，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)應用領域也非常廣泛，不僅服務于水泥行業(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)以經濟、環(huán)保、民生為宗旨開發(fā)，這意味著該系統(tǒng)不僅關注經濟效益，還注重對環(huán)境的影響和對社會的貢獻。這種可持續(xù)發(fā)展的理念，對于現代企業(yè)而言非常重要。總體來說，隨著智能技術和工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展，智能裝車系統(tǒng)的市場需求有望持續(xù)增長。明度公司在該領域的積極探索和多個行業(yè)的應用經驗，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。