一种智能化铸造起重机研发
随着《中国制造 2025》战略规划的全面实施，钢铁行业在产能结构优化、产业发展等方面都做了相应的布局和调整，积极推进智能转型工作，推动高质量发展。在 2019 年中国钢铁协会年会中，将大力发展适用于大冶金工业流程的智能制造列为了钢铁工业下一阶段的重点工作。国内多个钢铁生产企业均提出了建设智慧钢厂的目标，智能化示范工厂建设的需求不断加大。铸造起重机作为液态金属搬运的核心设备，是炼钢生产中的重要环节，提高铸造起重机的智能化水平，是建设智慧钢厂的必要前提。铸造起重机工作级别高、工作环境恶劣、事故危害性大，实现铸造起重机智能化的目标，可以降低岗位人员劳动强度，提高设备安全管控水平，减少生产线上人员干预，降低事故率，同时提高转炉、连铸、吊运多部门间的横向工艺协同能力，优化工艺流程，提高作业效率。
文中针对国内铸造起重机的智能化需求，结合多年的专业研发经验，以提高铸造起重机智能化水平、降低人员干预度、提高生产效率为目标，在起重机自动运行与智能维护方面做了大量的研究工作，开发出具有智能化概念的 250 t 铸造起重机。
1. 设备主要性能及创新点
250 t 铸造起重机具有多项领先技术和功能。该起重机电气采用“上位工业控制计算机 +PLC+ 基础变频传动”组成的三级系统控制方式：上位工业控制计算机为综合监控系统，监控整车的运行和故障状态，PLC 实现整车运行的时序逻辑控制，变频传动驱动各机构协调动作实现可控运行。采用先进可靠的三维定位传感器技术辅助操作人员实现精确定位，基于无线通信的网络拓扑，可将起重机与地面集控室有效连接，实现数据交换，此外在运维保养方面，该起重机也更加智能化，设备主要创新点有以下方面。
（1）无人自动巡航与安全路径
起重机接收上层控制平台的工作指令信息，基于三维定位系统，进行坐标变换，经过“一键确认”后起重机可自动巡航至工作面的目标位置，在巡航过程中，起重机将实时判断当前位置与安全路径的关系，自动避开非安全区域，从而提高作业效率，减少操作人员的工作量。
（2）操作权限管理功能
起重机控制系统中预存操作人员的指纹信息，当操作人员对起重机进行操作时，首先需要进行指纹识别，当识别通过后，方可操作起重机运行。起重机的控制系统可将操作人员的身份信息和操作信息记录并保存，实现责任到人。
（3）基于全工厂的智能化控制
传统的起重机是作为单一个体独立控制，文中起重机作为全工厂智能化控制的一个对象，接收地面的控制命令，参与到工厂智能化的生产当中；此外，起重机的状态信息也将发送到地面中控室内，参与地面设备的控制。
（4）双向视频监控功能
在起重机关键位置安装摄像头，用于状态监视，在主梁端部安装多个摄像头，用于监控吊点。此外特别地，起重机上还能根据需要显示地面相关工位的视频图像，起重机也能够根据需要将机上的图像发送到地面控制室。
2. 与国外同类型产品技术性能比较
根据国外调研反��，国外铸造起重机目前仍为人工本地操作，虽然起重机上各子系统的自动化水平比较高，但是整机的智能化程度并不高。科尼和德马格起重机在整机的智能化和远程运维服务方面具有一系列市场化的解决方案，主要是集中在港口、汽车生产和废物再生能源领域。国内冶金起重机的智能化研究主要集中在钢卷库智能仓储系统配套的夹钳起重机，铸造起重机的智能
化开发尚处于起步发展阶段。
3. 解决关键技术的具体措施和技术方案
250 t智能铸造起重机集成了目前国际、国内最先进、成熟的机械、电气技术，具有结构设计合理自重轻、安装维护方便、运行平稳、故障可追溯、使用安全可靠、简单便利等优点。
桥架为四梁四轨铰接型式，由两根外主梁、两根副主梁、端梁铰及连杆组成。铰接式端梁桥架，解除了结构中的多余约束，变超静定结构为静定结构，使桥架的端梁和主梁头部不承受水平弯曲应力，避免了结构过早出现疲劳裂纹的可能性，延长了结构寿命。
（1）多传动全变频调速系统
主起升系统采用差动行星减速器布置，并配专用高温强制油液冷却循环系统，油温控制在 60℃以下，油冷循环泵采用一用一备配置，当一台润滑泵出现故障能切换至另一路继续工作。采用差动行星减速器的优点是：驱动采用两台电机，当一台驱动电机故障，另一台电机可以在满载情况下长期半速运行。
电气驱动方面起升采用双电动机、双脉冲编码器、双驱动控制系统构成 2 套完整的、独立的传动系统。采用“整流回馈装置 + 逆变器”的多传动变频调速方案，调速采用矢量闭环控制方式。通过司机室联动台上的主卷选择开关选择单、双电机运行，两台电机和两套逆变装置形成两组独立的控制系统。主起升的两台电动机在一台电动机故障的状态下，另一台电动机仍能在满载情况下长期工作。保证事故状态下盛满液态钢水的钢包安全放置于地面或者需要的地方。电动机轴端安装超速开关，提供超速保护。此外，工作制动器采用双接触器串联控制方式，防止接触器触头粘连情况的发生。
副起升机构在逆变器出现故障的情况下，大车运行机构的一套逆变器可作为副起升机构备用装置继续使用，运行一个工作循环。大车、主小车运行机构采用两套控制系统，当一套逆变器或一台电动机发生故障时，可由另一套逆变器控制另两台电机驱动运行。副小车运行机构逆变器出现故障时，主小车运行机构的一套逆变器可作为副小车运行机构备用装置使用，继续运行一个工作循环。整流回馈装置 + 逆变器的多传动变频系统单线图见图 1。
图 1 整流回馈装置 + 逆变器的多传动变频系统单线图
（2）起重机三维定位系统及安全路径
根据起重机不同机构运行特点，考虑到铸造起重机工作在高温、高粉尘和强电磁场环境的特点，起重机采用了多种不同的位置检测方法以保证检测的准确性和可靠性，其中起升机构采用在卷筒轴端安装绝对值编码器来测量起升高度，大车运行机构采用格雷母线，主、副小车采用激光测距仪。为了保证测量精确，每个机构都增加高度或者位置校正开关，避免累计误差出现。
由于厂房的结构限制，起重机在某些区域需要进行避让，为此在人机界面上设置有需要避让区域的坐标，在起重机自动运行时，实时将当前位置坐标与避让区域所设置的坐标相比较，当起重机接近所圈定的危险区域时，相应机构能够停止运行，并发出声光报警信号。同时通过程序逻辑判断起重机是否能合理避让这些区域，如果可以就通过改变起升高度及主副小车位置来避让该区域。安全路径可以在 CMS 画面上设置，分临时设置路径和固定设置路径。
（3）大车纠偏系统的传感器检测与电动机控制技术
通过在大车一侧端梁设置四个传感器，检测轨道车轮的相对位置，将实际位置信息传至纠偏控制器，纠偏控制器根据位置偏差结合算法来改变大车两侧电机变频器的驱动速度及加速度来调整大车运行的轨迹，控制大车车轮轮缘与运行轨道的间隙，防止车轮啃轨，提高车轮使用寿命。
（4）网络配置与组态
为了实现地面与车上的数据通讯，起重机在地面钢水接收跨安装若干套无线通讯 AP 模块，在起重机上设置有无线网络客户端，使得起重机与地面集控室之间通过无线局域网有效结合到一起。起重机内部主控制部分的 PLC，采用冗余双网络配置；与第三方外设之间采用Y-LINK 组件进行连接，起重机上配置有起重机监控系统远程客户端，地面设置有服务器。起重机网络拓扑图见图 2。
图 2 网络拓扑图
（5）智能润滑系统
主要包括主控柜（S7-200PLC, 触摸屏）、油泵站（压力表）、智能分油箱（控制板、容积式流量计，电磁给油器）构成，主控柜和油泵站及智能分油箱之间采用载波电缆通讯采集压力容量信号。在 CMS 上位机上可以进行润滑系统的显示及设置。
根据实际润滑点数及分布距离，油泵站和分油箱的个数可灵活配置。油泵站上安装有压力表，一个油泵站可给多个智能分油箱供油。智能分油箱上有 5 个电磁给油器，每个电磁给油器上都安装有容积式流量计，从每个电磁给油器流出的油容量可计数。自动供油时，从第1 个点开始润滑，根据设定的时间或者油量进行供油操作，当打到预定的时间或油量时，停止供油，开始第 2点的润滑，直到所有润滑点都完成，然后等待下一个供油循环。润滑时可根据设定的润滑容量或者润滑时间来打油，到时即停，润滑过程中可实时检测各润滑点的状态，比如漏油或者堵塞等。
（6）操作权限管理
起重机系统中预存了 5 个操作人员的指纹信息，当操作人员对起重机进行操作时，首先需要进行指纹识别，当识别通过后，方可操作起重机运行，当起重机各个机构在 10 min 内没有任何操作动作，主令系统将失效。操作人员将通过输入指纹再次激活起重机的操作，起重机的控制系统实时可记录操作权限登录信息，有助于加强起重机操作管理的信息化水平。
（7）双向视频监控
为了能在起重机上显示地面不同工位状态信息，为视频系统设置了一路独立的图像传输无线网络通道：在起重机的操作室内安装两个视频显示器，一路显示车上的视频信息，一路显示地面工位视频信息。起重机上与地面集控室各自设置有硬盘录像机，两个硬盘录像机通过无线网络连接，通过硬盘录像机上的输入信号切换显示画面。
（8）智能维护与管理
上位机内安装有基于 WINCC 软件平台开发的起重机专用信息管理系统。PLC 采集电动机、减速器温度和振动信号、电气室和高压室温度信号等。信息管理系统与起重机的 PLC 可编程控制器、润滑系统控制器等通过以太网实现数据交换，通过内嵌的故障分析软件，可以为运维保养提供设备运行状态报表以及故障预警和电气元件寿命评估等。
4. 经济效益和社会效益
起重机以高起点、高性能、高效率和高可靠性为前提，在设备匹配、结构原理、性能等方面均有较大创新；在参数确定、方案设计、原材料选择、工艺设计、外购配套件选型、质量控制等方面均达到国内领先水平。相关技术可推广应用至其他类型起重机产品，有助于增强我国起重机的核心技术水平，提高起重机制造企业产品利润率，增强企业效益。智能化铸造起重机关键技术的研究，对我国钢铁行业推广节能高效、绿色环保和建设智能化钢厂具有十分重要的意义，有助于制造业的转型发展。
5. 结语
本项目是铸造起重机在智能化研发上的一次新尝试，所开发的起重机自 2018 年投入使用后，在提高运行效率和降低操作人员工作强度方面起到了预期效果。受限于现有的科技水平和出于安全可靠性的考虑，铸造起重机在无人化操作研究方面进展较慢。相信随着研发工作的持续进行，以及 AI 技术在工业应用领域的不断进步，铸造起重机的智能化水平将会有更大提升。
