智能装车系统在水泥行业的应用

水泥包装车间袋装水泥人工装车面临的问题

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。

智能装车系统解决方案与功能特点

水泥厂主要有两种装车作业模式：离线装车和在线装车。

1.离线装车

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

2.在线装车

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‰。

智能装车系统技术架构

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。

智能装车系统的核心技术

1.车辆检测系统

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

2.故障预测系统

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

3.其他核心功能

（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。