施耐德电气IACS无人行车白皮书

目录前言钢铁行业处于重要的战略调整时期智能制造、融合创新将是钢铁行业未来的发展方向第1章智能制造为钢铁行业赋能钢铁行业智能制造蓬勃发展智能制造助力钢企降本增效钢铁行业智能制造展望第2章钢企发力无人行车，打造钢铁智能制造新标杆行车智能化转型的驱动因素无人行车技术发展历程及面临的挑战保障行车无人化设计成功的关键要素第3章利用融合创新技术，实现更安全，可靠，高效的智能库区管理IACSIACSIACSIACS5G第4章IACS无人行车系统价值主张附录1：名词术语和缩略语附录2：参考资料版权声明本白皮书版权属于施耐德电气前言钢铁行业处于重要的战略调整时期钢铁工业体系，但钢铁产业仍面临产能过剩、降本增效、节能减排、创新发展能力不足等严峻挑战。未来，我国钢铁工业已不再是大规模发展时期，将进入结构调整、转型升级为主的发展阶段，是钢铁工业结构性改革的关键阶段。钢铁行业要积极适应、把握、引领经济发展新常态，落实供给侧结构性改革，以全面提高钢铁工业综合竞争力为目标，以化解过剩产能为主攻方向，坚持结构调整、坚持创新驱动、坚持绿色发展、坚持质量为先、坚持开放发展，加快实现调整升级，提高我国钢铁工业发展质量和效益。智能制造、融合创新将是钢铁行业未来的发展方向近年来，由于信息化技术（信息化、数字化）和工业制造运营（自动化、电气化）等技术的融合发展，尤其是5G、人工智能、大数据、云计算、物联网技术体系以前所未有的速度大规模进入制造业，并改变工业制造的既有流程、模式和市场格局，因此，智能制造、融合创新等概念已经在全球范围内引起政产学研等各层参与者的高度重视，并投入了相当周期对上述概念进行探索和实践。术的发展，钢铁企业正在向以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基工厂建设极具代表性的一项技术。第1章智能制造为钢铁行业赋能90整体解决方案。十一五期间整体解决方案。十一五期间信息化技术在生产制造、企业管理、物流配送、产品销售等方面应用不断深化，关键65%，企业资源计划（ERP）70%。开展了以宝钢热连轧智能车间、鞍钢冶金数字矿山为示范的智能制造工厂试点,涌现了南钢船板分段定制准时配送（JIT）为代表的个性化、柔性化产品定制新模式。钢铁交易新业态不断涌现，形成了一批钢铁电商交易平台。十二五期间进钢铁智能制造标准化工作。十三五期间钢铁行业作为亟待转型的传统行业，在以互联网、大数据、5G为代表的新一代信息技术快速发展的当下，钢铁行业数字化已成为必然趋势。对于钢铁行业而言，开展智能制造具有先天优势，推动数字化对钢铁企业降本增效也有重要意义。首先，钢铁行业生产流程长，涉及设备量大，是大数据产生及应用的典型行业；其次，钢铁行业流程制造环节的数字化具有广泛实施的可复制性；最后，钢铁行业具备较为广泛的自动化基础，具有良好的抓手。智能制造的实施有助于钢铁企业实现全流程降本，提高企业的生产、管理、研发能力，助力企业形成核心竞争优势。202010.535.2%。钢铁工业智能化发展迅速，但整体仍处于起步阶段，且企业间差距很大；钢铁行业总体运行平稳、稳中向202085，201953.649.8514/人年增长到736吨钢/人年，但距离实现国际先进水平1000吨钢/人年的目标还有一定差距；电气运维人员老龄化年均增速约5.7%，利用数字化工具解决运维难题成为大势所趋。49.8%53.67365.7%49.8%53.67365.7%钢铁行生产备数化率 铁行业化融指数 钢行业劳生产率 电气维员老龄年均速其他一系列因素催促钢铁行业加快向绿色钢铁、智能钢铁转型升级环保压力加大，节能减排总体产能过剩，降本增效经济下行压力，钢铁需求放缓行业吸引力下降，招工难TheOpportunity机遇钢铁工业是自动化程度较高的流程性产业，智能制造基础好、空间大，有助于中国钢铁工业充分把握新一代信息技术带来的产业革命契机，将智能化融入钢铁制造和运营决策过程中，做到“精准、高效、优质、低耗、安全、环保”，全面提升发展水平，实现钢铁行业高质量发展。2018年各行业智能制造就绪率（%）（图片来源：国信证券）第2章钢企发力无人行车，打造钢铁智能制造新标杆钢铁企业库区运行现状及管理难点库区作为钢铁生产流程中物流衔接和生产节奏控制的重要枢纽，是工厂无人化和智能化建设的基础，而行车则是库区最重要的执行单元。在传统的行车吊运工作中，一台行车如果要完成一次钢卷吊工找准库位。流程不仅繁复而且存在人员需求量大、信息丢失、危险系数高等一系列难题。传统行车运行维护难题数据信息难题库存不准确、不实时，上下游信息不流畅库区安全难题行车操作人员工作环境差、劳动强度大、安全风险高质量管理难题过度依赖人工识别，人工吊运不当造成物料损坏传统行车运行维护难题数据信息难题库存不准确、不实时，上下游信息不流畅库区安全难题行车操作人员工作环境差、劳动强度大、安全风险高质量管理难题过度依赖人工识别，人工吊运不当造成物料损坏运营效率难题仓储人为规划不合理带来的多次倒库行为，产品出厂时花费较长时间找料和装车人力资源难题人口老龄化，行业吸引力下降，用工成本不断提高设备运维难题设备运维不智能，设备数字化率低人口因素促使行车智能化转型过去10年，起重机市场在不同行业的应用都发生了变化，其中，人力用工成本的提升，智能制造的不断践行，新技术的不断提升应用，以及运营中对安全和效率的运行都驱动起重机智能化的不断发展。1010%左右的成本增长，对企业运营带来巨大的压操作。

2010-2019全国年城镇非私营单位就业人员年平均工资及增速（数据来源：国家统计局）人口老龄化的趋势是促使起重机智能化的另一人口因素，同时00后一代更愿意从事办公室工作及自由职业，起重机司机用工难问题尤其突出，同时现场工作环境愿意，起重机司机的工作稳定性较差，影响企业的稳定的运行效率。新的生产需求推动起重智能化转型起重机作为特种设备，安全和效率至关重要，每年仍然有大量的起重行业相关的安全事故，造成重大的人员伤亡，设备损伤和生产损失。根据公开资料整理，80%的起重事故由于违章操作引起。提升效率是众多行业面临的巨大挑战，同时基础设施建设以及固定，无法简单的通过增加起重设备来提升效率。通过起重的智能化改造，来提升整体的工艺流程的运行效率是企业的共同想法和目标。数字化及新技术的应用推进行车智能化转型数字化，智能化转型已经成为企业的共识，随着转型的推进，各种新技术，新应用不断落地，包括5G技术，人工智能，机器学习，视觉技术，软件算法等。这些新技术的应用，客观上解决了起重机智能化中不少技术难题，作为企业生产的一部分，企业数字化和智能化的转型推动着起重机的智能化转型。信息化信息化智能化数字化人工智能工业互联网大数据ICT技术云计算物联网5G桥式起重机的诞生至今，不断蜕变以适应工业生产提升的需求，总体而言钢铁行业的行车无人化发展经历了3个阶段，第一代行车：第一代技术的主要特点是依靠人工进行信号传递及行车操作。库区管理系统依靠人工录入钢卷信息，行车采用人工驾驶方式，人工传递钢卷信息。行车动作需要行车驾驶员和指吊人员两人共同完成。指令驾驶行车。ERP/MESIACS行车在各个行业都有广泛的应用，并且在不同行业的进程不同。尽管各个行业的都在积极推进行车的智能化，智能化转型仍然充满3大挑战。行车的工作指令和运行与MES系统深度对接，每个应用场合工艺的不同，都需要深度的理解生产系统并融入到调度系统中，实现IOT的深度融合。挑战1：IT+OT深度融合行车的工作指令和运行与MES系统深度对接，每个应用场合工艺的不同，都需要深度的理解生产系统并融入到调度系统中，实现IOT的深度融合。挑战1：IT+OT深度融合行车的智能化不仅是操作无人化，更重要是使原来的生产习惯和规则发生变化，用户需要在改变生产规则和运营管理规则来适应智能化的带来的变化。挑战2：生产规则改变仍有很多的应用场景限制起重机智能化的改造，如识别技术，磁力控制技术，分拣优化算法等。挑战3：关键技术突破L3（MES/ERP）IT/OT等等。作为无人行车市场发展的先行者和引领者，施耐德电气拥有丰富的行业知识与实践经验，以及一套完整的方法论与工具。我们认为想要建设一个高效、安全、可靠的无人行车和智能库区项目，应该具备以下几个关键要素：、高层主导，底层推进诺会在企业内部形成一种文化期望，并有助于推行数字化思维模式，促使员工萌生和提出新想法。其次，智能库区建设作为一项需要多部门参与的系统工程，不仅仅是实现单个行车的无人化控制，还涉及到库区不同设备间的协同控制，与物流系统的全链条协同运输，以及对现有组织方式和作业流程的梳理和优化，因此需要和高层一起先对企业进行望闻问切，判断其所处的工业发展阶段，梳理业务需求；进而从顶层设计和评估切实可行并可有效解决企业痛点的最优路径，这样更容易有的放矢地进行转型升级、投资实行。在基层，每个钢铁企业都拥有大量专业的生产员工和运营人员，部署数字化转型项目需要利用他们掌握的的专业知识（信息化、生产工艺、机械、电气控制、软件开发等等）。让这些员工在各自擅长的专业领域内充当"代言人"，会有助于促进先进制造技术的落地。此外，还可以召集这些员工在新技术的实施、测试和扩展方面进行跨领域协作，从而推动变革，实现库区数字化转型项目效益的最大化。、融合创新的关键技术要保障行车和库区运行的高效率性、高安全性、高可靠性，就必须具备一些融合创新的关键技术，具体来说：IT/OT3D智能规划算法的融合，实现最优的行车智能调度，跺位合理分配，提高作业效率；WMSTMSWMS禁吊区避让与路径优化算法的融合，寻找到达目标位置的最短路径，最小化作业时间；此外，安全规则的融合，是人员安全、设备安全，信息网络安全，生产经营活动得以顺利进行的保障。、匠心保交付的团队行车的无人化全自动控制和库区的智能化建设是一个非常复杂的工程，不同功能的库区受工艺条件、作业环境和设备情况的差异影响，其实施难度也不尽相同。冷轧钢卷库处于生产末端，效率要求相对宽松；热轧板坯库工艺最复杂，效率要求最高。近几年，很多钢铁企业都在积极推进板坯库和钢卷库的智能化建设，其中涉及到信息化、生产工艺、机械、电气控制、软件开发等不同的专业知识和一系列需要融合创新的关键技术，目前只有少数公司真正具备提供完整的交钥匙工程的能力；另外项目的实施周期较长（涵盖现场调研、设计测试、改造升级、安装调试、交付投产）需在不完全停产的情况下完成智能化升级，因此选择一支既能针对不同功能的库区提供成熟解决方案，又能最小化对生产的影响，还能保证交付效果的经验丰富的项目执行团队就显得尤为重要。、智能化的运维技术行车实现无人化全自动控制后，设备的维护将会与设备手动作业时有所不同，主要是由于运维人员无法再获得行车司机的操作反馈，以用于故障评估和处理，那么必须借助数字化的方式来解决。智能化的运维技术包含监控行车的实时信息，例如设备的布局，运行状态、位置和当前作业的信息；实时掌握库区环境的重要信息，例如显示地面设备和封锁区域、急停和门禁等信息；显示库区内无线网络的布局和状态，非常迅速地识别出有故障的设备和网络故障的位置；提供预测性维护计划和流程，以减少维护成本和所有设备的停机时间，最大限度地提高行车的可用性。第3章利用融合创新技术，实现更安全，可靠，高效的智能库区管理IACS全自动行车和库区智能管理系统的投入将实现行车的无人运行，在车间经过智能改造后，只需要编24程、搜寻时间和倒库次数，同时，减少地面工作人员安全隐患。解决钢铁企业行车运行维护六大难题信息流与实物流一致IT/OT融合，贯通上下游信息，物流信息全程跟踪并实时反馈给MES系统提高生产安全性行车无人化智能调度，降低人与设备之间的交互，消除安全隐患提升产品质量采用精准定位、3D识别、闭环防摇等技术消除质量异材，延长设备使用寿命提高运营物流效率采用全局优化算法，系统自动合理分配库位，物料快速定位，减少找料盘库的时间提升产品质量采用精准定位、3D识别、闭环防摇等技术消除质量异材，延长设备使用寿命提高运营物流效率采用全局优化算法，系统自动合理分配库位，物料快速定位，减少找料盘库的时间解决人力资源难题并提高劳动生产率取消行车操作工，减少地面工作人员，优化人力资源配置智能化运维实时状态监视，预测性维护，提高库区自动化和信息化管理水平IACSIACS无人行车系统(IntegratedAutonomousCraneSystem)由施耐德电气研发、实施并持续创新，是行业领先的全自动起重机及智能库区管理解决方案。IACS无人行车系统是将行车自动化控制系统和库区管理系统（WMS）有机整合起来，与客户的生产管理系统（MES、ERP等）对接，自动生成作业任务，根据人工智能规划算法实现行车智能调度、跺位合理分配、危险区域自动避让及路径优化等功能，自主完成入库、出库和倒库等工作，达到智能管理、自主决策、自动执行、实时跟踪为一体的信息流与实物流高度一致，提升物流和运营效率的无人化库区综合管理系统。IACSIACS：14图3.1IACS无人行车系统架构图1个基础平台：基于施耐德电气EcoStruxure™物联网架构与平台，通过互联互通的产品、敏捷稳定的边缘控制系统、以及丰富强大的应用、分析与服务，实现信息技术（IT）与运营技术（OT）系统的融合，提高库区自动化、信息化、智能化管理水平，自动完成入库、出库和倒库等工作，保持信息流和实物流的高度一致，提高库区运营效率。4大核心系统：WMS（WarehouseManagementSystem）SCAS(SmartCraneAutomationSystem)GSC（GroundControlSystem）行车监控及预测性维护系统-EHE（EcoStruxure™HoistingExpert）库区管理系统WMS：WMS作为IACS无人行车架构中重要的组成部分，不仅需要负责库区内产品的存储管理，实现产品的可追溯，更重要的任务是能够对生产计划进行管理，采用数字化的管理以及自动生成报表替代现有的人工管理以及纸质化工作方式，优化生产流程和管理规则，合理分配库区存储分布，确保库区内的行车和地面设备安全和高效的协作，提高运营效率。库区管理系统（WMS）的主要功能：起重机任务分配产品追溯运行设备的管理和跟踪库区内所有产品实时追踪产品定位与优先级管理作业任务动态分配产线上下游互联互通库区管理系统（WMS）主要特点：行车自动化控制系统SCAS：IACS系统的设计充分考虑了机械因素，灵活性和手自动切换因素以及采用了先进的算法。图3.2行车自动化控制系统图图3.3行车自动化创新技术行车监控及预测性维护系统EHE：EHE（EcoStruxure），可实时反馈行车的作业状态，并记录历史运行曲线以及动态视频回放功能，帮忙客户能够掌握行车在发生故障时的运行信息，相比于简单的静态数据，动态视频回放的方式更加直观，更容易帮助维护人员分析故障，降低停机时间。此外，EcoStruxure图3.4行车监控及预测性维护系统界面示意图地面控制系统GSC：地面设备系统主要分为两部分，包括地面设备的协动系统和地面安全管理系统态及任务执行。地面设备主要包括：垛板台和卸板台STC翻坯机辊道跟踪系统………… 地面安全系统主要负责地面的设备及人员安全，施耐德电气严格按照欧盟安全标准，确保无人行车系统安全的运行卡车装/卸载安全管理辊道的安全管理存储区域安全管理地面人员作业区（切割、清理区）安全门禁系统视频监控系统IACSIACS12实时扫描与3D识别技术行车在库区运行时对扫过区域进行实时扫描，2D扫描在运行过程中完成，在减速并且到达目标位置时建立3D模型动态三轴联动技术行车XYZ轴联动控制功能：同时控制纵向/横向/高度方向联动，优化行车作业时间，提升物流效率闭环防摇控制技术高精度的闭环防摇控制技术，有效减少物料摇摆，实现行车和物料的精准定位，提高行车作业效率行车路径优化技术根据下道工序以及码垛原则，系统自动合理分配库位，依据目标库位分配的结果，路径控制算法寻找到达目标位置的最短路径运行中禁吊区避让技术行车在运行过程中，行车与目标点中间突然增加封锁区域，行车可及时回避封锁区域，在运行状态下重新选择新的路径，而不需要停车后重新计算新的路径多行车协作防撞技术多行车间距实时测量，安全区间自动校核，行车位置实时跟踪，保证高效运行，采用微波防撞传感器长期运行无信号衰减，高温环境运行可靠性高板坯防回转堆放技术对于板坯在库区内堆放，行车在起制动过程中经常存在板坯回转的情况，导致板坯在垛位上堆放不整齐，施耐德基于三角测量方式通过PLC算法，解决了板坯回转堆放的问题动态库区资源分配技术通过先进的PLC算法和优化的变频器参数设置实现柔性控制，使大车行走始终保持和轨道对齐，减少机械磨损，延长轨道和行车的使用寿命AI智能调度技术通过配置的库区、跨、存储位等信息，根据人工智能算法按照生产计划实现行车的调度优化WMS仿真分析技术基于库区实况的虚拟仿真分析，大大缩短系统上线时间，虚拟工厂建模→任务场景创建→功能仿真分析→可视化的过程→可定量的结果，全功能仿真：行车自动化系统和地面设备之间协作与联锁；全流程仿真：出库/入库、上料/下料、倒库、过跨等流程；验证库区设计和计划分配的合理性，缩短系统的上线时间；验证过程控制与指令的一致性，为决策人员提供合理的改进建议；分析改善系统瓶颈，开始生产之前即可确保获得最高的作业效率TMSTMSWMS效率，车辆、库存全局可视化，装载优化，线路规划；实现物流作业监管，订单进度跟踪，及时了解异常情况EHE预测性维护技术监测、分析和预测于一体，全方位掌控库区设备的运行状态，AI数据分析，合理地通过页面和报表进行展示，为维护人员制定维护计划提供决策依据除了融合创新的关键技术，安全规则的融合必不可少，它是人员安全、设备安全，信息网络安全，生产经营活动得以顺利进行的保障。安全包括工业领域传统意义上的生产安全（包括功能安全、机械安全、用电安全等）和信息时代的信息、网络和数据安全。施耐德电气秉承设计为安全的理念，安全贯穿于产品及服务的整个生命周期。从产品需求、设计研发、产品测试及交付，服务和解决方案集成等，建立了完整的安全管理体系。在遵循国际标准流程的基础上，同时满足本地信息安全法规和标准的要求。业环境中，功能安全一直是工业生产绕不过去的话题。功能安全是为了确保安全功能的完整性，受控设备的安全相关部分必须正确执行其安全功能，而且当失效或故障发生时，设备或系统仍能保持安全条件或进入到安全状态。没有那么大量的数据被广泛地应用于智能制造。故而信息安全是智能制造可靠、安全的基本保证。如何为企业提供信息安全合规的数据生产和使用环境，如何帮助企业企业构建起信息安全的纵深防御系统，这些问题都是施耐德电气所发力的方向。作为全球能效管理与自动化技术解决方案引领者，施耐德电气ITOTITIACS5G随着5G商用步伐加快以及新基建等政策对5G应用的大力支持，利用5G实现生产方式智能化、数字化转型的必要性愈发显著。5G技术凭借通信性能指标的大幅提升，将赋能行业数字化应用场景创新及信息化业务演进，推动生产要素的数字化智能化转型。VPNEnterpriseIP/MPLSVideoTransferCore5GCVPNEnterpriseIP/MPLSVideoTransferCore5GCCloudCraneControlCraneNetworkPrincipleVideoCraneControlCraneNetworkPrincipleGroundNetworkPrincipleGroundCraneX+1CraneXIACS无人行车5G网络拓扑简易示意图行车控制系统与地面各系统的通讯可采用有线通讯方式、光通讯或者无线通讯。对于无线环境，需综合考虑现场情况（如：遮挡物、金属结构屏蔽）、无线网络信号覆盖要求、并发接入量及访问速度、数据安全、后期扩展、建设成本等因素，进行具体规划设计。结合不同客户的现场实PLC5GWIFI5G，PLCWi-FiPLC5G5G5G作为主用链路，其他制式，如微波、Wi-Fi试验室主要功能测试结果子场景测试项功能及场景描述控制系统要求值测试结果平均值最大值PLC与PLC之间传输时延测试测试5G网络的端1.端到端网络传单端：47.9单端：93ms的ModbusTCP到端传输时延小于输时延小于双端：47.2双端：89ms通讯（普通任务和50ms50ms；直连：32.7直连：57ms安全任务black丢包率测试测试5G网络的丢平均丢包率连续丢包率channel）包率，平均丢包率2.普通任务看门单端：0.000262%单端：0和连续丢包率狗报警时间1s双端：0.000351%双端：0（综合丢包率和时直连：0.000123%直连：0吞吐量测试测试5G网络在延考虑）；TcpulTcpul*MHz频宽时，上93.91Mbps109.96Mbps下行平均吞吐量不3.安全任务看门UdpulUdpul小于*Mbps狗报警时间83.81Mbps86.4Mbps越区切换测试测试5G网络的越500ms（综合丢13ms18ms区切换时延和丢包包率和时延考率，切换时延小于虑）；20ms,丢包小于*%第4章IACS无人行车系统价值主张初心澄澈做项目，匠心砥砺保交付交钥匙工程：施耐德电气的项目交付团队让您可以通过高质量的一站式服务，实现项目的设计、执行、测试、安装和调试。凭借我们的起重专家团队，施耐德电气已成功为世界各地的钢企部署多个项目。咨询服务：施耐德电气的专家可以帮助您充分挖掘起重机和仓储运营的潜力，提供经验丰富、久经验证的顾问服务，并提供现场勘查、可行性研究、安全分析和编写项目规范的帮助。卓越运营：我们的高级顾问可以协助您评估运营状况，然后就仓储优化、库存流程、组织行为和数字化等方面提供个性化、可扩展的建议。售后服务：从技术支持到一流的客户服务，我们全面为您的业务保驾护航，随时随地为您提供帮助。施耐德电气拥有70年的起重行业业务经验以及超过10年的无人行车应用及持续创新的全球研发团队，经验丰富的本土项目执行团队，全方位保障无人行车的高效率、高可靠性和高安全性，并可对库区管理流程的梳理与再造提供专家意见，确保项目在最短的周期内成功实施针对库区的智能化转型及不同钢企间的不同进程，施耐德电气提供了钢铁企业库