随着全球对环境保护与可持续发展的关注度持续攀升，水泥行业作为支撑基础设施建设的核心产业，正面临迫切的绿色低碳转型压力。其中，广泛采用替代原、燃料成为推动这一转型进程的关键途径之一。然而，我国替代原燃料资源特性复杂，包括成分多样、品质参差、特异性强、含害物质多，且地理分布不均、来源广泛、供应稳定性差。在此背景下，联合储库以其独特的灵活性、高单位面积储量、改善湿黏物料性能、促进多区物料混搭及节省用地等优势逐渐凸显，逐渐成为应对复杂替代原燃料储存与搭配的理想解决方案(见图1)。然而，联合储库业务涉及物流、质量、生产、维修、人员、车辆等多个环节，协调与协作复杂。物料的进出库搭配作业高度依赖人工操作，工人劳动强度大，长期精准搭配物料难。同时，库区作业环境复杂，频繁的人车交互增加了安全风险。
为了解决上述问题，华新水泥积极研发出基于全自动行车的智能联合储库物料处理系统，并在13家工厂进行了广泛的推广与实践。该系统不仅有效提升了生产效能，还确保了产品质量的稳定，同时在保障作业安全及降低碳排放等方面也展现了其实际价值。
二、智能联合储库物料处理系统构成
智能联合储库物料处理系统主要由三个功能层级构成：现场控制层、智能调度层以及业务拓展层，其系统架构见图2.
(1)现场控制层：作为底层硬件设施的集合，负责直接对物料处理过程进行实时监控与控制。该层由自动行车系统、无线通信模块以及现场管理系统三大组件构成，各组件内嵌不同类型的软硬件设施以满足特定功能需求。具体而言，自动行车系统集成了一系列关键硬件设备，诸如变频器以调节行车运行速度，PLC(可编程逻辑控制器)实现复杂的控制逻辑，编码器用于精确测定行车位移，称重传感器确保物料重量的精确计量，激光扫描仪与激光测距设备则用于空间定位与物料识别，RFID(无线射频识别)系统用于编码器校正管理，而限位开关则为行车操作设定安全边界。现场管理系统则包含了地面站PLC以协调地面设备运行，道闸系统确保物料进出有序，以及报警指示设备以及时警示潜在异常状况。无线模块主要指无线通信模块，它为各硬件设备间以及与上层系统间的数据交换提供了无线传输通道。
(2)智能调度层：作为系统的核心决策与指挥中心，部署于工厂中央监控室，由智能物料处理系统、AI视频监控系统及应急操作平台三大子系统构成。智能物料处理系统负责建立联合储库数字模型，综合管理联合储库业务及设备、统计分析运行数据，规划及调度多台行车安全、高效作业;AI视频监控系统不但实时显示现场作业情况，同时运用人工智能技术对视频数据进行监测预警，预警信息将作为联锁信号接入智能物料处理系统，从而有效杜绝违规、防范安全风险;应急操作平台则为应对突发情况提供了备用控制手段。
(3)业务拓展层：体现了智能联合储库物料处理系统与外部关键业务系统的深度集成与协同创新。此层通过数据交互接口与质量控制系统、物流发运系统、生产过程DCS(分布式控制系统)以及智能设备监测优化系统等进行双向数据交换，实现了对物料质量、物流状态、生产进度以及设备健康状况的实时感知与智能响应，从而促进了跨系统间的信息共享、决策优化与业务流程的无缝衔接，共同构成了一个高度集成、智能驱动的物料处理生态系统。
三
智能联合储库物料处理系统功能分为自动行车、库区建模、储库管理、智能调度、维修管理、安全保护六大模块。
3.1自动行车
自动行车模块作为智能联合储库物料处理系统的核心组件，负责执行由智能调度模块下达的任务指令，其工作流程涵盖了行车定位、抓斗定位与姿态控制、任务执行以及系统通信四个关键环节[2-51.
(1)行车定位：通过变频器控制行车大、小车行走电机，配合格雷母线定位技术，以实现大车与小车位置的精确检测。相较于激光传感器与编码器加磁钉技术方案，格雷母线方案不但无累积误差，同时其拥有更好的耐腐蚀性能。
(2)抓斗定位与姿态控制：在卷扬滚筒上安装绝对值编码器并与驱动的变频器形成闭环控制，从而精确的计算抓斗的位置与开闭度。抓斗防摇控制可减少负载发生不必要的摆动，它不但使系统停车精准，而且通过更高速度和更短加速和减速时间来减少工作时间。防摇传感功能的关键是获取总摆臂长度(总摆臂长度是绳索长度和偏移量的总和)计算定义摆动的时间常数(T),从而控制小车及大车科学加速和减速。防摇功能可使用起重专用变频器(ABB880、汇川等)快速实现。
(3)任务执行：行车的各项任务可以被分解为五个标准动作：大车/小车移动、抓斗下降、抓斗闭合、抓斗提升、抓斗打开。通过组合这些标准动作并关联坐标，即可构建出行车的全部任务。为了确保安全，智能调度模块会将任务分解为标准动作顺序或并行(多轴联动)执行，并在接收到预完成信号时适时发出后续指令，以兼顾执行效率。
(4)系统通信：自动行车模块的PLC与智能联合储库物料处理系统之间采用无线通信方式进行数据交互。为确保任务指令传递的安全与可靠性，必须设计一套安全交互机制，用于协调系统软件与PLC硬件间的数据交换过程。
3.2库区建模
库区三维建模技术利用安装于自动行车一侧的线性激光扫描仪实时扫描库区数据6.并在行车移动的过程中以特定的单位长度(例，0.5m)存入SQL数据库，得到以0.5m为间距的库区3D点云数据，最终动态构建与更新库区三维模型(见图3)。这里有两点需要注意。首先，激光扫描仪扬尘、飞鸟、反射等环境因素影响，直接测量的数据多伴有毛刺噪声，这里我们使用梯度填充的算法进行平滑填充。其次，扫描仪常固定于行车单侧，而抓斗位于行车中央。因此在行车完成物料抓取作业后，如延扫描仪方向进行，则无法获取作业的后库区状态变化。尽管理论上在行车两侧增设扫描仪可以解决此问题，但将增加硬件投入成本。为此，我们可依据抓取物料的重量与容重关系估算抓取体积，采取一种补偿算法的策略在短期内估算料位的变化，从而在确保一定建模精度与实时性的同时，避免过高的硬件投入。
3.3储库管理
储库管理模块作为系统的核心组件，其核心任务在于统筹规划涉及人员配置、设备部署、物料分类及储库空间布局等多维度要素。模块通过构建高度仿真化的库区数字化模型，精确再现储库实体环境的关键特征。该模型详尽模拟储库实体中各功能单元的位置、形态及其逻辑交互。模型涵盖卸料口、出料仓、存储区域、物料种类、隔墙、检修区等关键业务元素，通过内嵌数据分析揭示业务元素间的空间关联、流程协作规律及潜在优化点，在实现管理可视性的同时，为储库运营决策提供实时、精准、多维数据支持。
3.4智能调度
联合储库业务涵盖生产、物流、质量控制、设备维修、行车操作及驾驶员等多部门协作，智能调度模块通过与生产DCS系统、物料发运ADL系统、智能在线质量控制系统以及智能设备监测优化系统之间的深度互联与数据交换，实现全面的智能化调度管理(见图4)。所有调度任务均放置与任务池中，在条件触发激活7后按照设定的优先级按序执行。行车任务会被分解为标准动作组合，逐一下发PLC执行。
(1)进料调度：通过与物料发运ADL系统的数据同步，利用进料口读卡器识别入库物料种类，并与道闸系统联动，确保入库物料品种的自动识别与对应入库任务的自动激活。
(2)出料调度：通过与生产DCS系统实时通信，获取皮带喂料秤的计量数据;结合行车称重模块的入库重量信息与初始仓位评估值，构建起较精确的虚拟仓位模型。此模型旨在模拟储库的实际容量状态，并根据预设的仓位上、下限阈值，自动触发或终止“补仓”作业。
(3)搭配调度：通过与质控系统集成，实时获取质量管理部门设定的物料进库策略与出库搭配方案，实现多品种原燃料的精细化搭配。
(4)协同调度：如果多台行车的工作任务存在空间交互，协同调度将根据系统中的行车主、次与任务优先级设定，基于任务空间锁定及安全空间判定规则，执行限速、等待、避让等动作，从而实现多行车的协同作业。
3.5安全防护模块
智能联合储库物料处理系统在面对联合储库库区复杂性、多作业交互性、人员车辆密集等带来的显著安全风险时，不仅关注行车安全、人员安全、卸货车辆安全，还着力应对任务安全与调度安全的挑战。系统采取硬件与软件双重措施，对各类安全风险进行全方位管控。
(1)硬件层面：在原有行车安全防护硬件基础上，系统通过限位开关及摄像头对库区入口、登车口、快速门等关键通道进行实时监管，实现对库区的全封闭管理。当发生非法侵入时，系统将触发连锁停机机制。在卸料口安装急停按钮、指示灯与道闸系统用于防范行车与卸料车辆交互作业风险。当行车执行卸料口抓取任务时，指示灯显示红色并禁止道闸抬杆;当卸料车卸料及道闸抬杆状态时，行车将禁止抓斗下降动作。
(2)软件层面：系统引入位置校验、安全空间判定、任务空间锁定、AI监控等功能防范运行风险。
①位置校验：系统对行车位置进行实时校验，结合变频器转速对车位置变化进行梯度判定，错误时连锁停机。
②安全空间判定：行车由运动到停止的过程中其安全边际是不断变化的。
行车停车距离S通过公式
式中：v为行车速度，h为摆臂长度，g为重力，tac为减速时间。动态计算各行车行进中占用的安全空间及边界，各行车的安全边界间必须大于设定的安全距离。同时，基于行车间的距离，也可以计算相邻行车的可释放的最大相对速度。
③任务空间锁定：行车任务执行前会判定行车至目标终点所需的任务空间是否可用，并在任务启动后动态锁定此区域，其他交互任务须在锁定空间的安全距离外等待空间释放后方可继续执行。
④AI监控联动：实现设备状态与AI监控系统的实时联动，确保任务执行、调度安排、人员活动及车辆运行全过程的安全性，全方位降低各类安全风险(见图5)。
3.6维修模块
维修模块采用双重策略进行设备维护。第一，维修模块全面监控行车设备各项运行参数与状态，详尽统计与分析报警与故障信息，旨在构建故障处理知识库，为操作人员提供即时准确的诊断与解决方案。第二，模块将行车设备实际运行时间、工作斗数等关键数据实时传输至智能设备监测优化系统。这些数据既用于触发预设的计划性维护任务，确保设备在严重故障前得到适时维护，又支持系统通过深入挖掘与分析设备运行数据，实现故障征兆初显时的预防性维修，有效防止故障发生，从而有力保障设备正常运行与系统整体效率。
四、智能联合储库物料处理系统应用实践
截至2023年12月，华新水泥已成功在其21家下属工厂实现了智能联合储库物料处理系统的规模化推广和应用(见表1)。在此过程中，共完成了65台行车的现代化升级，并精简了76个行车操作岗位，显著提升了劳动效率，增长幅度高达50.32%。通过标准化的操作和系统的高效运行管理，行车机械故障率下降幅度高达70%。同时，关键组件如钢丝绳的使用寿命也得到了显著提升，增幅超过50%。据初步估算，该智能系统的广泛应用每年为公司带来近千万人民币的经济效益。
尤为重要的是，智能联合储库物料处理系统与质控、物流系统实现了深度集成与创新性融合，通过分区存储与精细化搭配不同品质的物料，有效抑制了出库原燃料质量的波动性(见图6)。以华新水泥昆明崇德水泥有限公司为例，该公司将煤炭存储区域细分为15个子区域，通过系统的精细化调控，使得出磨煤粉的灰分波动性较改造前下降约18.9%,出磨煤粉空干基热值的波动性也同步降低了约9.3%。
五、结论
水泥智能联合储库物料处理系统打通了生产、质量、物流等业务上下游，智能调度无人行车实现联合储库车间的智能化作业，大大提高了工作效率，降低了原燃料的质量波动性，为下游生产的连续稳定运行奠定了基础，有效的助力水泥行业的绿色转型。