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摘要：针对化工企业非挥发性液体—液碱，传统方式充装过程存在的操作环节多、人工协同繁、安全隐患大、工作效率低等问题，通过系统分析整体充装过程中关键环节的影响要素，如机械鹤臂自动化水平低、充装灌口依赖人工对齐、充装前后检查不规范、厂内流转涉及环节多等，充分运用过程仿真、智能分析、远程控制等技术，搭建了基于数字孪生与智能视频分析的液碱自动充装系统。该系统目前已在山东某企业进行了实践应用，通过实践证明，该系统可较大提升液碱充装的工作效率、过程安全和智能水平。
关键词：自动充装；数字孪生；智能分析
0引言
物料充装环节是化工企业日常安全生产管理的重要环节，也是安全事故频发的环节。非挥发性液体物料充装一般采用上灌口灌装方式，企业非挥发性液体物料传统充装方式多采用人工进行操作，包括充装前安全检查、操作前静电消除、鹤管与灌口人工对齐、人眼观察充装进度等，以及涉及装卸车辆进厂检查、质量检测、过磅称重、物料充装、出厂检查等多个环节[1]。同时，在上述诸多环节中存在较大因人的不规范行为和不安全意识引发的安全事故，并存在多人协同操作导致工作效率较难提升的问题。该文主要是基于数字孪生和智能视频分析核心技术，搭建了一套覆盖液碱完整充装过程的智能管理系统，并进行了实践应用。同时，该系统具备较好的同类物料类似场景的推广应用价值。
1传统液碱充装涉及环节及内容
化工企业物料卸载或产品装载均涉及装卸车辆进厂检查、质量检测、过磅称重、物料装卸、出厂检查等多个环节。其中，进厂检查主要是对车辆的订单情况、车辆情况及人员情况进行核对检查，包括订单内容、车辆证件、人员证件等，在确保合规情况下才允许装卸车辆进厂装卸。其中，质量检测主要是在物料进厂和成品出厂时对物料的质量进行实验室分析检测，在确保实验室分析检查结果达标情况下才允许进厂或出厂。另外，有部分企业有LIMS实验室管理系统，通过系统对接可自动获取相应检测结果数据。其中，过磅称重是进厂和出厂的必要环节，企业一般都有独立的地磅称重系统，但较多为人工值守模式，通过对接地磅称重系统可自动获取相应装卸车辆的重量数据。
另外，物料装卸是整个过程中核心关键环节，该环节涉及大量的人工操作内容，包括牵引车辆至相应的装卸鹤位，并在装卸前对车辆装卸系统进行完整检查，以及相应的安全检查，包括静电消除、人员配置等。另外，需要人工在装卸台架上手工操作机械鹤臂完成与车辆灌口的对齐插入动作，在充装过程中，需要人工定期或不定期检查车辆罐体的充装液位情况，以避免发生满溢情况。另外，如果使用火车运输方式，该环节需要配置更多的操作人员共同完成上述协同操作。
2传统液碱充装存在问题及痛点
2.1安全问题
液碱是氢氧化钠的一种，即液态的氢氧化钠，具有极强腐蚀性。液碱充装过程中需要工人近距离完成多项机械操作或观察行为，一旦发生液碱泄漏极易对附近操作人员造成严重的伤害，故传统液碱充装方式存在安全隐患。
2.2效率问题
从装卸入厂到出厂会涉及多个操作环节，每个操作环节均需要不同岗位操作人员完成相应内容操作，方可推进下一步工作进程，在出现较多订单或装卸任务时严重影响工作效率。
2.3成本问题
当前一些企业存在基层操作用工难、用工贵的问题，较多环节工作岗位的设置会给企业带来较大的人工成本压力，与当前化工企业降本增效发展路径相违背。
3基于数字孪生与智能视频分析的液碱自动充装系统
3.1系统设计
系统设计如图1所示。将企业现有充装流程中涉及的软硬件系统，如车牌识别系统、地磅称重系统、LIMS实验室管理系统、ERP系统、定量充装系统、静电消除系统和安防系统进行充分融合对接，实现相关环节数据的动态获取及关键设备远程控制。另外，对传统机械鹤臂进行自动化升级改造，可实现远程自动控制，包括旋转、上升和下降等。同时，通过布设智能分析监控，实现灌装灌口的顶端自动识别和定位，并关联鹤臂控制系统进行准确插入。另外，在鹤位周边布设行为智能分析监控，实现充装前后的不安全行为自动分析和动态预警提醒。最后，基于数字孪生实现该过程的全程仿真和远程控制。
3.2关键技术
3.2.1传统机械鹤臂自动化改造
传统的充装机械鹤臂是由人工进行手动操作完成灌口位置确定和放入，无法实现远程自动控制。通过加装操作远程控制系统(PLC)，并与上方的灌口位置自动识别分析监控联动，可实现灌口位置识别和鹤臂自动旋转定位的一系列动作，如图2所示。同时，该环节动作可在数字孪生系统中进行仿真展示，便于操控人员在远处完成该操作。
3.2.2基于智能视频的人员操作不安全行为识别技术
基于智能视频分析实现目标行为的精准识别在化工领域已有成熟应用[2-4]。另外，在充装过程中，因人的不安全行为可能会导致出现安全事故，故需要严格规范该环节人的行为规范。通过升级鹤位周边的安防视频监控，并加载相应的不安全行为智能识别分析算法，诸如安全帽佩戴是否规范、工作着装是否规范、违规使用电话、突发状况倒地等，在识别到目标行为状态后可通过系统后台进行及时预警提醒，促使企业该过程操作不断规范化、标准化。
3.2.3基于智能视频的充装灌口识别及自动对齐技术
如图3～图5所示，在系统工作环境中选定坐标原点，建立三维坐标系。相机经过标定且位置相对固定。采用合适光源对被测物进行打光照明，用高分辨率工业相机采集图像，取得合适的被测区域图像信息，经算法分析处理，得到相机视野内目标物的三维坐标，得到灌口坐标后，联动鹤臂自动控制系统，并引导鹤管自动插入灌口进行自动充装。
3.2.4基于数字孪生技术实现整个充装过程仿真模拟
数字孪生概念于2003年由密歇根大学Grieves提出，他指出构建“实物的数字化表达”，通过对系统中数字模型进行操作模拟实物的变化，从而降低相关实验的成本、模拟难以实际操作的情景[5]。当前，数字孪生技术在石油化工行业已有成熟应用[6-7]。本系统基于数字孪生技术对现场充装场景进行仿真建模，并将集成的各系统数据，及充装关键环节的主要过程动作进行仿真展示，并可在系统中对现场设备进行远程控制操作，如图6所示。
3.3结果与讨论
该系统目前已在山东某化工企业落地实践，通过该系统实施应用，有效提升了企业液碱充装工作效率，降低了人员配置成本，同时对该过程的本质安全水平提升形成有效助力。
4结语
基于数字孪生与智能视频分析的液碱自动充装系统，改变了传统的人工操作方式，提高了工作效率，减轻了员工劳动强度，节省了劳动力成本，提升了液碱充装装置的本质安全水平。这顺应了化工产业数智化发展趋势，值得相关企业推广借鉴。
参考文献：
[1]路亚彬，张新晓，马良俊，等.危险化学品装卸运输一体化安全风险预警平台设计与研究[J].中国安全生产科学技术，2019，15(5)：179-184.
[2]徐波，魏利军.基于视频分析技术的违章作业智能监控系统应用研究[J].中国安全生产科学技术，2014，10(增刊1):79-83.
[3]张志祥.基于智能视频分析的游梁式抽油机故障检测技术研究[D].大庆：东北石油大学，2023.
[4]王达彤.面向化工安全生产的安全帽与异物入侵检测方法研究[D].济南：山东大学，2020.
[5]吴运逸，魏文强，李吉斌，等.危化品储运的数字孪生系统设计[J].科技和产业，2023，23(8)：220-225.
[6]李全.数字孪生技术在石油化工安全生产的应用现状及挑战[J].中国石油和化工标准与质量，2024，44(2)：34-36.
[7]王建平，陈玉石.元宇宙技术在炼化装置加工层面的应用展望[J].中外能源，2023，28(9)：68-72.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
基于数字孪生与智能视频分析的液碱自动充装应用论文
人参与 2024-08-01 11:51:28 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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