【方原柏专栏】用三维成像物位仪实现固体物料库存管理

1  概述

冶金、水泥、煤炭、化工、粮食等生产过程使用了数量巨大的固体物料作为原材料，与此同时，生产过程还有很多半成品和最终成品也呈现固体物料形态。常见的固体物料原材料如煤炭、矿石、石灰石、石英石、谷物、玉米，半成品如精矿、焙砂、烟尘、水泥熟料等，成品如焦炭、氧化铝、锌粉、白米等。每到月末、季度末和年末，企业要投入大量的人力、物力，对存放在原料场、料仓、成品仓、堆场的各类固体物料，其中包括上面提到的原材料、半成品、最终成品，进行重量的估算或测算，得出现阶段库存物料的重量，以便于工厂进行成本核算、经济效益评估和库存管理。

目前企业获知库存物料重量的常用方法有以下三种：

一是目测法，根据经验查看物料堆位情况，估算出物料的体积数据，然后乘以比重，计算出库存重量。这是一种简单且容易操作的方法，缺点是要求估算人员要有多年的目测经验，但所得数据相对误差大，只适合堆位体积小的物料。

二是丈量法，用皮尺测量物料堆位的长宽高尺寸，参考现场事先设置的堆位标志杆，再加上目测判断。有时还需先采用推土机对物料堆位进行整形，然后再用皮尺丈量，或用经纬仪测量等方法来完成。用计算加估算得出物料的体积数据，然后乘以比重，计算出库存重量。这一方法一部分数据是经过实际丈量的，准确性好于目测法，缺点是要求物料堆位形状规则。

三是仪器测定法，如基于激光扫描自动测量系统、数字摄影测量系统等，以目前已有实际应用的5E-PMIII激光盘点仪（见图1）为例，它可测量料堆表面上有限特征点的空间位置信息（X、Y、Z坐标），以建立料堆的三维模型，从而计算出模型的体积（见图2），然后乘以比重，计算出库存重量。

图1  5E-PMIII激光盘点仪

图2  激光盘点仪扫描的实际煤堆（左）后生成的三维煤堆图像（右）

获知库存物料重量的常用方法虽然借助工具（如皮尺、激光盘点仪等）逐步替代了原始的目测法，加快了测量速度，提高了估算准确度，但仍然离不开人工操作，而且只能在人工参与后一个指定的时间（如月末、季度末和年末）得到库存物料重量的估算值。

近期艾默生过程管理推出Rosemount 5708系列三维成像物位仪（见图3），它采用声学原理多点测量扫描技术和三维成像技术，用于向原料场、料仓、成品仓、堆场中的固体物料提供物位的准确测量及固体物料库存管理用的体积量和重量的测量。与以上介绍的获知库存物料重量的常用方法相比，其测量过程是由仪表本身自动完成的，且提供的固体物料库存管理用的体积量和重量的测量过程是连续的，而不仅仅是在指定的时间（如月末、季度末和年末）才能得到库存物料数量的估算值。以下将介绍Rosemount 5708系列三维成像物位仪的工作原理、系列产品及其应用。

图3  5708系列三维成像物位仪

2  5708系列三维成像物位仪的工作原理

对固体物料来说，由于料仓内表面不平整，凹凸不平，且在物料装进料仓和从料仓卸出物料时，料仓表面形状是完全不同的。单点式物位计，如重锤式物位计、超声波物位计、雷达物位计、电容式物位计等，它们所测量的仅仅只是料仓内一个非常小区域的物位，甚至可以说是一个点的物位，因此提供的信息准确度不会优于10～15%。

三维成像物位仪采用多点测量扫描技术（见图4），它有三根发射天线及相应的信号驱动、电子电路，即每根天线都发射多个脉冲，而相对位置不同的三根发射天线发射出3～7kHz阵列式低频声波脉冲，发射的脉冲达数千个点，每个脉冲都有良好的方向性，数千个点的脉冲对料面进行扫描，并接收料仓内物料所返回的脉冲回声，通过仪表电子电路和计时器的精确计时，精确测量每个回声的时间/距离。

图4  三维成像物位仪采用多点测量扫描技术

设备的数字信号处理器对接收的信号进行采样和分析（见图5左），通过一种特殊的算法将来自多点扫描的数据组合起来，并通过三维方式呈现容器内物料的实际分布情况，形成一个物料表面的三维图，再通过一种专有的计算方法对信息进行处理并生成三维图像，可以在计算机屏幕上显示出来（见图5右），还可以更为精细的三维图像显示（见图6）。在图5左中显示的一排11个数据，从上到下分别是：平均物位、最高物位、最低物位、满仓容量的百分比、体积、重量、满仓体积、满仓重量、温度、SNR（信噪比）、输出电流。根据这些数据，如物料的物位高低、体积和重量，能使工艺物位监测和库存管理达到一个新的高度。如果料仓或料堆的面积过大，需要使用多台物位计同时运行时，它们可以像是一台设备一样工作，互不干扰，同步传输，覆盖所有的物位映射点，从而生成整个物料表面的单一完整的融合视图。

图5  采用3Dvision软件的料仓监控图像

图6  物位计软件生成的料仓料面的三维图像

3  三维成像物位仪的系列产品

艾默生过程管理推出的Rosemount5708系列三维成像物位仪涉及到库存物料重量的有5708V和5708S，5708V扫描光束的角度可以调整，适用于直径12m以下的料仓，能够精确显示物位和体积读数。5708S新增了显示测量表面3维视图的功能，还可在系统中连接多台三维成像物位仪，以便测量更大尺寸的料仓、料场和料堆。

这二个系列产品的主要性能见表1。

表1   5708系列三维成像物位仪的主要性能

4  三维成像物位仪的应用

4.1 意大利博尔扎诺盐矿

意大利北部的博尔扎诺（Bolzano）盐矿曾采用过基于其他技术的物位测量设备（雷达、超声波）测量盐仓的物位，但由于盐在仓壁堆积等原因使用不能令人满意，常常需要人工去现场检查，盐仓位于偏远的地区，检查不方便，而人力费用昂贵。盐矿希望更好的控制和管理盐仓设备的库存，能在任何阶段任何情况下，准确及时的显示盐仓储存物料的信息及三维料仓料面实时图像，为原材料采购决策提供依据。2011年3月在6个盐仓（见图7）安装了三维成像物位仪后，满足以上所有的要求。

图7  安装了三维成像物位仪的盐仓

4.2 美国爱荷华州路易斯德莱弗斯商品中心

美国爱荷华州路易斯德莱弗斯（Louis Dreyfus）商品中心以玉米生产乙醇，每天原材料周转量约4300m3，所采用的玉米筒仓的直径和高度尺寸都超过22m，容量达到18000m3，现场曾采用过单点式物位计来检测，但所得到的体积数据只是非常不准确的估计。客户寻找一个能够确保足够的安全库存、防止原料短缺的测量系统。客户后来安装了2台三维成像物位计和多扫描系统三维成像物位计2套监控玉米筒仓准确的玉米体积，还使用3D Multivision软件来查看在筒仓玉米的三维图像和数据报告。

图8  德莱弗斯商品中心的玉米筒仓

4.3 以色列Stybel面粉厂

以色列Stybel集团面粉厂为以色列提供20%的面粉，为确保整个生产过程高效的物资供应和交付能力，工厂要求跟踪所有筒仓的库存，以便掌握在筒仓内存有多少物料、筒仓还有多少容量可用于添加物料。面粉厂为工厂的90个筒仓（见图9）选择了三维成像物位仪作为库存跟踪解决方案的检测环节（见图10），筒仓的物料包括原材料、加工半成品和成品。三维成像物位仪提供了每一个筒仓精确的物料体积、重量和物位数值，所提供的图像甚至还包括物料在筒仓壁上的黏附状况，因此不再需要人工去现场检查。三维成像物位仪的数据被集成到SCADA系统，允许Stybel集团面粉厂使用来自三维成像物位仪信息管理整个工厂的库存，如订购原材料，制定出货计划等等。

图9  以色列Stybel集团面粉厂的筒仓

图10  筒仓顶部安装的三维成像物位仪

5  结束语

三维成像物位仪和3DVision/3DMultiVision应用软件提供料仓中的散装物料体积的实时评估，而准确的料仓内物料的体积测量是连续的库存和财务报告的基础，必要的实时数据，为成功的工厂管理关键决策提供依据。三维成像物位仪的实际应用使固体物料的库存管理由目测、丈量、仪器（人工）测定走向自动连续高准确度测定，使企业始终保持正确数量的库存，进而确保资金的正确使用。据估算，通常可节省8%~13%的库存成本，其应用前景可以说是非常广阔的。

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