基于激光測距技術的橋式起重機定位系統(tǒng)設計

冷建偉,李濤

(天津理工大學 自動化學院,天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室,天津 300384)

當前橋式起重機定位控制方面研究缺乏從本質上解決定位精度差效率低,運行過程不平穩(wěn)等問題。為了解決這些問題,我們提出采用激光測距器和條碼定位儀作為測距測速傳感器,將變頻器和PLC相結合,實現(xiàn)精確的絕對認址及閉環(huán)控制。該系統(tǒng)已成功應用在天津太鋼有限公司罩式退火爐(40+10)t天車上,并取得顯著的應用效果。

1 橋式起重機定位工作方式

橋式起重機作為一種現(xiàn)代化的大型搬運機械,是物料裝配系統(tǒng)中一種重要的設備,其以方便快捷、省時省工、載重量大等優(yōu)點,在鋼鐵、港口等行業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛且作用顯著。橋式起重機從結構上主要由橋架、大車小車行走機構、起升裝置、司機室等部分組成。本定位系統(tǒng)主要是指對起升裝置的吊鉤進行水平面定位,而吊鉤水平運動的載體是大小車行走機構,因此對吊鉤的定位轉化為對大小車行走機構的定位。橋式起重機定位工作原理為:在生產(chǎn)車間內將起重機作業(yè)區(qū)域分為以x,y,z 3個坐標為方向的三維運行空間,如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diag ram of positioning system

其中起重機的大車行走機構(下稱大車)沿車間兩側上方墻壁鋪設的鋼軌作橫向運行,設運行方向為x;小車行走機構(下稱小車)在大車上運行,相對其作縱向運動,設運行方向為y;吊鉤在垂直方向運動,設運行方向為z(本定位系統(tǒng)主要針對 x,y方向定位,故不對z方向定位進行闡述)。

為了精確快速地檢測行走機構的實時運行位置,方便操作人員對起重機作業(yè)進行控制,由分別安裝在起重機大車、小車上基于激光技術的測距傳感器在x,y,z三維空間坐標上對起重機行走機構運行位置和吊鉤高度進行精確測量,并將相應的信號傳給上位機處理并顯示吊鉤的實時坐標以便操作人員監(jiān)控。

2 橋式起重機定位系統(tǒng)設計

根據(jù)橋式起重機總體控制方案以及機械結構的控制要求,確定定位系統(tǒng)硬件結構的設計方案,系統(tǒng)電氣控制的結構框圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件電路由主控制器部分,傳感器檢測單元部分,變頻器執(zhí)行單元部分,以及外圍擴展接口設備部分等組成。

圖2 橋式起重機定位系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of overhead crane positioning system

2.1 定位系統(tǒng)

在本設計中為解決原有橋式起重機定位過程中所存在的定位不準確、效率低的問題使用基于激光技術的條碼定位儀與激光測距器重新設計了定位系統(tǒng)的傳感器檢測單元。這種基于激光技術的測距方式,改變了原有的定位思路,是一種非接觸測量方法,實現(xiàn)了在定位過程中的絕對認址。

激光測距器由電脈沖驅動產(chǎn)生激光束,激光束經(jīng)過安裝在大車一端的反射板反射,通過接收鏡頭返回接收元件,產(chǎn)生電脈沖再經(jīng)過計算電脈沖的時間間隔(發(fā)射脈沖及接收脈沖),通過傳感器的微處理器處理后,輸出模擬量信號(4～20 mA或DC 0～10 V兩種輸出方式)。即得出相應的激光器距放射板的距離,也就是 x方向的坐標。在保證1 mm重復精度的情況下測距范圍可從30 cm到300 m[1]。其工作原理如圖3所示。

圖3 激光測距器工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of laser ranging finder

條碼定位儀是一種新型的條碼閱讀器,它集合了激光技術與旋轉編碼器的優(yōu)點,通過讀取行進路線上的條型碼帶確定準確位置,可有效地實現(xiàn)絕對認址甚至曲線定位。條碼定位儀由兩部分組成:激光條碼讀取頭和條碼帶。工作原理是將條碼讀取頭安裝在大車上,條型碼帶全程安裝在行走軌道中,當大車在軌道上行走時,安裝在大車上的條碼讀取頭實時地掃描3個條碼,利用可見的紅色激光從條碼帶可測定毫米級的位置值,附在條碼帶的信息就可以通過條碼閱讀器讀出。最后通過內置的解碼器把大車當前的位置信息輸出至PLC[2]。

本定位系統(tǒng)所用的條碼定位儀和激光測距器,都屬激光測距方式,為非接觸測量。應用該技術于本定位系統(tǒng)上具有如下優(yōu)勢:1)采用絕對認址方式,相對于目前廣泛采用的編碼器(屬相對認址方式)可靠性和精確性更高;2)所得到的數(shù)字信號,精度高,且和上位機通信便捷,可以實時確定大車、小車的位置,易于實時監(jiān)控;3)獲得的位置信息模擬信號與起重機位置成線性關系,進行簡單轉換可得到起重機大車、小車當前運行的準確速度,便于調速和停準[1]。

2.2 控制系統(tǒng)

本定位系統(tǒng)控制部分設計方案在保留原橋式起重機控制系統(tǒng)結構和機械系統(tǒng)結構的基礎上,采用以工控機(IPC)作為上位機,以可編程控制器(PLC)作為下位機的控制模式構成。采用雙控制結構體系各部分功能如下。

2.2.1 下位PLC控制系統(tǒng)

由于PLC可靠性高、抗干擾能力強、循環(huán)周期短、指令集功能強大,并且采用模塊化、無風扇結構,易于實現(xiàn)分布式的配置,因此適用于復雜環(huán)境和工況條件下的現(xiàn)場控制[3]。

下位機PLC主要作為I/O控制站負責對測距傳感器的位置信號進行采集并利用各種數(shù)字量、模擬量模塊完成實時數(shù)據(jù)采樣、報警信號檢測與輸出,以及對變頻器等執(zhí)行機構進行控制。

2.2.2 上位工控機控制系統(tǒng)

工控機作為上位機能夠進行復雜的算法運算和數(shù)據(jù)處理,具有良好的人機界面并能夠保存大量數(shù)據(jù),方便管理控制。所以選用工控機作為核心,對PLC以及現(xiàn)場檢測執(zhí)行設備監(jiān)控管理并對過程數(shù)據(jù)進行處理。這樣可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性,增加系統(tǒng)的監(jiān)控和管理水平,便于用戶的程序開發(fā)和應用。

工控機查詢并讀取PLC內部數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)信息,進行數(shù)據(jù)分析和處理,在人機界面實時顯示起重機當前運行狀態(tài)以及位置、高度信息等實時數(shù)據(jù),并用數(shù)據(jù)庫加以管理和記錄。操作人員通過上位機監(jiān)控界面向現(xiàn)場執(zhí)行設備發(fā)出控制指令,控制行走機構準確運行到指定位置。在運行過程中工控機通過預先設定的控制策略并根據(jù)測距傳感器反饋回來的信號處理后實時調整變頻器的頻率值,使機車先以較高的速度運行到接近目的地址的位置,然后平穩(wěn)地減速到較低的速度運行,在到達目的地址時制動停準,實現(xiàn)起重機運行位置與速度的閉環(huán)控制。較好地滿足了橋式起重機作業(yè)中高速運行、換速平穩(wěn)、低速停準的速度控制和準確定位要求。克服天車變速時的速度曲線拐點所帶來的運行不平穩(wěn)等問題,使之更為圓滑,將天車的起步、停車以及變速能夠更加平穩(wěn)。

2.3 數(shù)據(jù)通信

在本定位系統(tǒng)中,工控機、PLC、輸入輸出模塊、傳感器、變頻器、光電開關等電氣設備之間數(shù)據(jù)傳輸采用基于PROFIBUS-DP的現(xiàn)場總線技術。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術不依賴設備制造廠家,利用其開放性可以方便快捷地進行自動化系統(tǒng)中控制設備與傳動裝置以及分布式I/O的通信,各種自動化設備均可通過同樣的接口交換信息,可以取代4～20 mA模擬量信號傳輸。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信速率為19.2 kb/s～12 Mb/s,通訊數(shù)據(jù)包為244字節(jié),因此其傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大以及可擴展性等優(yōu)點極大地滿足了現(xiàn)場需要[4- 5]。

在本定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中,一方面上位機的控制命令和調度命令必須準確無誤地下發(fā)到下位機,下位機的數(shù)據(jù)采集終端必須要將采集到的各種在線數(shù)據(jù)準確、迅速地送到PLC和工控機,例如條碼定位儀掃描條碼測定位置值,通過內置的解碼器把大車當前的位置信息由PROFIBUSDP總線輸出至PLC。另一方面,由于起重機出廠時其各項運行參數(shù)均保存在下位機PLC中,為了進行上位計算機和下位控制器通訊,采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,以備系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。完成這兩個方面功能的關鍵在于數(shù)據(jù)通訊,本設計采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)了多個設備之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)調控制。如圖4所示。

圖4 PROFIBUS-DP總線連接圖Fig.4 Connection diagram of PROFIBUS-DP bus

3 結論

文中對橋式起重機定位控制系統(tǒng)進行研究,采用基于激光測距技術的測距傳感器,與變頻器和PLC相結合實現(xiàn)精確的絕對認址及閉環(huán)控制。運行表明,本定位系統(tǒng)明顯提高對生產(chǎn)工具和原料的定位精度,從傳統(tǒng)的±20 cm提高到±3 cm以內,同時達到橋式起重機更為高效平穩(wěn)運行的目的。完成同樣的工作量只需原有時間的三分之一,這樣顯著提高了運行效率。

[1]王勇軍,周奇才.自動化倉庫堆垛機高速運行控制技術[J].起重運輸機械,2003(1):27-29.

[2]李小平.基于BPS的堆垛機速度控制與認址方法研究[J].起重運輸機械,2008(12):13-15.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[4]劉鍇.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[5]崔堅,李佳.西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.