智能天車控制系統(tǒng)

劉炳偉，蔣林森，張博文，李光新

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061；2.哈爾濱工大工業(yè)機器人有限公司，哈爾濱150001；3.哈爾濱理工大學自動化學院，哈爾濱150080）

智能天車控制系統(tǒng)

劉炳偉1，蔣林森1，張博文2，李光新3

（1.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450061；2.哈爾濱工大工業(yè)機器人有限公司，哈爾濱150001；3.哈爾濱理工大學自動化學院，哈爾濱150080）

隨著工業(yè)生產(chǎn)活動中信息化技術水平的不斷提高，提高生產(chǎn)效率和人員及設備安全保障越來越被重視，實現(xiàn)機械自動化是目前常用手段。與普通天車相比，本智能天車控制系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)效率的同時還降低了對能源的消耗、減輕了工人的勞動強度。它采用了計算機控制的智能系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的需要，完成自動上下料、智能倉儲等不同功能，提高了天車的工作效率和安全性，實現(xiàn)庫區(qū)管理的自動化。

天車控制；坐標定位；調度決策系統(tǒng)

目前，普通天車現(xiàn)有的操作大都依靠人工，工人勞動強度大、容易誤操作、設備效率低、安全性差。發(fā)展天車自動化、智能化調度、控制可以在實現(xiàn)天車工作效率最高的同時，減輕工人的勞動強度。智能天車的高效率主要表現(xiàn)在具有用戶定制化的控制決策系統(tǒng)，在提高生產(chǎn)效率的同時還可以降低能源的消耗；整個系統(tǒng)采用通用標準接口和開放的系統(tǒng)架構。隨著用戶應用的發(fā)展，可以非常容易地進行集成、擴展和延伸，降低了用戶的投資成本；控制系統(tǒng)通訊采用工業(yè)控制中最為先進的實時總線，保證了系統(tǒng)對傳感器及執(zhí)行機構信號的實時獲取和傳達［1］。

1　智能天車工作流程分析

圖1　智能天車工作流程圖Fig.1 An intelligent crane work flowchart

智能天車調度、控制系統(tǒng)是一套根據(jù)用戶實際需求定制的系統(tǒng)，所以，在設計之前，首先根據(jù)實際的工程需要，對該智能天車的工作流程簡要歸納。如圖1所示：

智能天車任務清單下達后，總控主機根據(jù)加工任務自動分解任務和命令到各個系統(tǒng)和設備，同時，人工將型材放到固定收貨臺（接料臺）上，收貨臺（接料臺）接著對材料進行端部整理，使型材端部平齊。此時，智能天車接到呼叫命令后到收貨臺（接料臺）將型材取走，取走之后，智能天車對起吊型材自動稱重，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸給倉庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行更新。

智能行車按順序給機臺加料/換料，在計劃停機或者天車空閑時，根據(jù)倉庫管理指示，將每個機臺需要的材料倒庫（帶托盤），放到天車最容易取的地方，以提高機床的換料效率，當鋸切機料倉內(nèi)材料未用完需要更換品種時，機臺發(fā)出呼叫命令，天車將鋸切機料倉內(nèi)的材料全部取出，放到疊放庫（線邊庫）的空托盤內(nèi)，然后在將下一個品種吊入鋸切機料倉。天車帶有倉庫管理系統(tǒng)，對正執(zhí)行的任務進行順序優(yōu)化，進料倒庫，遵從先進先出、就近使用等原則，而被鋸切完成的零件將會輸送到自動沖孔系統(tǒng)，自動沖孔系統(tǒng)再按照工藝要求和圖紙沖孔，沖完孔的工件再經(jīng)自動分選系統(tǒng)放入料箱，料箱存滿后由人工取走和更換。

2　智能天車控制系統(tǒng)功能

在對智能天車工作流程分析的基礎上，對智能天車進行功能需求分析。為了實現(xiàn)智能控制，最首要的一點，即實現(xiàn)精確的定位，智能天車采用條碼和旋轉編碼器檢測技術，條碼識讀是通過獲取載體上的條碼信息，譯碼得到條碼符號承載的信息；在垂直方向的定位上，采用拉線式旋轉編碼器，旋轉編碼器通過在旋轉時內(nèi)部光電傳感器接收透過光柵的光信號而產(chǎn)生脈沖信號，從而進行定位，兩種檢測技術的使用實現(xiàn)了智能天車的精確定位。

為了提高天車上料、倒庫效率，智能天車采用型材使用預估功能，該功能是通過對各個機臺每種型材使用的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，在根據(jù)訂單分析結果的基礎上，分析并計算出常用型材類型，從而自動設計規(guī)劃型材碼放順序及位置。

行車安全保障功能是天車安全運行保證，它包括天車位置檢測和激光掃描防碰撞功能，位置檢測系統(tǒng)用于天車始終運行在安全的工作區(qū)間，防止智能天車自身運行造成安全隱患；安全防碰撞功能用來保證了原有天車和智能天車的行車安全，保證兩天車在各自運行過程中不發(fā)生碰撞。

人機交互功能是智能天車系統(tǒng)的重要組成部分，包括人工控制模塊、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障報警等。人機交互是智能化控制系統(tǒng)與終端用戶交互的橋梁。一方面，用戶通過監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測智能天車的控制流程和設備運行狀態(tài)；另一方面，用戶可經(jīng)由人機交互系統(tǒng)對控制系統(tǒng)發(fā)出指令，直接對控制流程中的系統(tǒng)參數(shù)和控制策略加以調整和適當?shù)膮⑴c。圖2所示是智能天車控制系統(tǒng)組成框圖。

圖2　智能天車控制系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Intelligent crane control system block diagram

3　智能天車控制系統(tǒng)組成

智能天車控制系統(tǒng)是集實時以太網(wǎng)通訊技術、自動化控制技術、智能調度技術于一身的行車智能化控制系統(tǒng)，能對智能天車的吊具三維位置進行實時檢測，監(jiān)控智能天車工作狀態(tài)，在線跟蹤記錄庫中的物流狀態(tài)，實現(xiàn)對各單元生產(chǎn)用行車的自動調度、庫場管理和行車工作信息的實時匯總，保證生產(chǎn)過程中物流的順暢。該智能天車控制系統(tǒng)主要包括坐標定位系統(tǒng)、調度決策系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和行車安全保障系統(tǒng)。

3.1智能天車坐標定位系統(tǒng)

智能天車是以橋形主梁的金屬結構作為主要承載構件橫架在車間固定跨間上方，并可沿軌道移動，取物裝置懸掛在可沿橋架運行的起重小車上，使取物裝置上的重物實現(xiàn)垂直升降和水平移動。隨著信息化水平不斷的提高，ERP系統(tǒng)的普及，提高生產(chǎn)效率越來越被重視，實現(xiàn)機械自動化是目前常用手段，實現(xiàn)起重機械自動化最根本的問題就是位移檢測，將檢測到的位置信息送到可編程控制器（PLC），通過PLC控制變頻調速器，進而控制走行電機的轉速，則可達到自動走行、自動定位的目的［2］。

本系統(tǒng)采用的是條碼定位系統(tǒng)，條碼定位技術主要涉及兩大方面的內(nèi)容：位移條碼和條碼圖像的識讀處理。條碼識讀是通過獲取載體上的圖像信息，譯碼得到條碼符號承載的信息的過程。條碼定位的工作原理是將條碼識讀設備安裝在行走小車上，條碼帶全程安裝在行走軌道中，當小車在軌道上行走時，安裝在小車上的條碼識讀設備時時掃描當前的條碼，通過內(nèi)置的解碼器輸出小車當前的位置信息［3］。條碼定位技術為用戶實現(xiàn)自動化管理提供了必要的前提。圖3所示是該智能天車的定位系統(tǒng)控制框圖。

圖3　智能天車定位系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Intelligent crane positioning system control block

3.2調度決策系統(tǒng)分析

調度決策系統(tǒng)是智能天車控制系統(tǒng)的核心，屬于該智能控制系統(tǒng)中的高層控制部分，負責輸出天車的調度控制決策。整個調度決策系統(tǒng)包括天車調度控制系統(tǒng)和庫存管理數(shù)據(jù)庫兩部分組成［4］。

針對天車裝配調度只考慮獨立工序按大小排序插入空閑時間段中存在較大空閑時間段被較小獨立工序占用浪費空閑時間的問題，提出了縮短其空閑時間的方法。通過對不同時刻開始裝配產(chǎn)品的裝配工藝圖進行分析，將動態(tài)裝配問題中的產(chǎn)品裝配工序虛擬分為具有唯一緊前、緊后的相關工序和獨立工序，采取將獨立工序插入到相應的空閑時間段中的裝配方法，使總裝配時間不超過或盡量少的超過由關鍵路徑工序確定的裝配時間［5］。

調度決策系統(tǒng)的工作原理為根據(jù)用戶的輸入，包括任務清單、機臺呼叫指令等信息，其中任務清單可由人工本地或遠程輸入；在接收到相關控制輸入后，系統(tǒng)通過查詢庫存管理數(shù)據(jù)庫中庫存的實時信息、每種貨物的屬性等，結合任務優(yōu)先級排序（如果輸入指令存在優(yōu)先級區(qū)分情況下），并在智能調度算法控制下，根據(jù)用戶的定制需求輸出理想的控制序列（如時間最優(yōu)、原材料最省等為用戶提供最大的定制化），從而控制下層的運動控制器進行實際的運動控制，在每條控制指令完成后，更新數(shù)據(jù)庫中對應的物料信息［6］。圖4所示為該智能決策調度算法原理示意圖。

圖4　智能決策調度算法原理示意圖Fig.4 Schematic scheduling algorithm of intelligent decision

3.3天車運動控制系統(tǒng)

天車運動控制系統(tǒng)作為整個智能天車控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，是主要的執(zhí)行控制部分。它接收來自智能決策調度控制系統(tǒng)的控制輸出序列，控制伺服系統(tǒng)準確的執(zhí)行每一條指令，并確?，F(xiàn)場人員及設備安全［7］。運動控制系統(tǒng)在硬件上由伺服電機、多通道電機控制模塊、條碼定位系統(tǒng)、外置拉線編碼器、工業(yè)攝像機及圖像采集卡組成［8］。

天車運動控制系統(tǒng)的精確定位系統(tǒng)能夠實時提供天車運行所需的水平及垂直方向的精確定位；但是天車能夠準確地進行抓取、存放操作還取決于各個定位點與天車的相對位置的準確性，因此，由于工作區(qū)域內(nèi)各個定位點相對于天車位置變化而帶來的誤差通過以上系統(tǒng)是無法解決的［9］?；谝陨戏治鲈O計了視覺位置糾偏系統(tǒng)，它是針對疊放庫中貨物存放的實際位置與庫存管理系統(tǒng)保存的位置的差異，根據(jù)測得的偏差距離加上此時精確定位系統(tǒng)所確定的實際位置對庫存管理系統(tǒng)中的位置進行更新，以確保天車快速而精準的定位。

3.4安全保障系統(tǒng)

天車安全保障系統(tǒng)主要由安全PLC、安全限位傳感系統(tǒng)和稱重系統(tǒng)來實現(xiàn)。安全PLC獨立于主控PLC，可實現(xiàn)對主控PLC監(jiān)控及安全運行位置監(jiān)測，安全限位傳感系統(tǒng)包括位置傳感器和激光掃描雷達，位置傳感器位于天車各個方向行程的末端，防止天車駛出安全行車區(qū)域；稱重系統(tǒng)用于獲取吊裝工件的質量信息，能夠將力傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)采集模塊傳送到PLC，經(jīng)濾波算法獲得準確的重量，通過該信息PLC判斷吊裝物是否過載，然后通過總線將該重量信息發(fā)送至總控主機（工控機）中。

4　結語

本文介紹了智能天車的工作流程，控制系統(tǒng)組成和功能，提出了智能天車與普通天車相比所存在的優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)天車存在定位精度不高、工作不穩(wěn)定的問題，保證了貨物的穩(wěn)定可靠輸送，降低了天車運行故障率，減少了人工參與，提高了生產(chǎn)效率和效益。坐標定位系統(tǒng)使得定位結果更科學準確，提升了企業(yè)的自動化程度。系統(tǒng)采用先進的計算機智能控制系統(tǒng)，穩(wěn)定可靠，運行維護方便，充分實現(xiàn)了庫區(qū)管理的精確化、簡單化、自動化。

［1］沈瑜平.冷軋廠天車（行車）定位及智能導航系統(tǒng)［J］.杭州錢江稱重技術有限公司自動化部，2015，39（1）：4-5.

［2］鄭曉光，周文華，李小萍.天車智能控制器［J］.黑龍江電子技術，1996，（3）：2-3.

［3］李東利.條碼定位技術的研究［D］.沈陽：沈陽航空航天大學，2013：14-15.

［4］謝志強.可回退搶占的設備驅動綜合調度算法［J］.自動化學報，2011，37（11）：5-6.

［5］謝志強，辛宇，楊靜.縮短空閑時間的動態(tài)裝配調度優(yōu)化控制［J］.電機與控制學報，2008,12（1）：1-2.

［6］趙業(yè)清，畢貴紅.基于Agent的車間天車調度系統(tǒng)TCPN建模［J］.冶金自動化，2012，36（4）：3-5.

［7］謝志強，邵俠，楊靜.存在設備無關延遲約束的綜合柔性調度算法［J］.機械工程學報，2011，47（4）：3-5.

［8］張紅.智能天車物流管理系統(tǒng)的設計［J］.湖南理工學院學報，2014，27（4）：2-4.

［9］袁軍強.天車無線智能控制改造［J］.煤礦機械，2012，33（12）：2-3.

The Intelligent Control System of Smart Crane

LIUBing-wei1,JIANGLin-sen1,ZHANGBo-wen2,LI Guang-xin3
（1.Zhengzhou YutongBus Share Limited Company,Zhengzhou 450061,China;
2.Harbin HITIndustryRobot Limited Company,Harbin 150001,China;
3.Department ofAutomation,Harbin UniversityofScience and Technology,Harbin 150080,China）

With the continuous improvement of the level of information technology in industrial production activities,the improvement of the production efficiency and the personnel and equipment safety protection are more and more concerned,the realization of mechanical automation is currently a common means.Compared with the ordinary crane,the smart crane of the intelligent control system,can improves the production efficiency and reduces the energy consumption and reduces the labor intensity of the workers.With the computer control of the intelligent system, according to the needs of the user complete automatic feeding and blanking,intelligently storage and so on.It can improve the efficiency and safety ofthe crane,realizingthe automation management ofstorehouse.

Crane control;Coordinate positioning;Dispatchingdecision system

TM307

A

1674-8646（2015）09-0034-03

2015-06-25

劉炳偉（1982-），男，河南許昌人，學士，助理工程師，從事客車部件加工工藝研究。

張博文（1989-），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，軟件工程師，從事控制系統(tǒng)軟件架構設計。