基于PLC的天車無人化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)及應(yīng)用

【摘 要】介紹全國(guó)首家天車無人化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)擬合曲線法研發(fā)了擺角控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了天車多模式控制、全自動(dòng)運(yùn)行、設(shè)備全天候監(jiān)視和鋼卷跟蹤等功能。應(yīng)用表明，系統(tǒng)顯著提高了天車效率和平穩(wěn)度，降低了天車工勞動(dòng)強(qiáng)度和天車點(diǎn)檢難度，增加了天車可靠性。為庫房管理和物流工藝發(fā)展升級(jí)提供了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】天車控制 天車無人化 PLC 擺角控制 全天候監(jiān)視

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)天車控制模式中，均采用純電氣控制。在很大程度上限制了天車控制水平進(jìn)步、庫房管理和物流工藝的發(fā)展和升級(jí)。傳統(tǒng)天車，操作工長(zhǎng)期暴露在危險(xiǎn)環(huán)境下從事高強(qiáng)度重復(fù)性勞動(dòng)；天車?yán)眯实?，?dòng)作平穩(wěn)程度不高；天車屬于高空作業(yè)，設(shè)備不易點(diǎn)檢，故障不易發(fā)現(xiàn)[1]。唐鋼于2014年著手自主研發(fā)并最終在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用天車無人化控制系統(tǒng)很好的解決了這些問題。

2 設(shè)計(jì)方案

以實(shí)現(xiàn)天車全自動(dòng)和天車設(shè)備全天候監(jiān)控為目的，綜合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、PLC控制技術(shù)和HMI技術(shù)，設(shè)計(jì)天車無人化控制系統(tǒng)。一套可靠的PLC系統(tǒng)，需要具備多種環(huán)境下的處置能力，據(jù)此采用手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、遙控模式、維護(hù)模式四結(jié)合的原則，實(shí)現(xiàn)天車控制方式多樣化?；诿嫦?qū)ο笤瓌t，將系統(tǒng)劃分為命令層、基礎(chǔ)層、執(zhí)行層，如圖1所示，依托現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和無線通訊技術(shù)串接PLC控制系統(tǒng)、傳感器、傳動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)控制精準(zhǔn)化。明確控制對(duì)象，劃分控制功能，分別為大車控制、小車控制、主鉤升降控制、主鉤旋轉(zhuǎn)控制、天車擺角控制、天車防撞控制、夾鉗控制、鋼卷跟蹤、事件中斷及手動(dòng)干預(yù)的處理、參數(shù)設(shè)定、故障報(bào)警、人機(jī)接口等功能。作為智能化庫房的設(shè)備控制部分，建立完善的通訊結(jié)構(gòu)，保障系統(tǒng)與WMS進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，接收WMS下發(fā)工單，反饋天車和鋼卷信息，生成信息數(shù)據(jù)流，為生產(chǎn)物流提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 控制系統(tǒng)層次劃分及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件結(jié)構(gòu)

采用西門子S7-300 PLC及ET200遠(yuǎn)程站做為控制架構(gòu)，組成命令層，結(jié)合傳感器狀態(tài)，經(jīng)由連鎖和邏輯判斷對(duì)執(zhí)行層下達(dá)具體動(dòng)作命令；執(zhí)行層包括ABB變頻器及其控制的電機(jī)等傳動(dòng)裝置，通過Profibus工業(yè)總線接收命令層指令進(jìn)行電機(jī)等設(shè)備的動(dòng)作；基礎(chǔ)層由各種傳感器組成，對(duì)天車實(shí)際動(dòng)作和當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并反饋到命令層PLC中，作為PLC系統(tǒng)命令的觸發(fā)與連鎖信號(hào)。

4 功能技術(shù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用模塊化組織架構(gòu)，按照不同功能劃分各個(gè)功能塊，使用SCL語言編程。

4.1設(shè)備控制功能研發(fā)實(shí)現(xiàn)

手動(dòng)和遙控控制采用循環(huán)順序控制方式，即由主程序依次調(diào)用手動(dòng)控制模塊和遙控控制模塊，實(shí)現(xiàn)邏輯的順序執(zhí)行，用以保證天車非常規(guī)工作的使用，繼承傳統(tǒng)天車的控制功能。自動(dòng)控制采用定時(shí)掃描控制方式，即每50ms運(yùn)行一次循環(huán)，調(diào)用一次自動(dòng)控制模塊，有效保證系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行和DP通訊的可靠性，實(shí)現(xiàn)天車無人化的目的，如圖2所示。維護(hù)模式采用繼電器控制，完全脫離PLC控制，用于PLC系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重故障或天車其它設(shè)備產(chǎn)生致命錯(cuò)誤時(shí)。

圖2 手動(dòng)和遙控控制功能結(jié)構(gòu)圖

4.2鋼卷跟蹤技術(shù)研發(fā)實(shí)現(xiàn)

鋼卷跟蹤的工作對(duì)象是指鋼卷在庫房?jī)?nèi)由天車動(dòng)作所引起的一系列位置和狀態(tài)變化，其目的是通過確定鋼卷在庫房?jī)?nèi)具體垛位的位置和狀態(tài)決定是否啟動(dòng)相關(guān)的功能程序，對(duì)跟蹤的鋼卷準(zhǔn)確地進(jìn)行各種控制、數(shù)據(jù)采樣、操作指導(dǎo)并將其跟蹤信息發(fā)送至HMI人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)天車設(shè)備全天候監(jiān)控。鋼卷跟蹤是天車全自動(dòng)控制的重要手段，其功能的高低直接影響著天車控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。跟蹤由PLC完成，毫秒級(jí)的循環(huán)周期保證了跟蹤的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。在天車工作時(shí)，鋼卷跟蹤實(shí)時(shí)監(jiān)控大車位置、小車位置、主鉤高度、夾鉗寬度、負(fù)載信號(hào)等，依據(jù)內(nèi)部邏輯綜合判斷天車動(dòng)作所在過程；實(shí)時(shí)記錄取放卷垛位信息及鋼卷信息等。匯總所有信息形成以時(shí)間為X軸，空間為Y軸，鋼卷信息為Z軸的跟蹤信息。鋼卷跟蹤功能實(shí)現(xiàn)了在天車多模式控制下，鋼卷信息流的連續(xù)性，使庫區(qū)智能化管理成為可能。

4.3天車擺角自動(dòng)控制功能研發(fā)實(shí)現(xiàn)

天車全自動(dòng)控制運(yùn)行時(shí)最顯著的特性之一[2]，就是天車移動(dòng)和停止過程中主鉤擺幅很小、擺角可控，特別是表現(xiàn)在動(dòng)態(tài)取、放卷時(shí)，主鉤擺角能夠控制在0.5度以內(nèi)。這為天車精確定位和安全取、放卷提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有效保障了鋼卷在庫房?jī)?nèi)的精準(zhǔn)碼放。天車擺角的產(chǎn)生原因是天車在變速運(yùn)動(dòng)中鋼卷速度變化滯后于大車和小車速度變化，因此控制天車擺角就是消除這種速度變化的不同步。天車擺角控制的過程是將主鉤擺角分解成水平坐標(biāo)系內(nèi)的X軸和Y軸兩個(gè)方向，分別對(duì)應(yīng)擺角儀的大車和小車方向的角度反饋，通過判斷主鉤擺動(dòng)方向不斷修正大車和小車行進(jìn)速度，使主鉤擺動(dòng)與大車、小車動(dòng)作形成相互追逐的狀態(tài)，從而減小主鉤擺角。采用擺角檢測(cè)技術(shù)和擬合曲線法，研發(fā)的天車擺角自動(dòng)控制方法，很好的實(shí)現(xiàn)了天車無慣性擺動(dòng)運(yùn)行。

4.4天車設(shè)備全天候監(jiān)控研發(fā)實(shí)現(xiàn)

基于WINCC系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，將天車設(shè)備狀態(tài)采集到操作室，使操作工和維檢人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常和故障。天車設(shè)備全天候監(jiān)控能夠?qū)崟r(shí)接收設(shè)備狀態(tài)掃描信息，能夠自主判定當(dāng)前各項(xiàng)設(shè)備是否正常，并以不同顏色和閃爍效果顯示在相應(yīng)的監(jiān)控屏幕上，還能夠跟蹤當(dāng)前天車行走路徑，并根據(jù)鋼卷目標(biāo)位置指導(dǎo)天車行進(jìn)方向，形成“鋼卷陀螺儀”的效果。天車設(shè)備全天候監(jiān)控能夠自動(dòng)生成報(bào)警信息，并允許歸檔和打印報(bào)警信息，以備事故分析和故障快速判定。天車設(shè)備全天候監(jiān)控，簡(jiǎn)化了天車維護(hù)故障判定，為天車可靠運(yùn)行提供了安全保障。

5 結(jié)語

天車無人化控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)開發(fā)并應(yīng)用尚屬首次。極大降低了天車工勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了天車?yán)眯?，?dòng)作“平而不緩”，杜絕鋼卷破包現(xiàn)象發(fā)生；顯著降低了天車設(shè)備故障率，極大延長(zhǎng)了天車設(shè)備使用壽命；天車設(shè)備狀態(tài)一目了然，降低了維護(hù)人員點(diǎn)檢難度，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控天車設(shè)備狀態(tài)，極大的增加了天車運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]RAYAK.Analysis of crane and lifting accident in NorthAmerica from 2004 to 2010[D].Austin：The University of Texas，2011.

[2]Blackburn D，Singhose W.Command Shaping for Nonlinear Crane Dynamics[J].Journal of Vibration and Control，2010，16（4）：477-501.

作者簡(jiǎn)介：李志亮（1982—），男，河北唐山人，本科，工程師，長(zhǎng)期從事PLC編程調(diào)試和HMI界面組態(tài)設(shè)計(jì)工作，主持參與過多項(xiàng)煉鋼、煉焦、型鋼電氣編程調(diào)試工作。