基于Arduino的電解鋁多功能天車的防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

任強(qiáng)勝

(四川省絲綢工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610031)

多功能天車是鋁電解生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是現(xiàn)代預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，能滿足鋁電解車間高熔鹽、大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)、多粉塵的工作環(huán)境。一條電解生產(chǎn)線一般配備多臺(tái)多功能天車，電解車間的各項(xiàng)日常作業(yè)都離不開(kāi)多功能天車，其主要用于電解車間換極、出鋁、抬母線、槽上部結(jié)構(gòu)及電解車間其它重物的吊運(yùn)等作業(yè)[1]。一直以來(lái)，因電解車間作業(yè)煩雜，且經(jīng)常存在兩臺(tái)甚至多臺(tái)多功能天車跨區(qū)域交叉作業(yè)的情況，致使天車兩兩相撞的事故時(shí)有發(fā)生。不但造成了設(shè)備修理的直接經(jīng)濟(jì)損失，而且還影響了電解正常生產(chǎn)作業(yè)，造成了巨大的人力、物力、財(cái)力方面的損失。針對(duì)這一情況，分析問(wèn)題存在的原因，主要有兩個(gè)：一是設(shè)備存在缺陷，沒(méi)有電氣防撞功能和提示功能，機(jī)械限位不能滿足高速行駛時(shí)的防撞要求；二是天車操作工注意力不夠集中。

鑒于以上兩個(gè)原因，為提高人員、設(shè)備的安全性，降低財(cái)產(chǎn)損失，首先要解決設(shè)備存在的缺陷問(wèn)題，增加天車電氣防撞連鎖和電氣防撞報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的本質(zhì)化安全。同時(shí)解決天車操作工注意力不集中時(shí)，提示天車操作工注意天車運(yùn)行情況。在原有機(jī)械式防撞裝置的基礎(chǔ)上加裝一套防撞裝置，通過(guò)遠(yuǎn)程測(cè)距方式，Arduino數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集運(yùn)行軌道上的兩車距離。將采集的信號(hào)送入大車運(yùn)行控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出降速、報(bào)警、停車指令。

本文對(duì)防撞系統(tǒng)的測(cè)距和控制進(jìn)行了一定的研究，就目前應(yīng)用較為廣泛的幾種測(cè)距方式進(jìn)行分析比較，設(shè)計(jì)出最適合鋁電解車間復(fù)雜工作環(huán)境的測(cè)距方案，以及一套防撞系統(tǒng)為安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 無(wú)線測(cè)距技術(shù)分析

隨著光電子的發(fā)展，現(xiàn)有測(cè)距技術(shù)主要以超聲波、紅外線、激光作為主要方式，以上三種測(cè)距技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，而且根據(jù)環(huán)境、功能使用要求的不同，選擇不同的測(cè)距方式。

1.1 超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離[2]。主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量。但易受環(huán)境影響，如溫度、風(fēng)速、粉塵等。

1.2 紅外線測(cè)距

紅外線測(cè)距利用的是紅外線傳播時(shí)的不擴(kuò)散原理[3]。因?yàn)榧t外線在穿越其它物質(zhì)時(shí)折射率很小，所以長(zhǎng)距離的測(cè)距儀都會(huì)考慮紅外線，而紅外線的傳播是需要時(shí)間的，當(dāng)紅外線從測(cè)距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來(lái)被測(cè)距儀接受到，再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時(shí)間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。但紅外線測(cè)距有一個(gè)缺點(diǎn)，就是不同的面返回的光線強(qiáng)度不一樣，黑色返回的數(shù)據(jù)要比白色低許多，所以光線強(qiáng)度和距離不一定完全成正比，材料一換，對(duì)應(yīng)的關(guān)系也就變了。

1.3 激光測(cè)距

激光測(cè)距的基本原理是先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上，激光測(cè)距的基本原理如圖1所示。工作時(shí)，激光器發(fā)射激光，光束穿過(guò)大氣到達(dá)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射后返回，并由探測(cè)器接收，測(cè)出從激光發(fā)射到反射光被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值[4]。激光測(cè)距測(cè)量距離遠(yuǎn)(幾十米至幾百米)，精度高，受干擾比較小，可以用于精確定位。

1.激光發(fā)射系統(tǒng) 2.光束傳播路徑上的大氣層 3.待測(cè)目標(biāo) 4.反射光探測(cè)器圖1 激光測(cè)距原理框圖

綜合上述情況，采用激光傳感器應(yīng)用到鋁電解生產(chǎn)環(huán)境中能保證測(cè)距的穩(wěn)定性，不受電解車間復(fù)雜環(huán)境的干擾，能有效避免磁場(chǎng)和灰塵的影響。

2 防撞控制系統(tǒng)的研究

2.1 防撞控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

原有的大車防撞系統(tǒng)主要由終端限位及機(jī)械緩沖器組成，如圖2所示。只能實(shí)現(xiàn)兩車相撞后的被動(dòng)防護(hù)功能。因每臺(tái)天車重達(dá)百余噸，基本上是鋼性結(jié)構(gòu)件、其大車高速運(yùn)行時(shí)速度為60米/分以上，具有相當(dāng)大的慣性力。如果一臺(tái)車在停止過(guò)程中或者作業(yè)過(guò)程中發(fā)生碰撞，將產(chǎn)生巨大的沖擊力，可能導(dǎo)致減速機(jī)構(gòu)、工具機(jī)構(gòu)及電解槽被撞損變形、無(wú)法修復(fù)，甚至還會(huì)造成人員的傷亡。

圖2 機(jī)械緩沖器實(shí)物示意

通過(guò)分析存在的問(wèn)題，研制一套防撞系統(tǒng)能很好解決以上問(wèn)題存在的不足。防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為激光傳感器和反光板(待測(cè)目標(biāo))，安裝時(shí)激光傳感器安裝在被控制的天車(1號(hào)車)上，反光板安裝在被測(cè)的天車(2號(hào)車)上，被控天車(1號(hào)車)上的激光傳感器采集與被測(cè)天車(2號(hào)車)的位置信號(hào)，測(cè)量范圍在0-10米內(nèi)。由于在軌道上有多臺(tái)車，所以對(duì)天車的左右兩側(cè)都要進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量檢測(cè)，如圖3所示。要確保激光傳感器發(fā)射光與反光板的反光面角度在85°-95°之間，這樣才能保證在兩臺(tái)天車大梁之間的平行度不是很高時(shí)，不至于檢測(cè)不到天車的位置。

圖3 防撞系統(tǒng)裝置安裝示意圖

設(shè)計(jì)天車防撞控制功能需要考慮以下三點(diǎn)：

(1)激光傳感器的選擇。由于電解車間的環(huán)境決定選用的激光傳感器必須受干擾比較小，運(yùn)行穩(wěn)定，我們選用歐姆龍E3Z-LR86的激光傳感器，檢測(cè)距離: 0.2～7 m,入光時(shí)ON/遮光時(shí)ON切換式, 采用PNP輸出方式，工作電壓12-24VAC，輸出負(fù)載0-100MA，配備相應(yīng)的電源。

(2)激光傳感器輸出信號(hào)與Arduino數(shù)據(jù)采集器控制系統(tǒng)輸入信號(hào)的傳遞。Arduino數(shù)據(jù)采集器是一款開(kāi)源的電子原型平臺(tái)，包含硬件和軟件。能通過(guò)各種各樣的傳感器感知周圍的環(huán)境狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定采集傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲(chǔ)[5]。Arduino數(shù)據(jù)采集器以5VDC開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，而多功能天車的PLC控制系統(tǒng)輸入信號(hào)為110VDC信號(hào)，通過(guò)繼電器將5VDC轉(zhuǎn)化為110VDC的信號(hào)，才能輸入多功能天車PLC控制系統(tǒng)。

(3)天車控制系統(tǒng)需有兩個(gè)或兩個(gè)以上閑置輸入點(diǎn)。通過(guò)增加控制系統(tǒng)硬件配置而增加輸入點(diǎn)數(shù)量，能保證一臺(tái)多功能天車大車行走的兩個(gè)方向的信號(hào)能夠輸入給PLC控制系統(tǒng)。

通過(guò)分析以上三個(gè)問(wèn)題，激光傳感器能很好解決電解車間強(qiáng)磁場(chǎng)、多粉塵的測(cè)量距離的問(wèn)題，Arduino數(shù)據(jù)采集器很容易與激光傳感器相連接，運(yùn)行穩(wěn)定，搭建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拓展性能非常高，同時(shí)具備標(biāo)準(zhǔn)化的接口很容易與PLC控制系統(tǒng)通信。最終提出多功能天車大車防撞控制功能原理如圖4所示。

圖4 多功能天車大車防撞控制功能原理圖

2.2 系統(tǒng)工作原理分析

激光傳感器采集到的位置信號(hào)，輸入給Arduino數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算，以開(kāi)關(guān)量110VDC信號(hào)方式發(fā)送給天車控制系統(tǒng)，優(yōu)化天車控制系統(tǒng)程序，使控制系統(tǒng)按實(shí)際需求進(jìn)行輸出。編寫(xiě)Arduino數(shù)據(jù)采集器控制系統(tǒng)程序時(shí)，采用ArduinoIDE編寫(xiě)庫(kù)文件和數(shù)據(jù)采集程序。同時(shí)優(yōu)化PLC控制系統(tǒng)通過(guò)位置信號(hào)屏蔽部分大車控制信號(hào)，使大車減速或者停車，或者同時(shí)輸出給報(bào)警機(jī)構(gòu)，取消屏蔽時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，選擇大車反向運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)取消被屏蔽的部分信號(hào)。如在進(jìn)行槽上部吊裝時(shí)，需要進(jìn)行雙車聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，只要發(fā)出聯(lián)動(dòng)信號(hào)后，防撞功能自動(dòng)關(guān)閉，優(yōu)化后的天車PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化程序如下[6]：

SOR BST XIC I:1.0/1 NXB XIC B3:1/1 BND XIO I:1.0/5 OTE B3:1/1 EOR

SOR BST XIC I:1.0/2 NXB XIC B3:1/2 BND XIO I:1.0/3 OTE B3:1/2 EOR

SOR XIC I:1.0/3 OTE O:2.0/0 EOR

SOR XIC I:1.0/3 XIC I:1.0/4 XIO B3:1/1 OTE O:2.0/1 EOR

SOR XIC I:1.0/5 OTE O:2.0/2 EOR

SOR XIC I:1.0/5 XIC I:1.0/6 XIO B3:1/2 OTE O:2.0/3 EOR

SOR BST XIC B3:1/1 NXB XIC B3:1/2 BND OTE O:2.0/4 EOR

SOR END EOR

I:1.0/1——右行位置信號(hào)；I:1.0/2——左行位置信號(hào)；

I:1.0/3——右行一檔；I:1.0/4——右行二檔；

I:1.0/5——左行一檔；I:1.0/6——左行二檔；

2.3 距離測(cè)量原理分析

多功能天車運(yùn)行速度分為高、中、低三種，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況設(shè)定傳感器測(cè)定距離為6米左右，當(dāng)2號(hào)車一旦進(jìn)入檢測(cè)范圍內(nèi)的敏感區(qū)時(shí)，傳感器發(fā)信號(hào)給2號(hào)車的Arduino數(shù)據(jù)采集器，觸發(fā)大車行走報(bào)警，天車操作工要想解除報(bào)警和鎖定位置信號(hào)，只需把大車向相反方向開(kāi)動(dòng)。如果兩車距離縮小到5.5米時(shí)，鎖定位置信號(hào)，并把天車速度自動(dòng)限制為低速(0.2m/s)，在距離兩車0.5米時(shí)強(qiáng)制停止左行，左行方向被鎖定，只有向右方向可以行走，距離測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 距離測(cè)量原理圖

2.4 應(yīng)用情況

研制的基于Arduino鋁電解多功能天車防撞系統(tǒng)，通過(guò)Arduino數(shù)據(jù)采集器將其信號(hào)接入天車本身的PLC控制系統(tǒng)后，運(yùn)行穩(wěn)定。并且充分利用了天車本身PLC控制系統(tǒng)的拓展資源，系統(tǒng)成本低廉，維護(hù)方便。完全滿足電解車間安全、高效使用多功能天車的需要，真正做到為電解生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航，

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有主要的無(wú)線測(cè)距方式對(duì)比，分析了電解鋁多功能天車防撞系統(tǒng)原有的防撞結(jié)構(gòu)，給出了防撞系統(tǒng)的控制原理及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，消除了鋁電解多功能天車在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生撞擊的事故，大車運(yùn)行安全性能顯著提高，有效保護(hù)了天車主體結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了使用壽命。本設(shè)計(jì)又便于操作和維修，有著很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。同時(shí)由于采用Arduino作為數(shù)據(jù)采集板，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集提供了硬件支持。