雙天車同步控制系統(tǒng)設(shè)計

楊政杰

（中信重工開誠智能裝備有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

天車是工廠內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)、搬運或設(shè)備維修過程中必備的設(shè)備，在工業(yè)廠房中廣泛存在，使用頻繁。天車往往是在建廠之初進(jìn)行設(shè)計、安裝的，其載重量無法改變，天車的價格往往也是隨著載重量的提升而升高。伴隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化、智能化升級，大型化、重型化設(shè)備的廠內(nèi)運輸任務(wù)逐步增多，對于大型化、重型化設(shè)備的廠內(nèi)運輸任務(wù)，采用兩臺天車協(xié)同作業(yè)的方式[1]可以更好地實現(xiàn)。

傳統(tǒng)的雙臺天車同步吊運往往采用多人協(xié)作、人工手動控制方式，將吊裝物體固定后，操作人員憑經(jīng)驗同時操控兩臺天車進(jìn)行同步運行。運行過程中的安全性、穩(wěn)定性、精確性存在較大的不確定性?；诠S內(nèi)的雙天車同步需求，有必要設(shè)計一種操控便利、控制精度更高、安全系數(shù)更強、效率提升的雙天車同步控制系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件系統(tǒng)組成

雙天車同步控制系統(tǒng)主要包括操控系統(tǒng)、天車1控制系統(tǒng)及天車2控制系統(tǒng)，其中天車1控制系統(tǒng)（天車2控制系統(tǒng)）包括傳感器系統(tǒng)1（傳感器系統(tǒng)2）、PLC控制系統(tǒng)1（PLC控制系統(tǒng)2）、起升控制系統(tǒng)1（起升控制系統(tǒng)2）、大車控制系統(tǒng)1（大車控制系統(tǒng)2）及小車控制系統(tǒng)1（小車控制系統(tǒng)2），硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件系統(tǒng)介紹

雙天車同步控制系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)作為控制核心，可接收操控界面系統(tǒng)下發(fā)的指令數(shù)據(jù)，傳感器系統(tǒng)采集的距離信息，起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)和小車控制系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及另外一臺天車的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，經(jīng)特定算法運算處理，給出運行結(jié)果數(shù)據(jù)，將對應(yīng)運行數(shù)據(jù)下發(fā)給起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)，同時PLC控制系統(tǒng)將起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息反饋給操控界面系統(tǒng)，也將當(dāng)前天車的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到另外一臺同步控制的天車PLC控制系統(tǒng)。操控界面系統(tǒng)可選擇天車工作模式，即天車為單獨工作模式或同步工作模式，單獨工作模式只可控制選定的天車，同步工作模式可將選定的一臺天車作為主天車，另一臺天車作為隨動對象，跟隨主天車的動作運行。傳感器系統(tǒng)分別采集起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)運行距離，并將距離信息發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，由起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)控制天車運行方向和運行速度。

2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 操控系統(tǒng)

操控系統(tǒng)使用定制遙控器作為整個系統(tǒng)的操作部分，通過設(shè)定操控系統(tǒng)界面上的控制方式選擇天車為同步運行模式或單車運行模式。如選定雙天車同步運行模式，需選定其中一臺天車作為主天車，另外一臺作為從天車，在設(shè)定主、從天車運行時的間隔距離后，如操控主天車運行，此時從天車會隨動運行。單車運行模式，即操控其中一臺天車運行，可設(shè)定單車需要運行的目標(biāo)距離。操控系統(tǒng)可將發(fā)出的指令信號傳給PLC模塊[2]，同時接收PLC控制系統(tǒng)發(fā)送回的天車狀態(tài)。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)作為核心控制部分，其主要作用包括接收其他系統(tǒng)發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)，同時對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算處理，向其他系統(tǒng)發(fā)送控制命令及向其他系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前天車運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。其中接收其他系統(tǒng)發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)主要包括接收操控系統(tǒng)發(fā)送的命令，接收傳感器系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，接收另外一臺天車系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，接收起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)邏輯運算處理主要包括處理接收到的傳感器數(shù)據(jù)信息，對采集數(shù)據(jù)采用合適的實時數(shù)字濾波方法來消除干擾[3]，再通過PID運算得出對應(yīng)的起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)需要的運行方向和速度，數(shù)據(jù)邏輯運算處理也包括處理另外一臺天車的信息數(shù)據(jù)，時刻判斷另外一臺天車的運行狀態(tài)，保證雙天車同步運行的安全性；向其他系統(tǒng)發(fā)送控制命令及當(dāng)前天車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括向操控系統(tǒng)發(fā)送天車運行位置及狀態(tài)信息、傳感器系統(tǒng)狀態(tài)信息及起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)狀態(tài)信息，向起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)發(fā)送計算后得出的運行方向和速度，如果是主天車，還會向另外一臺天車發(fā)送啟、停命令及當(dāng)前天車的運行狀態(tài)，如果是從天車，則向另外一臺天車發(fā)送當(dāng)前天車的運行狀態(tài)。PLC控制系統(tǒng)會實時判斷其他系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息，當(dāng)其他系統(tǒng)異常時，會及時向操控系統(tǒng)報警，同時根據(jù)報警類型選擇是否停止天車相關(guān)的運行動作。

2.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要功能為反饋天車當(dāng)前的實時位置及傳感器系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，實時位置主要包括起升控制系統(tǒng)主鉤位置、大車控制系統(tǒng)大車位置及小車控制系統(tǒng)小車位置。傳感器系統(tǒng)會將天車的實時位置及傳感器狀態(tài)信息發(fā)送給當(dāng)前天車的PLC控制系統(tǒng)。

2.4 起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)

起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)主要為天車的行走動力部分，采用變頻器控制變頻電機的控制模式。PLC與變頻器之間通過Profinet現(xiàn)場總線進(jìn)行通信[4]，變頻器運行狀態(tài)通過通信網(wǎng)絡(luò)反饋給PLC控制系統(tǒng)，同時接收PLC控制系統(tǒng)發(fā)來的啟、停命令及對應(yīng)的運行方向及運行速度。

2.5 通信系統(tǒng)

各個系統(tǒng)之間采用無線和有線系統(tǒng)結(jié)合[5]的通信方式，其中PLC控制系統(tǒng)、起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)及傳感器系統(tǒng)之間采用有線通信，操控系統(tǒng)及雙天車之間采用無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享[6]。PLC控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間編制了通信超時判斷程序，可判斷系統(tǒng)之間通信是否出現(xiàn)故障現(xiàn)象。通信系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 通信系統(tǒng)原理圖

3 程序編輯

采用S7-1500系列PLC，結(jié)合博途軟件[7]進(jìn)行程序編輯，通過這些程序塊完成整個系統(tǒng)的運行邏輯、信息傳遞及安全保護(hù)功能。程序主要包括：控制起升變頻器、大車變頻器及小車變頻器啟動、停止、運行方向及運行速度的程序塊；采集起升變頻器、大車變頻器及小車變頻器信息狀態(tài)及傳感器反饋距離信息的程序塊；對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理運算的程序塊；對天車運行狀態(tài)進(jìn)行判斷處理的程序塊；與操控系統(tǒng)信息交互的程序塊；與另一臺天車運行信息交互的程序塊；通信超時判斷程序塊；手動/自動切換程序塊。部分程序如圖3所示。

圖3 雙天車同步控制系統(tǒng)部分程序

4 操作說明

操控系統(tǒng)使用自帶系統(tǒng)的手持遙控終端，手持遙控終端主要部件包括處理器、無線終端、天線、顯示屏、搖桿、操作按鈕及急停等。操控人員可通過手持遙控終端顯示屏選擇天車的運行模式，可寫入起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)需要運行的距離，同時顯示屏可顯示雙天車同步控制系統(tǒng)中兩臺天車的運行狀態(tài)。無線終端及天線主要作為無線通信的設(shè)備，提供與PLC控制系統(tǒng)的通信通道。搖桿、操作按鈕及急停為人工手動操控天車的遙控器，在單天車手動運行模式時，操控人員可直接通過操控?fù)u桿控制天車各個方向的運動。

5 實驗驗證

整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，進(jìn)行了現(xiàn)場實驗驗證，實驗過程中，雙天車同步控制系統(tǒng)可通過操控系統(tǒng)選擇天車的運行模式。單天車自動運行模式時，設(shè)定好單天車運行的目標(biāo)位置后，啟動天車，單臺天車能夠自動運行至目標(biāo)位置；單天車手動運行模式時，操控人員通過操控?fù)u桿及按鈕將天車運行至目標(biāo)位置；雙天車自動運行模式時，兩臺天車運動至目標(biāo)位置后，通過操控系統(tǒng)選擇雙天車同步控制模式，選定主、從天車，將當(dāng)前雙天車的間隔距離作為雙天車同步運行時的間隔保持距離。在確認(rèn)雙天車同步控制系統(tǒng)無報警信息后，輸入主天車運行目標(biāo)位置，啟動雙天車同步控制系統(tǒng)，主天車自動運行，從天車進(jìn)行跟隨運行。

監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖4所示，DATA.LS為主天車大車移動軌跡，DATA.LS_1為從天車大車移動軌跡，DATA.datemp為誤差值。實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)監(jiān)控表明，雙天車運行平穩(wěn)，同步性能較好。

圖4 雙天車位置跟隨曲線

6 結(jié)論

實驗過程中，操控系統(tǒng)作為天車的模式選定及指令下發(fā)設(shè)備，能夠正常操控天車模式的切換及對應(yīng)的運行操作，選定單車運行模式，天車單獨工作正常，設(shè)定目標(biāo)距離自動運行后，自動運行定位精度較高；雙天車同步運行模式，兩臺天車在啟動、運行及停止過程中，狀態(tài)平穩(wěn)，聯(lián)動效果較好，經(jīng)過多次測試，兩臺天車間在三個坐標(biāo)系內(nèi)的誤差較小，在超出設(shè)定誤差后能及時報警并停車。實驗結(jié)果表明，雙天車同步控制系統(tǒng)在兩臺天車的同步控制過程中運行安全、可靠、精度高，在實際現(xiàn)場應(yīng)用中能提高廠內(nèi)工作效率，減少人力資源的浪費。