一種全自動(dòng)無(wú)人裝卸料起重機(jī)的基本配置

孫來(lái)慶

(太原重工股份有限公司,山西 太原 030024)

0 引言

在環(huán)境相對(duì)惡劣、運(yùn)行路徑單一、工作重復(fù)量大的場(chǎng)合，全自動(dòng)智能起重機(jī)正在逐漸被應(yīng)用，即使是國(guó)外知名鋼鐵企業(yè)全自動(dòng)無(wú)人起重機(jī)也尚未進(jìn)入廣泛使用階段。智能制造是“中國(guó)制造2025”的主攻方向之一，制造業(yè)將向智能化轉(zhuǎn)型。本文以孟加拉80 t無(wú)人料斗智能起重機(jī)為例來(lái)介紹無(wú)人智能起重機(jī)的一些基本配置。

1 孟加拉80 t無(wú)人料斗智能起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)及工藝流程

1.1 料斗智能起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

孟加拉80 t無(wú)人料斗智能起重機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 孟加拉80 t無(wú)人料斗智能起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

80 t料斗起重機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)廢料料斗的無(wú)人操作全自動(dòng)流水化作業(yè)，可完成高頻率精細(xì)化工藝，大大降低人工疲勞操作的錯(cuò)誤率；操作過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可進(jìn)行報(bào)警和故障信息記錄并存儲(chǔ)，可隨時(shí)進(jìn)行查詢及處理。

80 t料斗起重機(jī)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高精度的三維坐標(biāo)識(shí)別、吊具防搖擺、自動(dòng)定位、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程通訊控制、天地互通無(wú)線視頻監(jiān)控、起重機(jī)安全監(jiān)控管理系統(tǒng)。廠房平面布置如圖1所示。

圖1 廠房平面布置

1.2 料斗起重機(jī)裝卸料工藝流程

廢料在廢料廠區(qū)域裝載完成后，廢料小車將滿載料斗移動(dòng)到轉(zhuǎn)運(yùn)橋的軌道1位置，在這個(gè)取料位置80 t料斗起重機(jī)抓起料斗；起重機(jī)抓起料斗后，廢料小車從轉(zhuǎn)運(yùn)橋上直接移動(dòng)至軌道2上，等待迎接空載料斗；同時(shí)料斗起重機(jī)移動(dòng)滿載料斗至加料位置，即液壓站耦合連接位置，滿載料斗下放過(guò)程中在液壓站自動(dòng)連接一個(gè)液壓管，通過(guò)液壓缸將料斗底部封蓋自動(dòng)打開(kāi)，廢料直接加料下放到承接容器中；加料完畢后，起重機(jī)帶動(dòng)空載料斗上升，料斗與液壓站自動(dòng)解除耦合，液壓管斷開(kāi)，料斗底部封蓋自動(dòng)關(guān)閉；裝載著廢料的容器在自動(dòng)牽引裝置的帶動(dòng)下傳送到電梯頂部位置，從而給位于高處的量子爐里面加料，至此加料完成；起重機(jī)在加料位置帶動(dòng)空載料斗上升到安全高度后運(yùn)輸料斗返回至轉(zhuǎn)運(yùn)橋的軌道2位置的廢料小車上，并將料斗放置在廢料小車上；廢料小車移回至廢料廠區(qū)域，經(jīng)由廢料廠的轉(zhuǎn)運(yùn)橋至軌道1進(jìn)行下一循環(huán)的裝載。至此一個(gè)裝卸料工作流程完成。

80 t料斗起重機(jī)裝卸料工藝流程如圖2所示。具體運(yùn)行步驟如下：

圖2 80 t料斗起重機(jī)裝卸料工藝流程

(1) 80 t料斗起重機(jī)在待機(jī)位等待。

(2) 提升機(jī)構(gòu)下降到預(yù)提料斗位置。

(3) 小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)/提升機(jī)構(gòu)上升，完成料斗掛鉤。

(4) 提升機(jī)構(gòu)上升到安全高度。

(5) 大車機(jī)構(gòu)/小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)到液壓站位置。

(6) 提升機(jī)構(gòu)帶滿載料斗下降到液壓耦合位置(自動(dòng)加料)。

(7) 提升機(jī)構(gòu)帶空載料斗上升到液壓解耦合位置(加料完成后)。

(8) 提升機(jī)構(gòu)上升到安全高度。

(9) 大車機(jī)構(gòu)/小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)到料斗釋放位置。

(10) 提升機(jī)構(gòu)下降/小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)，完成料斗摘鉤。

(11) 提升機(jī)構(gòu)上升/小車機(jī)構(gòu)移動(dòng)回到待機(jī)位進(jìn)行下一循環(huán)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 高精度三維定位

起重機(jī)的準(zhǔn)確定位是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)無(wú)人操作運(yùn)行技術(shù)的基本要求。 為了實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的快速精確定位，必須選用先進(jìn)可靠的位置傳感器對(duì)起重機(jī)位置進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)的結(jié)果實(shí)時(shí)傳遞回控制系統(tǒng)，在速度環(huán)控制電機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)上再形成位置閉環(huán)控制。 其次，在起重機(jī)運(yùn)行程序中需要根據(jù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和距離目的地的遠(yuǎn)近制定動(dòng)態(tài)加減速策略，當(dāng)起重機(jī)總行程較短時(shí)，最高速的設(shè)定應(yīng)低于總行程較長(zhǎng)時(shí)的最高速設(shè)定，同時(shí)根據(jù)剩余路徑長(zhǎng)度提前計(jì)算各機(jī)構(gòu)合理的減速信號(hào)觸發(fā)時(shí)刻，使起重機(jī)可以準(zhǔn)確地定位至目標(biāo)處。

(1) 起升機(jī)構(gòu)應(yīng)用的第1種檢測(cè)技術(shù)是旋轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器(如圖3所示)，物流設(shè)備上這種應(yīng)用很多。旋轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器的元件主體是編碼器，機(jī)械接觸式，特別適合轉(zhuǎn)動(dòng)類物體的測(cè)量。通過(guò)安裝在卷筒后的絕對(duì)值編碼器測(cè)量當(dāng)前的起升高度，并將該參數(shù)值返回給天車參與控制。該檢測(cè)技術(shù)有累計(jì)誤差的影響，需要在運(yùn)行區(qū)間內(nèi)有多處糾正點(diǎn)，用感應(yīng)開(kāi)關(guān)/光電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

圖3 旋轉(zhuǎn)絕對(duì)值編碼器圖4 拉線式絕對(duì)值編碼器圖5 絕對(duì)值編碼尺圖6 線性編碼器

(2) 起升機(jī)構(gòu)應(yīng)用的第2種檢測(cè)技術(shù)是拉線式絕對(duì)值編碼器(如圖4所示)，其元件主體是編碼器和拉線盒，本應(yīng)用中測(cè)量長(zhǎng)度為40 m，拉線盒的鼓輪直徑(包括纜繩)為491.5 mm，拉線盒鼓輪的制作精度決定了測(cè)量的精度。編碼器本體固定在小車上，拉線盒的拉環(huán)與吊具連接。起升吊具在上下移動(dòng)的過(guò)程中，帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器通過(guò)記錄旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)從而計(jì)算出吊具的起升高度。

(3) 大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用的第1種檢測(cè)技術(shù)是絕對(duì)值編碼尺(如圖5所示)，其元件主體是讀碼器和編碼尺，讀碼器采用光電非接觸式，編碼尺上自帶刻度，即絕對(duì)位置。通過(guò)U形讀碼器以紅外光線對(duì)射的方式來(lái)閱讀編碼尺，將讀碼器騎放在編碼尺上，每隔0.8 mm讀碼器就會(huì)探測(cè)到一個(gè)新的絕對(duì)位置，可用于任何場(chǎng)合移動(dòng)裝置的高精定位，定位精度可達(dá)到毫米級(jí)(±0.4 mm)。該檢測(cè)技術(shù)無(wú)需參考點(diǎn)(原點(diǎn))且沒(méi)有時(shí)間延遲就能計(jì)算出位置值。位置信息和診斷數(shù)據(jù)都可通過(guò)通訊接口模塊(如ProfibusDP)在各種網(wǎng)絡(luò)中傳輸，從而將信號(hào)送至可編程控制器。

(4) 大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)用的第2種檢測(cè)技術(shù)是線性編碼器(如圖6所示)，其元件主體是閱讀器和感應(yīng)標(biāo)尺，閱讀器由一系列電磁感應(yīng)傳感器組成，可以通過(guò)檢測(cè)至少3個(gè)永磁體的位置來(lái)確定絕對(duì)位置。在測(cè)量區(qū)域沿直線方向安裝有感應(yīng)標(biāo)尺，一個(gè)閱讀器可以無(wú)接觸地測(cè)量感應(yīng)標(biāo)尺范圍內(nèi)的任意絕對(duì)位置。線性編碼器根據(jù)發(fā)射器/接收器原理工作，類似于絕對(duì)值編碼器，由于檢測(cè)的是絕對(duì)位置，因此不需要初始參考點(diǎn)。但是，可以給線性編碼器賦值，即可以給線性編碼器定義當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)地址。

2.2 電氣防搖擺技術(shù)

防擺功能的主要作用是防止負(fù)載在大、小車加減速運(yùn)行時(shí)發(fā)生晃動(dòng)，利用特殊的鋼絲繩纏繞方式及電氣防搖方案解決運(yùn)行過(guò)程中的搖擺問(wèn)題。電氣防搖功能集成在變頻器控制功能中，通過(guò)起升機(jī)構(gòu)上的閉環(huán)編碼器標(biāo)定出負(fù)載的繩長(zhǎng)，再通過(guò)超載限制器稱量出負(fù)載的重量。PLC收到負(fù)載的高度及重量信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算，再實(shí)時(shí)給出大、小車電機(jī)加減速的命令，以此來(lái)消除負(fù)載在大、小車加減速運(yùn)行時(shí)發(fā)生的擺動(dòng)。防搖擺信息接口數(shù)據(jù)交換表如圖7所示。

圖7 防搖擺信息接口數(shù)據(jù)交換表

2.3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

起重機(jī)選用西門(mén)子SCALANCE W工業(yè)無(wú)線通訊技術(shù)提供數(shù)據(jù)傳輸解決方案，由SCALANCE W786接入點(diǎn)(安裝于中控室)和W748客戶端模塊(安裝于起重機(jī)上)系列產(chǎn)品搭建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線系統(tǒng)中CPU間數(shù)據(jù)傳輸如圖8所示，無(wú)線系統(tǒng)的硬件配置如圖9所示。

圖8 無(wú)線系統(tǒng)中CPU間數(shù)據(jù)傳輸

圖9 無(wú)線系統(tǒng)的硬件配置

2.4 料斗起重機(jī)采取的安全策略及措施

料斗起重機(jī)采取的安全策略及措施如下：

(1) CPU的冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)：電氣系統(tǒng)的PLC采用雙CPU熱備，如一個(gè)CPU有故障，將自動(dòng)切換到另一個(gè)CPU上，設(shè)備可不間斷運(yùn)行，大大提高了可靠性。

(2) 對(duì)于一些涉及安全的重要電氣元件，如三維坐標(biāo)測(cè)量傳感器，也采用了冗余設(shè)計(jì)的思想。起升及大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)定位系統(tǒng)都是采用兩套不同安裝形式的傳感器，雙套冗余備份，互相校準(zhǔn)檢測(cè)，互為備用，確保安全可靠。

(3) 設(shè)置起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)，檢測(cè)并記錄起重機(jī)整體的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)起重機(jī)上重要電氣元件工作次數(shù)及時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終形成報(bào)告，并給出可維修性意見(jiàn)。

(4) 設(shè)置天地互通無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用一套獨(dú)立的無(wú)線通訊系統(tǒng)，將監(jiān)控圖像傳送到控制中心，嵌入到監(jiān)控界面中，準(zhǔn)確掌握吊運(yùn)細(xì)節(jié)，保證人工干預(yù)的效率和準(zhǔn)確性。在全無(wú)人運(yùn)行的情況下，視頻監(jiān)控是必備的。視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)起重機(jī)械市場(chǎng)不斷發(fā)展，起重機(jī)水平也在快速地提高，越來(lái)越多的起重機(jī)生產(chǎn)商及用戶都認(rèn)識(shí)到了智能化自動(dòng)化產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)智能制造仍有很大差距，提升空間很大。我們可以預(yù)見(jiàn)的是，智能化自動(dòng)化技術(shù)將引領(lǐng)未來(lái)起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展。