無人行車PLC系統(tǒng)研究

季萍

[中圖分類號(hào)] TP273

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]2095-6487 （2021） 02-0089-03

Research on PLC System of Unmanned Crane

Ji Ping

[ Abstract]

rms paper mainly introduces the function description， hardware structure， network and communication of the PLC system ofunmanned crane， and provides some ideas for the selection of control components， so as to provide users with reference in the actual application processThrough the upgrading and transformation of the PLC system and other research， the key technology ofintelligent manufacturing is broken through and theautomatic operation of unmanned crane is implemented， which not only reduces the labor intensity of workers， effectwely prolongs the life of equipment，but also improves the production efficiency and reduces the risk of safe operation ofpersonnel.

[ Keywords] unmanned crane; PLC system; network communication;system structure

1 慨述

智能無人行車在生產(chǎn)制造領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越重要，由于無人行車技術(shù)徹底顛覆了傳統(tǒng)的行車控制理念和庫區(qū)管理理念，通過自動(dòng)化系統(tǒng)生成調(diào)度指令，并根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)備的參數(shù)自動(dòng)控制行車運(yùn)行，不僅可以降低勞動(dòng)力成本、跟蹤庫存信息，還可以優(yōu)化存儲(chǔ)方案、減少生產(chǎn)損失、提高生產(chǎn)力，因此在工J‘成品庫區(qū)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。越來越多的企業(yè)對(duì)行車進(jìn)行無人化改造，更換不滿足無人化需求的PLC系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)以及傳感器等。以馬鋼高線成品智能庫區(qū)無人行車系統(tǒng)為例，對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2 行車PLC系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)功能描述

行車一級(jí)控制系統(tǒng)是能根據(jù)智能庫管系統(tǒng)下發(fā)的工單自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)作業(yè)任務(wù)的系統(tǒng)，具有作業(yè)信息處理、運(yùn)行模式改變、通信管理、行車位置及速度控制、防搖擺控制以及自我診斷危險(xiǎn)狀況執(zhí)行自動(dòng)停車、行車故障分析等功能，并且能夠進(jìn)行自動(dòng)避障及路徑優(yōu)化。

在行車電氣室內(nèi)設(shè)置一臺(tái)甲板工控機(jī)，用于基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的編成、調(diào)試、診斷和維護(hù)行車系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

系統(tǒng)主要功能如下。

（1）作業(yè)信息處理：作業(yè)信息處理是無人行車系統(tǒng)的最基本功能，能夠接收來自智能庫管系統(tǒng)的工單信息，進(jìn)行作業(yè)后自行反饋給智能庫管系統(tǒng)工單處理結(jié)果信息和當(dāng)前行車狀態(tài)信息。

（2）通信管理。和各種裝置（包括傳動(dòng)變頻器、隨搖、測(cè)距傳感器、稱重、編碼器等）之間的接口通信功能。

（3）吊具防擺控制功能。通過擺角檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)出人車及小車移動(dòng)時(shí)的擺舶，行車PLC根據(jù)擺角人小及擺動(dòng)方向計(jì)算出補(bǔ)償加速度和速度，然后疊加到人車及小車的控制加速度和速度上，以此控制行車吊具的擺動(dòng)。

（4）吊具狀態(tài)判斷功能。該功能主要根據(jù)物料高度、吊具高度檢測(cè)以及稱重?cái)?shù)據(jù)，配合吊具傳感器打開/關(guān)閉狀態(tài)，綜合判斷吊具是否取放物料。

（5）行車XYZ軸定位控制功能。接收物料庫管理系統(tǒng)發(fā)送的作業(yè)指令，根據(jù)XYZ軸的位置傳感器，控制行車驅(qū)動(dòng)部分，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

（6）行車XYZ軸聯(lián)動(dòng)控制功能?？刂瓶v向/橫向/高度方向聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化行車作業(yè)效率。

（7）行車防撞控制功能。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)行車間距離，調(diào)整行車運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)行車防撞控制。

（8）速度控制與計(jì)算停止距離功能。該功能根據(jù)成品庫管理系統(tǒng)發(fā)送的作業(yè)指示，計(jì)算行車的移動(dòng)方向（縱向、橫向、起升）、移動(dòng)速度與移動(dòng)距離決定停止位置。

（9）動(dòng)態(tài)三軸聯(lián)動(dòng)功能。該功能通過整合庫區(qū)所有行車掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)整個(gè)庫區(qū)物料的高度，建立行車運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)行車三軸聯(lián)動(dòng)功能（如Z字型、爬坡型等聯(lián)動(dòng)運(yùn)行），并防止其他設(shè)備、線卷之間的碰撞。

（10）周邊系統(tǒng)與傳感器通信、HMI及日志功能。該功能主要收集的各種傳感器信息與作業(yè)信息發(fā)送到庫區(qū)管理系統(tǒng)并保存，具備查詢和數(shù)據(jù)導(dǎo)出的功能。

（11）自我診斷功能。判斷行車是否有故障并發(fā)送到庫區(qū)管理系統(tǒng)，根據(jù)行車故障狀態(tài)修改庫區(qū)管理系統(tǒng)作業(yè)。

2.2 行車PLC系統(tǒng)硬件組成

整車采用西門子公司最新的S7-1500系列PLC進(jìn)行控制，S7-1500系列所有的PLC已經(jīng)將工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET作為標(biāo)準(zhǔn)的通信接口集成在了CPU上，因此以CPU為中心，與上位：監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成ETHERNET網(wǎng)，與分布式I/O模塊和交流變頻調(diào)速器構(gòu)成PROFINET總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化工作模式。PLC安裝于電氣室電控柜內(nèi)，分布式I/O模塊安裝在行車駕駛室，其參數(shù)可配置如下。

（1）電源模板6EP1332，為S7-1500機(jī)架提供電源。

（2） CPU模板，選用CPU1516模板。

（3） CPU1516通信模板，用于遠(yuǎn)程站、傳動(dòng)、傳感器等的通信。

（4） CP541通信模板，用于吊具角度檢測(cè)傳感器通信。

（5）以太網(wǎng)通信處理器CP543-1，用于S7-1500主站到庫管系統(tǒng)的連接。

（6） PLC UR2機(jī)架。

（7）接口模板IM15 5-1，用于將ET200 MP模塊化I/O站連接到PROFINET網(wǎng)絡(luò)。

（8）模擬量輸入模板，用于模擬量輸入，用于連接模擬量信號(hào)采集。

（9）數(shù)字量輸入模板，用于連接稱重、行車遙控接收端，操作開關(guān)和接近開關(guān)等開關(guān)量傳感器。

（10）數(shù)字量輸出模板，用于繼電器、接觸器等負(fù)載，輸出接口與負(fù)載之間設(shè)置無源接點(diǎn)隔離。

行車PLC控制系統(tǒng)配置如表1所示。

2.3 協(xié)調(diào)控制PLC系統(tǒng)

設(shè)置一套地而協(xié)調(diào)PLC也采用西門子S7-1500，協(xié)調(diào)控制PLC系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個(gè)庫區(qū)的地面部分的數(shù)據(jù)采集、控制、聯(lián)鎖90 1 2021.2今日自動(dòng)化以及安全管控。主要負(fù)責(zé)的內(nèi)容和功能如下。

（1）下線臺(tái)架精確定位及位置鎖定。

（2）下線位置線卷長度測(cè)量。

（3）安全門禁管控。無人行車作業(yè)區(qū)域里不允許任何人隨意進(jìn)入，增設(shè)安全護(hù)欄，出入口設(shè)置機(jī)械鎖定裝置，同時(shí)設(shè)置安全限位開關(guān)，行車進(jìn)入未設(shè)置為危險(xiǎn)區(qū)域等特定情況下不允許人員打開安全門進(jìn)入。

（4）汽車出入庫管控。對(duì)于庫區(qū)內(nèi)的車位，建設(shè)智能庫區(qū)的過程中，汽車的安全管控涉及該區(qū)域的安全，增加檢測(cè)傳感器以及人機(jī)交互系統(tǒng)，并與庫管系統(tǒng)通信共同。實(shí)現(xiàn)安全管控。系統(tǒng)配置如表2所示。

2.4 通信與網(wǎng)絡(luò)

2.4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)行車控制與庫管系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的快速傳遞，需要在庫區(qū)建立一個(gè)快速無線通信網(wǎng)絡(luò)，采用無線傳輸方式將車上控制信號(hào)傳輸?shù)焦潭o線接入點(diǎn)（無線AP）中，然后再通過光纖通信方式與中央控制服務(wù)器進(jìn)行通信。

行車的無線控制網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接入方式，通信頻段5 GHz。

手持終端也采用該無線控制網(wǎng)絡(luò)通過漫游方式連接。

無線AP通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備連接到集控室交換機(jī)，采用單模干兆光纖通信方式實(shí)現(xiàn)，減少在線路傳輸過程中外部因素對(duì)通信信號(hào)的干擾，交換機(jī)均采用千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。

行車上的無線客戶端安裝在電氣室內(nèi)，直接連接到電氣室內(nèi)的交換機(jī)上，天線安裝到行車外部，連接饋線在5m以內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.4.2 工業(yè)以太網(wǎng)

在庫區(qū)中建立一個(gè)有線和無線相組合的工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)將集控室與行車連接，采用無線AP實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的通信，每個(gè)無線AP配置一臺(tái)光纖交換機(jī)，與以太網(wǎng)上的系統(tǒng)相連。

（1）協(xié)調(diào)控制PLC。

（2）庫區(qū)管理系統(tǒng)WMS。

（3）編程器PC。

（4）可視化系統(tǒng)、HMI。

（5）其它。

2.4.3 現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線采用Profinet，它是基于工業(yè)以太網(wǎng)的一種全新的工業(yè)總線形式，并針對(duì)分布式智能自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，具有很好的史時(shí)性，可以直接與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，采用SCALANCE交換機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與PLC直接連接，避免了老式總線網(wǎng)絡(luò)存在的問題。連接到Profinet網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備如下。

（1） PLC可編程控制器。

（2） PLC的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)ET200MP。

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)。

（4）帶有Profinet接口的發(fā)備。

2.4.4 串行通信接口

串行通信接口是采用了串行通信方式的擴(kuò)展接口，其特點(diǎn)是通信線路簡單可靠，主要用于擺角檢測(cè)。

3 結(jié)束語

綠色發(fā)展和智慧制造是制造業(yè)未來發(fā)展的不二選擇，智慧制造能較大程度地提高勞動(dòng)效率、資產(chǎn)效率和管理效率，而基礎(chǔ)自動(dòng)化升級(jí)改造、生產(chǎn)系統(tǒng)集中是實(shí)現(xiàn)智慧制造的重要手段。本文所述的智能無人行車只足智慧制造中的一個(gè)縮影，但在國內(nèi)外均已有成功案例，技術(shù)上電將日趨于成熟。

參考文獻(xiàn)

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