基于翻車機(jī)的敞車摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志康，張廣淵，趙峰，王國鋒

（山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357）

0 引 言

目前，我國以煤炭為代表的散裝物料鐵路運(yùn)輸采用敞車裝運(yùn)為主要形式，大宗物料的卸車作業(yè)通常采用折返式卸車及進(jìn)行快速翻卸，其主要作業(yè)流程均已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動控制。翻車機(jī)需要將敞車逐節(jié)拆解進(jìn)行翻車作業(yè)，但是現(xiàn)有的鐵路敞車采用對撞式車鉤結(jié)構(gòu)其鉤舌、鉤銷、拉桿手柄等特有操控機(jī)構(gòu)基于人工操作進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)前操作依靠工人手動作業(yè)，沒有成熟應(yīng)用的自動化解決方案。該環(huán)境下安全隱患諸多，粉塵污染損害人身健康、操作效率低、用工成本高、重復(fù)性工作造成人力資源浪費(fèi)，因此設(shè)計(jì)了一種摘鉤機(jī)器人控制管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以S7-1200 PLC 為核心，開發(fā)敞車摘鉤機(jī)器人如圖1所示，并設(shè)計(jì)了敞車摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)。

圖1 敞車摘鉤機(jī)器人

在TIA portal 平臺上進(jìn)行硬件組態(tài)、通信配置、機(jī)器人運(yùn)動控制程序編寫，在WINCC 和云平臺上進(jìn)行監(jiān)控界面的開發(fā)，使用EPLAN Electric P8 對機(jī)器人進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)。根據(jù)翻車機(jī)室控制管理要求，應(yīng)用射頻RFID 獲取敞車的基本信息，再由PLC 或上位機(jī)集中處理，融合工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，以提高翻車機(jī)室機(jī)械自動化、信息化水平。

1.1 該系統(tǒng)總體構(gòu)成

敞車摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)是熱電行業(yè)的重要輔助單元，通過融合工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)摘鉤機(jī)器人自動化運(yùn)行。完成非接觸式RFID 檢測敞車型號，記錄敞車、車型、車鉤類型等基本信息、機(jī)器人摘鉤作業(yè)、外部傳感器數(shù)據(jù)采集、上位機(jī)監(jiān)控等任務(wù)。該系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)工作流程

敞車摘鉤控制系統(tǒng)控制流程如下，系統(tǒng)啟動后，在HMI上位機(jī)界面設(shè)定運(yùn)行速度等參數(shù)，設(shè)定成功后牽引車牽引敞車進(jìn)入翻車機(jī)室，敞車在牽引車的牽引下經(jīng)過指定工作區(qū)域觸發(fā)限位開關(guān)。非接觸式信號采集裝置RFID 進(jìn)行檢測記錄敞車信息，該信息包括敞車的車型、裝運(yùn)煤炭噸數(shù)、車廂編碼等。信息記錄以后，牽引車?yán)^續(xù)牽引至敞車摘鉤作業(yè)區(qū)，機(jī)器人根據(jù)RFID 采集到的信息，進(jìn)行位置初判。最后結(jié)合視覺檢測信息，機(jī)器人執(zhí)行敞車摘鉤動作，動作完成后牽引車將當(dāng)前敞車牽引，在運(yùn)動過程中實(shí)現(xiàn)本節(jié)敞車與后車分離。牽引車將當(dāng)前敞車牽引至翻車機(jī)，翻車機(jī)執(zhí)行翻卸任務(wù)，運(yùn)行結(jié)束。

1.3 硬件選型與設(shè)計(jì)

敞車摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)下位機(jī)以PLC 為核心，利用射頻RFID 獲取敞車類型以及車鉤信息，PLC 控制器根據(jù)RFID 讀取的信息以及視覺檢測的車鉤信息，機(jī)器人運(yùn)動執(zhí)行摘鉤作業(yè)。上位機(jī)通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺接收PLC 以及機(jī)器人作業(yè)設(shè)備信號，云端對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和處理，將生產(chǎn)信息展示給管理人員，硬件集成如圖3所示。

圖3 硬件集成圖

不同的PLC 設(shè)備會根據(jù)CPU 的功能不同以及輸出點(diǎn)位的數(shù)量分為不同的類型，本文主要以三軸電驅(qū)動機(jī)器人為例，考慮到控制器系統(tǒng)性能和可擴(kuò)展性等因素，PLC 選用西門子1200 系列CPU1215C DC DCDC 作為系統(tǒng)的控制單元。1215C 為緊湊型CPU，PLC 設(shè)備的數(shù)字量有14 輸入和10個(gè)輸出，兩路模擬量輸入輸出，板載6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4 個(gè)脈沖輸出，2 個(gè)PROFINET 端口，用于編程、HMI 和PLC間數(shù)據(jù)通信。其中一個(gè)接口接交換機(jī)用于擴(kuò)展PROFINET端口，通過以太網(wǎng)PROFINET 交換機(jī)和KTP400 觸摸屏、物聯(lián)網(wǎng)云平臺相連接。

RFID 射頻識別技術(shù)是一種非接觸、近距離無線通信技術(shù)。選用深圳市駿發(fā)瑞達(dá)智能科技有限公司HR1907讀卡器。通過RFID 讀卡器自動識別標(biāo)簽信息。RFID 實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽物體和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互和實(shí)時(shí)動態(tài)管理。在制造業(yè)領(lǐng)域中，RFID 與PLC 搭配使用，是最普遍的無線識別工業(yè)控制方式，與射頻RFID融合有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)控管理。因此，根據(jù)翻車機(jī)室安全管理需要，設(shè)計(jì)了一種摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)，由射頻RFID 記錄敞車類型及車鉤信息等。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺為連接設(shè)備提供安全可靠的通信能力，云平臺支持連接設(shè)備數(shù)據(jù)采集后存儲，支持連接設(shè)備間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)下發(fā)。此外，提供方便的設(shè)備管理，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲、遠(yuǎn)程調(diào)試、監(jiān)控和運(yùn)行維護(hù)。實(shí)驗(yàn)選用速控云智能科技有限公司Suk-Box-W 型號物聯(lián)網(wǎng)云盒子。

HMI 界面設(shè)計(jì)采用TIA Portal V15 中的WINCC 軟件，該軟件中包含界面開發(fā)所應(yīng)用的基本控件、圖像、元素等，可靈活、高效地完成基本功能界面編程開發(fā)。其次，西門子博圖軟件，可實(shí)現(xiàn)HMI 變量和PLC 變量鏈接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互和控制。以便變量參數(shù)，數(shù)據(jù)在應(yīng)用界面上實(shí)時(shí)同步顯示。HMI 觸摸屏選用西門子KTP400 觸摸屏。

1.4 機(jī)器人電氣設(shè)計(jì)

EPLAN 是一款多領(lǐng)域的設(shè)計(jì)的軟件，應(yīng)用范圍廣泛，平臺包括Electric P8 和ProPanel 模塊，Electric P8 用于電氣原理圖的設(shè)計(jì)，可縮短工程時(shí)間和降低設(shè)計(jì)成本。電氣設(shè)計(jì)部分，使用EPLAN Electric P8 對機(jī)器人進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)。電源保護(hù)原理圖如圖，電源分配原理圖如圖4所示，電機(jī)驅(qū)動控制電路原理圖，PLC 電路原理圖，HMI 觸摸屏電路原理圖，PLC 輸入輸出接線原理圖。

圖4 機(jī)器人電氣設(shè)計(jì)

1.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)翻車機(jī)室敞車摘鉤機(jī)器人故障報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控，敞車摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件包括摘鉤工作區(qū)的HMI界面和云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控界面。可清晰看到敞車摘鉤機(jī)器人等設(shè)備的工作狀態(tài)，現(xiàn)場管理的工作人員可通過應(yīng)用界面，監(jiān)視翻車機(jī)室是否發(fā)生故障以及故障發(fā)生點(diǎn)，方便排除故障。在上位機(jī)HMI 界面中設(shè)計(jì)了組態(tài)界面、用戶登錄界面、報(bào)警試圖、應(yīng)用監(jiān)控界面等。

1.6 機(jī)器人運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動控制程序的編程遵循模塊化進(jìn)行，RFID 與PLC 采用485 通信方式進(jìn)行通信，在程序中需要設(shè)定RFID讀卡器工作模式，本實(shí)驗(yàn)中選擇第4 種工作模式即外部信號觸發(fā)RFID 讀卡器進(jìn)行一次掃描的工作模式。PLC 讀取RFID 參數(shù)程序塊，并將標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、處理、存放進(jìn)DB 數(shù)組中。程序可實(shí)現(xiàn)將讀取到的敞車標(biāo)簽信息存放到數(shù)組，以供其他程序進(jìn)行使用。

PLC 控制機(jī)械臂電機(jī)軸程序，包括電機(jī)軸啟動、停止、回原點(diǎn)、相對位移移動等指令。當(dāng)要執(zhí)行摘鉤動作或機(jī)器人運(yùn)動指令時(shí)，PLC 調(diào)用運(yùn)動指令塊，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)的下發(fā)情況，執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動指令。在實(shí)際的機(jī)器人工作時(shí)，首先將機(jī)器人上電進(jìn)行初始化，PLC 控制電機(jī)等將機(jī)器人的三軸迅速調(diào)整至初始位置。數(shù)據(jù)存儲區(qū)進(jìn)行初始化清零。在完成上電之后，三個(gè)軸分別復(fù)位，觸發(fā)三個(gè)軸復(fù)位之后，當(dāng)三軸分別都回歸到各自的原點(diǎn)位置之后，觸發(fā)復(fù)位完成的總標(biāo)志位置，此時(shí)表示機(jī)器人可以開始正常工作。在PLC 控制中，主要是以程序方式來體現(xiàn)其控制功能，由于其內(nèi)部的繼電器數(shù)量龐大，在內(nèi)存允許的情況下能夠反復(fù)使用。在控制過程中，使用PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)對氣動機(jī)器人的高精度控制。至此完成基于PLC 技術(shù)的機(jī)器人自動化控制方法。

PLC 控制器與上位機(jī)通信程序，實(shí)現(xiàn)PLC 與上位機(jī)通信，將上位機(jī)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行下發(fā)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。PLC控制器與HMI 觸摸屏通信，通過在博圖軟件中組態(tài)，設(shè)置同網(wǎng)段不同的兩個(gè)地址，硬件連接采用PROFINET 網(wǎng)線連接，實(shí)驗(yàn)中PLC 地址為192.168.0.12，HMI 觸摸屏地址為192.168.0.11。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

因翻車機(jī)室是重型生產(chǎn)車間，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于翻車機(jī)室的敞車摘鉤機(jī)器人自動化控制方法具有一定的有效性，因此實(shí)驗(yàn)部分在實(shí)驗(yàn)室搭建簡易實(shí)驗(yàn)平臺。過程中，選擇控制器的是型號為西門子1215C CPU 搭配性能適配的伺服系統(tǒng)作為方法性能測試的硬件部分。在測試中，使用本文設(shè)計(jì)的PLC 控制電驅(qū)動機(jī)器人的自動化控制方法。

驗(yàn)證包括PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)與云平臺交互、PLC 收發(fā)牽引車、RFID 等外部設(shè)備信號、機(jī)器人運(yùn)動程序控制、HMI 界面設(shè)置等。測試搭建環(huán)境，硬件組態(tài)鏈接包括RFID 讀卡器、HMI 觸摸屏、PLC 控制器和物聯(lián)網(wǎng)云盒子等，軟件編程設(shè)計(jì)包括機(jī)器人運(yùn)動程序、上位機(jī)界面設(shè)計(jì)等。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，PLC 接收RFID 讀卡器通信數(shù)組，保存敞車類型以及車鉤信息。外部設(shè)備通過PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在HMI 和云平臺上對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

測試結(jié)果，RFID 測試結(jié)果數(shù)組68 ～79 位為數(shù)據(jù)信息位，其他為數(shù)據(jù)組包頭信息和校驗(yàn)位。云平臺界面測試結(jié)果如圖5所示可清晰地看到機(jī)器人云平臺管理系統(tǒng)中現(xiàn)場的工作信息，可以查詢云平臺歷史數(shù)據(jù)查詢界面的測試結(jié)果，HMI 觸摸屏手動調(diào)試界面，HMI 觸摸屏顯示界面如圖6所示，方便現(xiàn)場的工作人員調(diào)試、檢查等。

圖5 云平臺界面測試

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，自動化敞車摘鉤機(jī)器人控制管理系統(tǒng)功能合理、運(yùn)行穩(wěn)定，既能高效管理敞車摘鉤機(jī)器人使用安全等信息，又有助于提高熱電行業(yè)機(jī)械化、自動化水平。

3 結(jié) 論

本文以熱電企業(yè)翻車機(jī)室為背景，設(shè)計(jì)了一種敞車摘鉤機(jī)器人的控制管理系統(tǒng)。完成的工作主要包括以下幾個(gè)方面：機(jī)器人運(yùn)動控制、敞車信息采集、牽引車等信號處理、上位機(jī)運(yùn)行監(jiān)控，從工作過程出發(fā)，對敞車摘鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。對下位機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊分別進(jìn)行了測試，并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析建立了上位機(jī)各模塊的功能。在此基礎(chǔ)上，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測試控制系統(tǒng)能正?？煽康剡\(yùn)行。