自動(dòng)化技術(shù)在無(wú)人化天車(chē)的應(yīng)用

尚偉，田有輝，馮洪江，許云鶴

（本鋼信息自動(dòng)化有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117021）

鋼鐵企業(yè)天車(chē)操作大都依靠人工，定位精度不高，運(yùn)行過(guò)程不平穩(wěn)，安全性差，容易誤操作，生產(chǎn)效率低。隨著工業(yè)自動(dòng)化與人工智能的高速發(fā)展，先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)完全達(dá)到了無(wú)人值守天車(chē)的控制要求，可降低企業(yè)的勞動(dòng)力成本，天車(chē)無(wú)人化已經(jīng)得到行業(yè)普遍的認(rèn)可。某冷軋廠軋后庫(kù)共有四臺(tái)天車(chē)，已實(shí)現(xiàn)酸軋步進(jìn)梁下線、倒庫(kù)，連退步進(jìn)梁、鍍鋅步進(jìn)梁上線功能。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，擬通過(guò)對(duì)天車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行全面改造，并開(kāi)發(fā)天車(chē)調(diào)度系統(tǒng)、庫(kù)區(qū)管理系統(tǒng)，將計(jì)劃工單下發(fā)至天車(chē)系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)控制天車(chē)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)天車(chē)無(wú)人化。本文主要從一級(jí)控制層面對(duì)無(wú)人天車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 無(wú)人化天車(chē)系統(tǒng)架構(gòu)及組成

無(wú)人化天車(chē)系統(tǒng)包括：天車(chē)本體控制系統(tǒng)、天車(chē)本體傳動(dòng)系統(tǒng)、夾鉗系統(tǒng)、防搖控制系統(tǒng)以及地面站PLC控制系統(tǒng)等。天車(chē)系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 天車(chē)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall Structure Diagram for Travelling Overhead Crane System

1.1 天車(chē)本體系統(tǒng)

1.1.1 天車(chē)本體控制系統(tǒng)

天車(chē)本體控制系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收或采集各種輸入信號(hào)，通過(guò)預(yù)先制定的規(guī)則（程序）判斷后，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制天車(chē)運(yùn)行，包括速度控制、位置控制和各種傳感器的數(shù)據(jù)采集等。天車(chē)本體控制系統(tǒng)硬件采用西門(mén)子S7-300 PLC，系統(tǒng)總線采用Profibus-DP。

1.1.2 天車(chē)本體傳動(dòng)系統(tǒng)

天車(chē)本體傳動(dòng)系統(tǒng)是電機(jī)設(shè)備位置控制、速度控制的核心，通過(guò)對(duì)具體的設(shè)備進(jìn)行辨識(shí)及優(yōu)化各控制參數(shù)，保證整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速運(yùn)行。大車(chē)、小車(chē)、主鉤傳動(dòng)系統(tǒng)采用ABB ACS800系列變頻器控制，傳動(dòng)裝置通過(guò)Profibus-DP總線接入到天車(chē)本體PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。天車(chē)本體控制及傳動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天車(chē)本體控制及傳動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Controlling of Travelling Overhead Crane Body and Network Structure Diagram for Transmission System

1.2 夾鉗系統(tǒng)

在整個(gè)無(wú)人天車(chē)系統(tǒng)中，夾鉗的自動(dòng)控制最為重要，為了確保天車(chē)在無(wú)人條件下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吊運(yùn)，需要在夾鉗上安裝各種傳感器，并將傳感器的信息采集到天車(chē)本體PLC控制系統(tǒng)，再由天車(chē)中樞進(jìn)行統(tǒng)一管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全和穩(wěn)定的吊運(yùn)。夾鉗PLC系統(tǒng)硬件采用西門(mén)子 S7-1500 PLC。夾鉗PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾鉗PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Network Structure Diagram for Clamp PLC System

1.3 防搖控制系統(tǒng)

防搖控制系統(tǒng)采用西門(mén)子防搖系統(tǒng)［1］，如圖4所示。防搖系統(tǒng)由防搖控制器和攝像頭組成。攝像頭實(shí)時(shí)拍攝安裝在主鉤側(cè)面的反光板，并將信號(hào)傳遞給防搖控制器，防搖控制器根據(jù)拍攝的信號(hào)計(jì)算出擺幅、擺長(zhǎng)等來(lái)進(jìn)行控制輸出，防搖控制器通過(guò)Profibus-DP總線連接到天車(chē)本體PLC系統(tǒng)，將防搖控制輸出值傳遞給天車(chē)本體PLC，天車(chē)本體PLC則根據(jù)防搖控制器輸出值控制變頻器輸出，進(jìn)行防搖控制。

圖4 防搖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Network Structure Diagram for Anti-swing System

1.4 地面站PLC控制系統(tǒng)

地面站PLC系統(tǒng)采用西門(mén)子S7 1200 PLC系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)采集酸軋、連退、鍍鋅機(jī)組一級(jí)、二級(jí)數(shù)據(jù)，包括步進(jìn)梁位置、鋼卷詳細(xì)信息、鋼卷狀態(tài)等，數(shù)據(jù)采用單向傳輸，只接受不發(fā)送，步進(jìn)梁的聯(lián)鎖控制采用雙向傳輸，主要傳輸鎖定和解鎖信息，反饋應(yīng)答。

2 主要控制功能

2.1 大車(chē)、小車(chē)、主鉤變頻控制

無(wú)人天車(chē)系統(tǒng)要求控制天車(chē)平穩(wěn)的運(yùn)行，平穩(wěn)的加速及減速離不開(kāi)變頻控制，并且對(duì)電源的缺相、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等都能做到很及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)而自動(dòng)采取應(yīng)變措施保護(hù)電機(jī)。

調(diào)速方法采用目前國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻后轉(zhuǎn)速由PLC管理，并進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。

2.1.1 天車(chē)傳動(dòng)控制優(yōu)點(diǎn)

天車(chē)傳動(dòng)控制采用再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的方法。該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）再生制動(dòng)和直流制動(dòng)把運(yùn)動(dòng)中的大車(chē)、小車(chē)和起重機(jī)的速度迅速而準(zhǔn)確地降到0 Hz。

（2）利用變頻調(diào)速結(jié)合電磁制動(dòng)器，可保持重物在半空中停留一段時(shí)間（如重物在半空中平移），可防止平移過(guò)程中易出現(xiàn)的瞬間斷電。因此，利用電磁制動(dòng)器（液壓制動(dòng)）進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)是必須的。

（3）變頻器制動(dòng)結(jié)合直流制動(dòng)，可防止變頻器直流回路電壓升高，電容被過(guò)充電，變頻器保護(hù)停機(jī)。

2.1.2 天車(chē)傳動(dòng)控制注意事項(xiàng)

天車(chē)控制系統(tǒng)中還需要引起注意的是防止溜鉤的控制。在電磁制動(dòng)器抱住之前和松開(kāi)之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑的現(xiàn)象，稱(chēng)為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題是：

（1）電磁制動(dòng)器在通電到斷電 （或從斷電到通電）之間是需要時(shí)間的，經(jīng)精確測(cè)試，大約0.6 s。因此，變頻器如過(guò)早停止輸出，將容易出現(xiàn)溜鉤。

（2）變頻器必須避免在電磁制動(dòng)器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生“過(guò)流”而跳閘的誤動(dòng)作。

（3）制動(dòng)器的動(dòng)作由變頻器控制。在抱閘打開(kāi)前變頻器先建立轉(zhuǎn)矩，達(dá)到一定程度的轉(zhuǎn)矩電流后再打開(kāi)抱閘，可以防止打開(kāi)抱閘時(shí)瞬時(shí)溜鉤。制動(dòng)器的關(guān)閉則是在電機(jī)轉(zhuǎn)速小于一定轉(zhuǎn)數(shù) （10 r/min）抱閘關(guān)閉，這種控制方式能避免抱閘關(guān)閉延時(shí)引起的溜鉤。

2.2 天車(chē)定位功能

天車(chē)大車(chē)（X軸）、小車(chē)（Y軸）定位采用的是激光定位，主鉤（Z軸）定位采用絕對(duì)值編碼器。

2.2.1 X軸、Y軸激光定位

激光定位技術(shù)是比較新的定位技術(shù)，激光定位主要是利用激光具有方向性、單色性以及相干性好，激光束的發(fā)散角很小等優(yōu)點(diǎn)，幾乎是一平行光線。主要應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)、港口物流。激光定位的特點(diǎn)：

（1）安裝簡(jiǎn)單，適應(yīng)鋼鐵企業(yè)惡劣的工況環(huán)境；

（2）精度高，在廠房?jī)?nèi)精度可控制1 mm以內(nèi)；

（3）成本較低。

2.2.2 Z軸絕對(duì)值定位

為了確保無(wú)人天車(chē)吊運(yùn)更加精準(zhǔn)，在天車(chē)上必須添加Z軸定位設(shè)備（夾鉗高度定位）。所以在本系統(tǒng)中，添加夾鉗絕對(duì)值編碼器，亦稱(chēng)為多圈式絕對(duì)編碼器，它是由機(jī)械位置確定編碼。其優(yōu)點(diǎn)一是每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，而無(wú)需記憶。二是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，安裝時(shí)不需要找零點(diǎn)，將某一位置作為起始點(diǎn)就可以，大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試的難度。

在天車(chē)程序控制邏輯中，大車(chē)、小車(chē)、主鉤還根據(jù)定位值設(shè)置大車(chē)、小車(chē)，主鉤減速位、停止位等軟限位信號(hào)聯(lián)鎖，增加天車(chē)運(yùn)行聯(lián)鎖保護(hù)功能。

2.3 天車(chē)防碰撞控制

防碰撞是無(wú)人天車(chē)的一個(gè)安全保護(hù)功能，防碰撞系統(tǒng)采用光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)，當(dāng)兩臺(tái)天車(chē)之間的距離接近到一定程度時(shí)，光柵發(fā)出的光會(huì)打在相鄰天車(chē)的反射板上，收到放射信號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)?？刂铺燔?chē)進(jìn)行減速或停車(chē)，保證同跨兩臺(tái)天車(chē)不會(huì)發(fā)生碰撞。

2.4 夾具防搖控制

在天車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于速度等因素變化導(dǎo)致天車(chē)夾具晃動(dòng)，夾具的擺動(dòng)對(duì)天車(chē)吊運(yùn)鋼卷產(chǎn)生了一些影響，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鋼卷掉落，造成安全事故。傳統(tǒng)的天車(chē)運(yùn)行中，天車(chē)操作人員利用速度和經(jīng)驗(yàn)可以減少夾具擺動(dòng)，但是在無(wú)人天車(chē)的系統(tǒng)中，一般都采用防擺控制器控制天車(chē)運(yùn)行速度，自動(dòng)降低夾具的擺動(dòng)，進(jìn)而保證無(wú)人天車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行。

防擺控制器可根據(jù)感測(cè)信號(hào)計(jì)算得出擺動(dòng)周期，并根據(jù)擺動(dòng)周期計(jì)算得出大車(chē)、小車(chē)的減速和加速時(shí)間信息。車(chē)上變頻器可將減速時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成減速控制信號(hào)，將加速時(shí)間信息轉(zhuǎn)換成加速控制信號(hào)。大車(chē)、小車(chē)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置可以根據(jù)減速或加速控制信號(hào)控制天車(chē)大車(chē)、小車(chē)減速或加速移動(dòng)。

起始階段，通過(guò)控制大車(chē)、小車(chē)加速度，實(shí)現(xiàn)物理消擺，在消擺位置大車(chē)、小車(chē)速度達(dá)到全速，隨后的中間過(guò)程大車(chē)、小車(chē)以最大速度勻速無(wú)擺動(dòng)運(yùn)行，這樣的控制天車(chē)效率最高。當(dāng)天車(chē)接近目標(biāo)位置的時(shí)候，同樣通過(guò)控制大車(chē)、小車(chē)的加速度，實(shí)現(xiàn)與起始階段相反的過(guò)程，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的位置上方時(shí)，夾具完全消擺，防擺控制原理如圖5所示。

圖5 防擺控制原理圖Fig.5 Anti-swing Control Schematic Diagram

2.5 5G-WIFI雙鏈路通訊控制

天車(chē)本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，獲取夾鉗數(shù)據(jù)，主要有夾鉗運(yùn)行狀態(tài)及夾鉗上傳感器數(shù)據(jù)（負(fù)載感知、加緊感知、對(duì)中傳感器、加緊編碼器）等?？紤]到天車(chē)本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)通訊的重要性，系統(tǒng)采用了5G與WIFI雙鏈路通訊技術(shù)，通過(guò)在物理上搭建5G、WIFI雙鏈路網(wǎng)絡(luò)，在天車(chē)本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)通訊程序上，建立雙鏈路通訊連接。當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，天車(chē)本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換至WIFI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，自動(dòng)切回到5G網(wǎng)絡(luò)，保證通訊更加可靠。

2.6 天車(chē)運(yùn)行模式控制

為了確保天車(chē)在不同條件下都可以穩(wěn)定運(yùn)行，將天車(chē)分為三種工作模式（全自動(dòng)模式、遠(yuǎn)程控制模式、人工操作模式），進(jìn)而保證天車(chē)在特殊環(huán)境或設(shè)備狀態(tài)異常時(shí)可以正常運(yùn)行，具體功能如下：

（1）全自動(dòng)吊運(yùn)模式：天車(chē)正常工況下運(yùn)行模式，主要是利用定位和傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)人的自動(dòng)吊運(yùn)功能。

（2）遠(yuǎn)程控制模式：當(dāng)天車(chē)的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者地面有人員進(jìn)行工作時(shí)，在天車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行切換為無(wú)線遙控模式，地面操作人員利用天車(chē)遙控器，對(duì)天車(chē)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控吊運(yùn)。

（3）人工操作模式：當(dāng)天車(chē)無(wú)線系統(tǒng)或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，天車(chē)調(diào)度系統(tǒng)無(wú)法接收到吊運(yùn)指令，為了保證天車(chē)吊運(yùn)正常運(yùn)行，需要天車(chē)駕駛?cè)藛T登上天車(chē)，切換PLC控制手動(dòng)模式，由人工駕駛天車(chē)進(jìn)行鋼卷吊運(yùn)。

2.7 地面控制中心

地面控制中心主要負(fù)責(zé)監(jiān)控天車(chē)運(yùn)行過(guò)程中各種運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集將天車(chē)傳感器、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及監(jiān)控的信息采集到地面控制中心，由控制中心統(tǒng)一進(jìn)行管理，天車(chē)地面控制中心畫(huà)面如圖6所示。

圖6 天車(chē)地面控制中心畫(huà)面Fig.6 Travelling Overhead Crane Ground Control Center Screen

具體功能如下：

（1）位置坐標(biāo)監(jiān)控：實(shí)時(shí)采集天車(chē)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，預(yù)測(cè)天車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保天車(chē)行使安全。地面系統(tǒng)要實(shí)時(shí)了解天車(chē)當(dāng)前位置，防止由于調(diào)度給天車(chē)系統(tǒng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。了解天車(chē)實(shí)時(shí)坐標(biāo)可以優(yōu)化吊運(yùn)方案，提高天車(chē)的吊運(yùn)效率。

（2）吊運(yùn)安全監(jiān)控：主要采集天車(chē)傳感器信息，如天車(chē)擺角、天車(chē)間距、天車(chē)吊運(yùn)重量、夾具的旋轉(zhuǎn)角度和夾鉗寬度等。

（3）天車(chē)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)警：監(jiān)控天車(chē)本體設(shè)備運(yùn)行情況，了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如重點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提示操作人員，確保天車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 應(yīng)用情況與效果

無(wú)人化天車(chē)系統(tǒng)改造投入運(yùn)行后，經(jīng)過(guò)連續(xù)720 h測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)測(cè)試表Table 1 System Test Chart

通過(guò)表1結(jié)果可以看出，無(wú)人化天車(chē)相比人工操作天車(chē)在控制精度與效率上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人化天車(chē)投入運(yùn)行后，取得了明顯的效果，能夠提高鋼卷周轉(zhuǎn)速度，提升鋼卷的上料、下料及發(fā)貨的作業(yè)率，同時(shí)在提升效率和減少勞動(dòng)強(qiáng)度的前提下，確保了無(wú)人化天車(chē)行駛安全、吊運(yùn)安全。無(wú)人化天車(chē)與管理系統(tǒng)相配合大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化和信息化程度。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，更多無(wú)人化天車(chē)應(yīng)用在企業(yè)生產(chǎn)中。