關(guān)于無(wú)人行車(chē)防搖擺的探討和改進(jìn)

王蘇平，潘恒韜，王 棚，沈 平，候方羊，吳文浩

（江西新鋼南方新材料有限公司，江西新余 338000）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)冷軋廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)人工打包區(qū)均采用三級(jí)下發(fā)計(jì)劃，操作工打印紙質(zhì)計(jì)劃，操作工指吊入位，人工糾偏，指吊工指揮天車(chē)按照之前選好的位置入庫(kù)。傳統(tǒng)人工打包作業(yè)中途可能遇到發(fā)貨卷被壓、抄卷工庫(kù)內(nèi)找卷找位、超出天車(chē)工作范圍等情況，極大影響了生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)節(jié)奏，增大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。打包區(qū)天車(chē)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)具備精確定位的功能，可以將天車(chē)大車(chē)控制在30 mm 范圍以?xún)?nèi)，天車(chē)小車(chē)控制在10 mm 范圍以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)打包材料定位放置，提高打包的速度。并將原來(lái)的二次起吊打包變成一次放置完后就打包完成。

天車(chē)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)通過(guò)按鈕方式完成人機(jī)交互，其中，“允許打包”按鈕代表當(dāng)前打包位沒(méi)有鋼卷并且已經(jīng)鋪好打包材料；“打包完成”按鈕代表當(dāng)前打包位的鋼卷已經(jīng)打好包的并且沒(méi)有人員作業(yè)，可以吊卷入庫(kù)。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

在多數(shù)的冶金庫(kù)區(qū)，都會(huì)涉及到天車(chē)的作業(yè)。傳統(tǒng)工作方式是由地面上的天車(chē)指揮人員（指車(chē)工），通過(guò)對(duì)講機(jī)指揮天車(chē)操作工，完成天車(chē)作業(yè)任務(wù)。不同天車(chē)有不同的指揮人員指揮作業(yè)，由于天車(chē)軌道較長(zhǎng)、地面指揮人員視野狹窄以及各指揮人員之間溝通不暢等因素，在多臺(tái)天車(chē)同時(shí)執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，一臺(tái)天車(chē)等待另一臺(tái)天車(chē)，甚至倒車(chē)的情形時(shí)有發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響正常的作業(yè)生產(chǎn)，而且存在很大安全隱患。

2 行車(chē)主鉤晃動(dòng)糾偏及安全措施

天車(chē)鋼絲繩在行車(chē)啟動(dòng)時(shí)，由于慣性作用，主鉤與行車(chē)大梁不處于垂直90°位置，需要PLC 控制車(chē)體運(yùn)行作業(yè)，否則行車(chē)主鉤會(huì)發(fā)生嚴(yán)重傾斜，無(wú)法安全、有效地進(jìn)行物料的抓取和卸載作業(yè)。考慮上述因素的影響，結(jié)合天車(chē)無(wú)人駕駛的防搖擺技術(shù)，在原有的主鉤定位系統(tǒng)加裝防搖擺裝置實(shí)現(xiàn)晃動(dòng)糾偏。通過(guò)安全防護(hù)算法實(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)作業(yè)。防搖擺裝置裝在行車(chē)主鉤鉤頭（發(fā)射端）和小車(chē)上（接收端）。大車(chē)作業(yè)過(guò)程中，如果主鉤傾斜度大于0.3°，則PLC 防搖擺控制系統(tǒng)自動(dòng)介入控制。如果由于外部原因，PLC 系統(tǒng)控制介入后仍無(wú)法消除主鉤傾斜，且傾斜角度大于0.5°，則控制大車(chē)停止作業(yè)，以保證人員和設(shè)備的安全。安全措施和晃動(dòng)糾偏屬于設(shè)備層次的改造，是打包區(qū)天車(chē)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)順利投入必備條件。

行車(chē)的加速或減速會(huì)導(dǎo)致夾鉗的擺動(dòng)。行車(chē)的行駛速度越快，夾鉗的搖擺幅度越大。為確保無(wú)人行車(chē)以較快的速度運(yùn)行，采用閉環(huán)防搖控制系統(tǒng)增強(qiáng)防搖的效果。在動(dòng)態(tài)取卷和放卷過(guò)程中，一般要求吊具擺角在0.5°以?xún)?nèi)，否則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋼卷在庫(kù)房?jī)?nèi)的精準(zhǔn)碼放。如果吊具下部擺動(dòng)幅度較大，將影響行車(chē)取卷和放卷，降低生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成吊具與鋼卷磕碰、導(dǎo)致鋼卷質(zhì)量問(wèn)題。

擺角產(chǎn)生的原因是吊具與行車(chē)卷?yè)P(yáng)機(jī)之間采用柔性連接，在行車(chē)變速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于慣性作用，吊具的速度變化不可避免地會(huì)滯后于大車(chē)和小車(chē)。為了降低速度變化的不同步，可以通過(guò)擺角檢測(cè)儀檢測(cè)出大車(chē)及小車(chē)移動(dòng)時(shí)的擺角，由行車(chē)PLC 根據(jù)擺角的大小與方向計(jì)算出補(bǔ)償速度，然后疊加到大車(chē)及小車(chē)的控制速度上，以此控制行車(chē)吊具的擺動(dòng)（圖1）。

圖1 速度補(bǔ)償原理

行車(chē)PLC 把大車(chē)及小車(chē)的運(yùn)行速度及位置等數(shù)據(jù)信息發(fā)送到擺角控制器，擺角控制器接收擺角檢測(cè)儀檢測(cè)出的大車(chē)及小車(chē)擺角后，再結(jié)合大車(chē)及小車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出擺角補(bǔ)償速度，然后發(fā)送給行車(chē)PLC，行車(chē)PLC 把補(bǔ)償值疊加到速度設(shè)定值上，并通過(guò)PROFIBUS-DP 總線(xiàn)發(fā)送給傳動(dòng)裝置，控制大、小車(chē)的速度。防搖控制系統(tǒng)采用西門(mén)子SATEC 光學(xué)閉環(huán)防搖系統(tǒng)，其典型配置如圖2 所示。

圖2 SATEC 光學(xué)閉環(huán)防搖系統(tǒng)典型配置

3 行車(chē)自動(dòng)控制

行車(chē)自動(dòng)控制功能包括操作方式、行車(chē)本體自動(dòng)控制系統(tǒng)、傳動(dòng)控制系統(tǒng)、定位控制系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、吊具控制系統(tǒng)、防搖擺控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)行車(chē)無(wú)人駕駛、精準(zhǔn)定位、自動(dòng)吊放鋼卷等功能。

3.1 操作方式

行車(chē)的操作方式包括自動(dòng)、手動(dòng)、遙控及維修操作方式操作行車(chē)，電源的啟動(dòng)、停止、急停和所有機(jī)構(gòu)均可在遙控器上集中操作。行車(chē)控制系統(tǒng)與庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)接，可實(shí)現(xiàn)行車(chē)的無(wú)人自動(dòng)操控。

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)行車(chē)控制系統(tǒng)處理行車(chē)上所有傳感器信號(hào)，保證行車(chē)的安全運(yùn)行，完成庫(kù)管系統(tǒng)下達(dá)的作業(yè)指令。系統(tǒng)選用西門(mén)子PLC產(chǎn)品，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與地面庫(kù)管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，主要包含以下功能：①吊具控制；②行車(chē)橫向、縱向、主鉤升降協(xié)同控制功能；③速度控制、位置控制及計(jì)算停止距離功能；④安全高度控制功能；⑤自我診斷功能：判斷行車(chē)是否有故障，根據(jù)行車(chē)故障狀態(tài)決定是否進(jìn)行下一步動(dòng)作；⑥主鉤起升高度定位功能；⑦機(jī)械保護(hù)功能，包括限位開(kāi)關(guān)（含預(yù)限位開(kāi)關(guān)）、超速開(kāi)關(guān)、登機(jī)門(mén)開(kāi)關(guān)、起重機(jī)防撞等；⑧電氣系統(tǒng)故障報(bào)警，包括欠電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、調(diào)速裝置故障等；⑨配置有PLC 工程師站，通過(guò)WinCC軟件可以實(shí)時(shí)查看變頻器、電機(jī)及各個(gè)開(kāi)關(guān)量的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可通過(guò)STEP7 軟件讀取、修改、保存控制程序。

系統(tǒng)電源由獨(dú)立于動(dòng)力電源和照明電源的控制電源提供。PLC 為框架式，各功能模塊為插件式，便于擴(kuò)展、更換和維修保養(yǎng)。PLC 的功能滿(mǎn)足整機(jī)控制和管理的要求，所提供的模擬、數(shù)字I/O 點(diǎn)和主機(jī)存貯器都留有至少10%的裕量，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行及未來(lái)的擴(kuò)展需求。I/O 模塊采用AC 220 V 電壓等級(jí)。

4 傳動(dòng)控制系統(tǒng)

無(wú)人行車(chē)控制系統(tǒng)在大車(chē)、小車(chē)、主鉤升降及旋轉(zhuǎn)裝置增加西門(mén)子S120 系列變頻器，在電機(jī)非負(fù)荷側(cè)安裝增量式編碼器，并加裝保護(hù)罩，以減少振動(dòng)，提高測(cè)量精度和使用壽命，實(shí)現(xiàn)變頻器矢量閉環(huán)控制。變頻器的技術(shù)要求為：①大車(chē)、小車(chē)、起升各機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速，大車(chē)采用一拖二控制方式；②大車(chē)、小車(chē)、起升各機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速采用帶編碼器的閉環(huán)控制；③具備閉環(huán)矢量控制功能；④支持PROFINET 或PROFIBUS-DP 總線(xiàn)；⑤采用4096 線(xiàn)以上精度的增量式編碼器。

5 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)與地面管理系統(tǒng)之間時(shí)刻都有大量的數(shù)據(jù)交互。在行車(chē)快速行駛的過(guò)程中，必須保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。本系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信采用基于無(wú)縫漫游的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)都支持iPCF 協(xié)議，在不同的通信節(jié)點(diǎn)之間切換時(shí)間低于100 ms。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，可以通過(guò)遠(yuǎn)程操作對(duì)各無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)的配置參數(shù)進(jìn)行管理和修改，行車(chē)上無(wú)線(xiàn)AP節(jié)點(diǎn)需單獨(dú)設(shè)計(jì)防護(hù)支架，防止振動(dòng)造成的信號(hào)不穩(wěn)定。支持2.4 GHz、5 GHz 通信頻段，使用支持802.11n 標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)行車(chē)行駛時(shí)候在不同無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)之間的快速漫游切換。無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)安裝在箱體內(nèi)。每個(gè)接入點(diǎn)都帶多個(gè)外接全向天線(xiàn)。

無(wú)人行車(chē)系統(tǒng)要求地面和車(chē)上系統(tǒng)之間必須有安全穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)通信，包括：①行車(chē)系統(tǒng)與地面庫(kù)管系統(tǒng)之間的通信；②行車(chē)系統(tǒng)與庫(kù)區(qū)安全圍欄系統(tǒng)的通信；③行車(chē)系統(tǒng)與地面移動(dòng)設(shè)備（輥道、過(guò)跨車(chē)等）PLC 的通信。采用802.11 a/b/g combo type，DSSS 方式；通信頻段2.4 GHz、5 GHz；傳輸速率11～54 Mbps；最大通信距離100 m，無(wú)指向性。硬件設(shè)備包括交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器、柜子、其他附件。

6 趨勢(shì)分析

無(wú)人天車(chē)、天車(chē)智能化運(yùn)行是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，越來(lái)越多的庫(kù)區(qū)實(shí)施了天車(chē)無(wú)人化控制，天車(chē)由庫(kù)管系統(tǒng)下發(fā)的具體路徑信息實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)取放吊。但由于庫(kù)區(qū)環(huán)境多變，在路徑信息中存在多個(gè)避讓點(diǎn)的情況，天車(chē)需到達(dá)避讓點(diǎn)后停車(chē)，再進(jìn)入下一個(gè)避讓點(diǎn)，需要頻繁啟動(dòng)、停止、加速、減速，這在一定程度上影響了天車(chē)的整體運(yùn)行效率。但是天車(chē)無(wú)人控制系統(tǒng)的應(yīng)用，提升了設(shè)備的整體效率。