冷建偉,李濤

(天津理工大學(xué) 自動化學(xué)院,天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384)

當(dāng)前橋式起重機(jī)定位控制方面研究缺乏從本質(zhì)上解決定位精度差效率低,運(yùn)行過程不平穩(wěn)等問題。為了解決這些問題,我們提出采用激光測距器和條碼定位儀作為測距測速傳感器,將變頻器和PLC相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)精確的絕對認(rèn)址及閉環(huán)控制。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在天津太鋼有限公司罩式退火爐(40+10)t天車上,并取得顯著的應(yīng)用效果。

1 橋式起重機(jī)定位工作方式

橋式起重機(jī)作為一種現(xiàn)代化的大型搬運(yùn)機(jī)械,是物料裝配系統(tǒng)中一種重要的設(shè)備,其以方便快捷、省時(shí)省工、載重量大等優(yōu)點(diǎn),在鋼鐵、港口等行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛且作用顯著。橋式起重機(jī)從結(jié)構(gòu)上主要由橋架、大車小車行走機(jī)構(gòu)、起升裝置、司機(jī)室等部分組成。本定位系統(tǒng)主要是指對起升裝置的吊鉤進(jìn)行水平面定位,而吊鉤水平運(yùn)動的載體是大小車行走機(jī)構(gòu),因此對吊鉤的定位轉(zhuǎn)化為對大小車行走機(jī)構(gòu)的定位。橋式起重機(jī)定位工作原理為:在生產(chǎn)車間內(nèi)將起重機(jī)作業(yè)區(qū)域分為以x,y,z 3個(gè)坐標(biāo)為方向的三維運(yùn)行空間,如圖1所示。

圖1 定位系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diag ram of positioning system

其中起重機(jī)的大車行走機(jī)構(gòu)(下稱大車)沿車間兩側(cè)上方墻壁鋪設(shè)的鋼軌作橫向運(yùn)行,設(shè)運(yùn)行方向?yàn)閤;小車行走機(jī)構(gòu)(下稱小車)在大車上運(yùn)行,相對其作縱向運(yùn)動,設(shè)運(yùn)行方向?yàn)閥;吊鉤在垂直方向運(yùn)動,設(shè)運(yùn)行方向?yàn)閦(本定位系統(tǒng)主要針對 x,y方向定位,故不對z方向定位進(jìn)行闡述)。

為了精確快速地檢測行走機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)行位置,方便操作人員對起重機(jī)作業(yè)進(jìn)行控制,由分別安裝在起重機(jī)大車、小車上基于激光技術(shù)的測距傳感器在x,y,z三維空間坐標(biāo)上對起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置和吊鉤高度進(jìn)行精確測量,并將相應(yīng)的信號傳給上位機(jī)處理并顯示吊鉤的實(shí)時(shí)坐標(biāo)以便操作人員監(jiān)控。

2 橋式起重機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)橋式起重機(jī)總體控制方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求,確定定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件電路由主控制器部分,傳感器檢測單元部分,變頻器執(zhí)行單元部分,以及外圍擴(kuò)展接口設(shè)備部分等組成。

圖2 橋式起重機(jī)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of overhead crane positioning system

2.1 定位系統(tǒng)

在本設(shè)計(jì)中為解決原有橋式起重機(jī)定位過程中所存在的定位不準(zhǔn)確、效率低的問題使用基于激光技術(shù)的條碼定位儀與激光測距器重新設(shè)計(jì)了定位系統(tǒng)的傳感器檢測單元。這種基于激光技術(shù)的測距方式,改變了原有的定位思路,是一種非接觸測量方法,實(shí)現(xiàn)了在定位過程中的絕對認(rèn)址。

激光測距器由電脈沖驅(qū)動產(chǎn)生激光束,激光束經(jīng)過安裝在大車一端的反射板反射,通過接收鏡頭返回接收元件,產(chǎn)生電脈沖再經(jīng)過計(jì)算電脈沖的時(shí)間間隔(發(fā)射脈沖及接收脈沖),通過傳感器的微處理器處理后,輸出模擬量信號(4～20 mA或DC 0～10 V兩種輸出方式)。即得出相應(yīng)的激光器距放射板的距離,也就是 x方向的坐標(biāo)。在保證1 mm重復(fù)精度的情況下測距范圍可從30 cm到300 m[1]。其工作原理如圖3所示。

圖3 激光測距器工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of laser ranging finder

條碼定位儀是一種新型的條碼閱讀器,它集合了激光技術(shù)與旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)點(diǎn),通過讀取行進(jìn)路線上的條型碼帶確定準(zhǔn)確位置,可有效地實(shí)現(xiàn)絕對認(rèn)址甚至曲線定位。條碼定位儀由兩部分組成:激光條碼讀取頭和條碼帶。工作原理是將條碼讀取頭安裝在大車上,條型碼帶全程安裝在行走軌道中,當(dāng)大車在軌道上行走時(shí),安裝在大車上的條碼讀取頭實(shí)時(shí)地掃描3個(gè)條碼,利用可見的紅色激光從條碼帶可測定毫米級的位置值,附在條碼帶的信息就可以通過條碼閱讀器讀出。最后通過內(nèi)置的解碼器把大車當(dāng)前的位置信息輸出至PLC[2]。

本定位系統(tǒng)所用的條碼定位儀和激光測距器,都屬激光測距方式,為非接觸測量。應(yīng)用該技術(shù)于本定位系統(tǒng)上具有如下優(yōu)勢:1)采用絕對認(rèn)址方式,相對于目前廣泛采用的編碼器(屬相對認(rèn)址方式)可靠性和精確性更高;2)所得到的數(shù)字信號,精度高,且和上位機(jī)通信便捷,可以實(shí)時(shí)確定大車、小車的位置,易于實(shí)時(shí)監(jiān)控;3)獲得的位置信息模擬信號與起重機(jī)位置成線性關(guān)系,進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換可得到起重機(jī)大車、小車當(dāng)前運(yùn)行的準(zhǔn)確速度,便于調(diào)速和停準(zhǔn)[1]。

2.2 控制系統(tǒng)

本定位系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)方案在保留原橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用以工控機(jī)(IPC)作為上位機(jī),以可編程控制器(PLC)作為下位機(jī)的控制模式構(gòu)成。采用雙控制結(jié)構(gòu)體系各部分功能如下。

2.2.1 下位PLC控制系統(tǒng)

由于PLC可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、循環(huán)周期短、指令集功能強(qiáng)大,并且采用模塊化、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu),易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置,因此適用于復(fù)雜環(huán)境和工況條件下的現(xiàn)場控制[3]。

下位機(jī)PLC主要作為I/O控制站負(fù)責(zé)對測距傳感器的位置信號進(jìn)行采集并利用各種數(shù)字量、模擬量模塊完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣、報(bào)警信號檢測與輸出,以及對變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

2.2.2 上位工控機(jī)控制系統(tǒng)

工控機(jī)作為上位機(jī)能夠進(jìn)行復(fù)雜的算法運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理,具有良好的人機(jī)界面并能夠保存大量數(shù)據(jù),方便管理控制。所以選用工控機(jī)作為核心,對PLC以及現(xiàn)場檢測執(zhí)行設(shè)備監(jiān)控管理并對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這樣可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性,增加系統(tǒng)的監(jiān)控和管理水平,便于用戶的程序開發(fā)和應(yīng)用。

工控機(jī)查詢并讀取PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)信息,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理,在人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示起重機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)以及位置、高度信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并用數(shù)據(jù)庫加以管理和記錄。操作人員通過上位機(jī)監(jiān)控界面向現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備發(fā)出控制指令,控制行走機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確運(yùn)行到指定位置。在運(yùn)行過程中工控機(jī)通過預(yù)先設(shè)定的控制策略并根據(jù)測距傳感器反饋回來的信號處理后實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器的頻率值,使機(jī)車先以較高的速度運(yùn)行到接近目的地址的位置,然后平穩(wěn)地減速到較低的速度運(yùn)行,在到達(dá)目的地址時(shí)制動停準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)起重機(jī)運(yùn)行位置與速度的閉環(huán)控制。較好地滿足了橋式起重機(jī)作業(yè)中高速運(yùn)行、換速平穩(wěn)、低速停準(zhǔn)的速度控制和準(zhǔn)確定位要求?？朔燔囎兯贂r(shí)的速度曲線拐點(diǎn)所帶來的運(yùn)行不平穩(wěn)等問題,使之更為圓滑,將天車的起步、停車以及變速能夠更加平穩(wěn)。

2.3 數(shù)據(jù)通信

在本定位系統(tǒng)中,工控機(jī)、PLC、輸入輸出模塊、傳感器、變頻器、光電開關(guān)等電氣設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸采用基于PROFIBUS-DP的現(xiàn)場總線技術(shù)。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)不依賴設(shè)備制造廠家,利用其開放性可以方便快捷地進(jìn)行自動化系統(tǒng)中控制設(shè)備與傳動裝置以及分布式I/O的通信,各種自動化設(shè)備均可通過同樣的接口交換信息,可以取代4～20 mA模擬量信號傳輸。PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通信速率為19.2 kb/s～12 Mb/s,通訊數(shù)據(jù)包為244字節(jié),因此其傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大以及可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)極大地滿足了現(xiàn)場需要[4- 5]。

在本定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸中,一方面上位機(jī)的控制命令和調(diào)度命令必須準(zhǔn)確無誤地下發(fā)到下位機(jī),下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集終端必須要將采集到的各種在線數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、迅速地送到PLC和工控機(jī),例如條碼定位儀掃描條碼測定位置值,通過內(nèi)置的解碼器把大車當(dāng)前的位置信息由PROFIBUSDP總線輸出至PLC。另一方面,由于起重機(jī)出廠時(shí)其各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均保存在下位機(jī)PLC中,為了進(jìn)行上位計(jì)算機(jī)和下位控制器通訊,采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,以備系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、處理與顯示。完成這兩個(gè)方面功能的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)通訊,本設(shè)計(jì)采用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)調(diào)控制。如圖4所示。

圖4 PROFIBUS-DP總線連接圖Fig.4 Connection diagram of PROFIBUS-DP bus

3 結(jié)論

文中對橋式起重機(jī)定位控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,采用基于激光測距技術(shù)的測距傳感器,與變頻器和PLC相結(jié)合實(shí)現(xiàn)精確的絕對認(rèn)址及閉環(huán)控制。運(yùn)行表明,本定位系統(tǒng)明顯提高對生產(chǎn)工具和原料的定位精度,從傳統(tǒng)的±20 cm提高到±3 cm以內(nèi),同時(shí)達(dá)到橋式起重機(jī)更為高效平穩(wěn)運(yùn)行的目的。完成同樣的工作量只需原有時(shí)間的三分之一,這樣顯著提高了運(yùn)行效率。

[1]王勇軍,周奇才.自動化倉庫堆垛機(jī)高速運(yùn)行控制技術(shù)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2003(1):27-29.

[2]李小平.基于BPS的堆垛機(jī)速度控制與認(rèn)址方法研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2008(12):13-15.

[3]廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]劉鍇.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[5]崔堅(jiān),李佳.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.