杜文正，童國林，劉陳，趙典

(第二炮兵工程大學202 教研室，陜西西安710025)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對起重機的自動化程度及安全穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。目前，國內(nèi)很多研究機構(gòu)在起重機智能控制研究方面取得了很大的進步，但大部分的研究都是集中在有操作人員控制的基礎上，智能化程度并不高［1－2］。作者以橋式起重機為設計平臺［3］，以機器人導航技術(shù)［4－5］、起重機精確定位及智能消擺技術(shù)為基礎［6－10］，以實現(xiàn)橋式起重機自動化智能轉(zhuǎn)載為目標，從機械傳動、自動檢測、電氣控制、無線通信、軟件設計、控制算法等6個方面設計了一套智能化程度較高的橋式起重機智能轉(zhuǎn)載系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由機械傳動系統(tǒng)、工控機、無線通信系統(tǒng)、自動檢測控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。工控機作為系統(tǒng)的上位機，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理控制中心;無線通信系統(tǒng)完成工控機與自動檢測控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)之間的通信;自動檢測控制系統(tǒng)完成對傳感器數(shù)據(jù)的自動采集與存儲;電氣控制系統(tǒng)接收工控機的指令，對起重機進行變頻控制。系統(tǒng)在轉(zhuǎn)載前，利用電氣控制系統(tǒng)控制起重機大車運動帶動安裝在主梁上的激光測距掃描儀完成轉(zhuǎn)載場地的地形掃描;工控機對掃描數(shù)據(jù)進行分析，建立空間環(huán)境模型并規(guī)劃出一條能夠規(guī)避障礙物的最優(yōu)安全路徑;在給定轉(zhuǎn)載起點和終點的條件下，工控機利用運動控制算法向電氣控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制起重機的3 個電機，沿著優(yōu)化路徑實現(xiàn)對負載的自動化智能轉(zhuǎn)載;轉(zhuǎn)載完成后，系統(tǒng)自動對轉(zhuǎn)載場地的地形進行修復，為下一次的轉(zhuǎn)載做好準備。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 機械傳動系統(tǒng)設計

機械傳動系統(tǒng)安裝在橋架上，由大車傳動、起升小車組成。

2.1 大車傳動

大車傳動由帶制動的變頻電機、減速機、車輪組及大車速度采集輪組成。車輪組采用定軸式;減速器采用輸入與輸出端同側(cè)立式減速機、電機安裝在橫梁的上部，這樣節(jié)約了大車傳動所占用的空間，增大了起吊的工作范圍;大車速度采集輪安裝有測速的編碼器，通過絞接的形式安裝在大車運行機構(gòu)的橫梁上，為了避免大車在運行過程中由于軌道等原因車輪有時會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，速度采集輪通過彈簧力保證始終與軌道接觸旋轉(zhuǎn)。

2.2 起升小車

起升小車由小車運行機構(gòu)、起升機構(gòu)和車架組成。

小車運行機構(gòu)采用兩邊分別驅(qū)動，減速機為硬齒面，減速機輸出端為內(nèi)花鍵，通過內(nèi)花鍵與主動車輪組上的外花鍵聯(lián)接傳遞扭矩?；ㄦI比單鍵聯(lián)接傳遞的扭矩大，并且傳遞更加平穩(wěn)。電機采用帶制動的變頻電機。一端的被動車輪上安裝有用于測速的編碼器。

起升機構(gòu)采用歐洲技術(shù)生產(chǎn)的ZH 小車，減速機為行星架結(jié)構(gòu);行星架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)減速機相比具有體積小、傳動比大的優(yōu)點;減速機齒輪全部為硬齒面，提高了齒輪的精度，傳動過程噪聲小;行星架安裝在卷筒內(nèi)，使整個起升機構(gòu)更加緊揍。為了保證吊鉤的對中性，纏繞在卷筒上的鋼絲繩采用4/2 的出繩方式。起重量限制器采用軸銷式，比傳統(tǒng)的鋼絲繩旁壓式傳感器傳遞的信號更加平穩(wěn)可靠。電機采用電動葫蘆起升專用的帶制動的錐形變頻電機，制動片內(nèi)預埋有傳感器，當制動片磨損到不能保證剎車力的情況下會發(fā)出報警，提醒操作人員更換摩擦片，避免了剎車力不夠引起的溜鉤事故發(fā)生。

小車架用于安裝起升機構(gòu)、小車運行機構(gòu)和需要檢測的各種傳感器。

3 自動檢測控制系統(tǒng)設計

自動檢測控制系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊和各類傳感器組成，其原理圖及安裝位置如圖2所示。系統(tǒng)采用施耐德公司生產(chǎn)的Modicon 系列M258 可編程控制器PLC 完成對傳感器信息的采集和處理。主要傳感器類型及用途包括:德國米依拉線式位移傳感器分別用于測量大車、小車和吊鉤的位移;德國Sick 公司生產(chǎn)的LMS291-S05 激光測距掃描儀［11］用于獲取場地地形;西安中星公司生產(chǎn)的CS-2LAS 系列02 型加速度計用于測量x、y 兩個方向的加速度，CS-2TAS-05 型雙軸傾角計分別固定于激光測距掃描儀安裝基面、承載梁1/4 跨度處和3/4 跨度處，測量x、y 兩個方向的傾斜角度，用于修正激光測距掃描儀由于承載梁存在拱度而引起的測量誤差，CS-VG-02 型垂直陀螺儀用于測量吊鉤擺動角度和擺動角速率。

圖2 自動檢測控制系統(tǒng)原理圖

4 電氣控制系統(tǒng)設計

自動控制系統(tǒng)設計是以PLC［12］為核心，由PLC完成控制信號的輸出，電機采用變頻控制［13－14］，工控機主要負責實現(xiàn)可視化操作界面、參數(shù)設置、起重機狀態(tài)顯示與記錄、路徑規(guī)劃、起重機精確定位和智能消擺算法控制以及至少100 m 距離的遠程監(jiān)控等。系統(tǒng)整體方案如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)方案圖

起重機大車、小車和起升機構(gòu)采用施耐德變頻器進行變頻控制，PLC 與變頻器通過CANopen 機器總線通訊，PLC 與變頻器子站通過PDO 組態(tài)實現(xiàn)對變頻器內(nèi)部寄存器的讀寫控制。CANopen 接線箱通過PLC的機器總線端口與控制起重機大車運行、小車運行和起升運行的變頻器進行通訊鏈路，實現(xiàn)PLC 總站與變頻器子站的通訊。電腦通過無線串口模塊與PLC通訊，即可以通過串口讀寫PLC 內(nèi)部寄存器的值。

5 無線通信系統(tǒng)設計

電腦通過無線串口模塊與PLC 通訊，即可以通過串口讀寫PLC 內(nèi)部寄存器的值。工控機作為上位機，通過寫串口程序讀寫數(shù)據(jù)，遵循PLC 模塊的通訊協(xié)議。電腦讀取PLC 寄存器內(nèi)存儲的傳感器數(shù)值，進行解析與處理，在軟件界面上進行狀態(tài)顯示;向與變頻器組態(tài)的PLC 寄存器寫數(shù)據(jù)，通過控制變頻器最終控制電機。

6 軟件設計

軟件設計分為上位機程序和PLC 程序兩部分，上位機和PCL 通過無線串口協(xié)議進行通訊。上位機采用Visual C+ +進行編程，主要實現(xiàn)可視化界面操作，參數(shù)設置，起重機狀態(tài)顯示與記錄，環(huán)境掃描與路徑規(guī)劃，起重機精確定位、智能消擺與遠程控制以及串口通信。PLC 程序主要完成數(shù)據(jù)采集、存儲與發(fā)送，接收上位機的變頻控制指令完成對起重機的控制。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

6.1 上位機監(jiān)控程序設計方案

計算機監(jiān)控程序在Visual C++環(huán)境下開發(fā)［15－16］，并結(jié)合OPENGL 完成有關(guān)圖形的處理。Visual C++是一個功能強大、兼容性好、對Windows 程序進行可視化開發(fā)的編程開發(fā)環(huán)境，是一個相當優(yōu)秀的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，它集代碼編輯、調(diào)試、向?qū)?、編譯和可視化資源于一體，所提供的MFC 更有助于程序的開發(fā)。軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面圖

6.2 PLC 控制程序設計方案

傳感器信號的采集。通過PLC 擴展A/D 模塊進行信號的采集，并存儲于寄存器中?？刂坪蠭/O 信號的采集及對變頻器控制信號的輸出，這一部分為PLC程序主要部分，采用梯形圖編程，外部信號主要包括控制盒信號、各機構(gòu)限位信號等。PLC 與變頻器通過CANopen 機器總線通訊，使用PDO 組態(tài)關(guān)聯(lián)，無需另外編寫程序。

7 控制算法設計

7.1 基于AVBN 環(huán)境建模與遺傳算法的路徑規(guī)劃

首先是工控機控制起重機帶動激光測距掃描儀運動對轉(zhuǎn)載場地進行測距掃描，依據(jù)起重機的起重限高與負載的高度確定障礙物的忽略高度，超過這一高度的設為障礙物，以這一高度為基面建立障礙柵格地圖，在柵格地圖的基礎上進行AVBN 轉(zhuǎn)載場地環(huán)境建模，利用遺傳算法規(guī)劃出負載運動的最優(yōu)路徑，其原理圖如圖6所示。

圖6 橋式起重機路徑規(guī)劃算法原理圖

7.2 基于模糊自適應PID 精確定位和消擺技術(shù)

雙閉環(huán)模糊自適應PID 控制器又稱模糊PID 參數(shù)自整定控制器，是將PID 控制器和模糊控制器串聯(lián)在一起，以系統(tǒng)給定值和控制對象實際值的偏差值e 和偏差率ec 作為模糊控制器和PID 控制器的輸入，用模糊控制器實時調(diào)整PID 的控制參量KP、KI、KD。該控制方式實時性強，控制精度高，不會出現(xiàn)常規(guī)PID 控制器造成系統(tǒng)超調(diào)、易振蕩的現(xiàn)象，其原理圖如圖7所示。應用該算法能夠使起重機控制負載沿著給定的路徑點前進，有很好的定位與消擺效果。

圖7 模糊自適應PID 控制器原理圖

8 結(jié)束語

該系統(tǒng)經(jīng)安裝調(diào)試后，運行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在給定轉(zhuǎn)載起點和轉(zhuǎn)載終點的條件下，控制負載沿著規(guī)劃的最優(yōu)路徑完成安全無碰撞的轉(zhuǎn)載。該系統(tǒng)有以下特點:

(1)系統(tǒng)采用基于障礙柵格的AVBN 環(huán)境建模方法，控制負載在確定高度的平面作二維運動，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性，在完成轉(zhuǎn)載任務后，很容易對場地地形進行維護，而不需要重新對場地進行掃描，提高了自動轉(zhuǎn)載的工作效率。

(2)系統(tǒng)友好的人機操作界面可以很方便地對起重機的運行狀況進行監(jiān)測。

(3)系統(tǒng)可靠性強，易調(diào)試，兼容性好，有很好的應用前景。

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