劉新航　張宇

【摘 要】本文基于一種三維電動(dòng)平臺(tái)車系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、軟硬件配置及系統(tǒng)功能方面的詳細(xì)闡述。

【關(guān)鍵詞】PLC；自動(dòng)定位；分段控制；CANOpen

0.前言

在火法冶金工藝中，鋁熱還原法是最常用的一種自蔓延反應(yīng)，其反應(yīng)的特點(diǎn)是速度快，熱量高，且不需要外部施加額外的能源，但同時(shí)也對如何提高安全性提出了新的課題。目前國際上比較常用的方法是通過破開熔融金屬液上表面渣層的方式，將熱量適度釋放，以降低反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

為了提高產(chǎn)能，并最大限度的保障人身與設(shè)備安全，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要將承載剛反應(yīng)完的熔融金屬液的坩堝及時(shí)運(yùn)輸?shù)狡圃疫M(jìn)行破渣，并馬上準(zhǔn)備下一個(gè)空坩堝進(jìn)行下一個(gè)反應(yīng)。基于產(chǎn)能與安全的考慮，我們針對鋁熱還原法在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的工藝要求，設(shè)計(jì)并制作了具備自動(dòng)定位功能的軌道式三維電動(dòng)平臺(tái)車。該平臺(tái)車由0.4KV供配電系統(tǒng)、頂升平臺(tái)系統(tǒng)、東西向大車運(yùn)行系統(tǒng)以及南北向小車運(yùn)行系統(tǒng)組成，同時(shí)配有人機(jī)界面，分權(quán)限等級(jí)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

軌道式電動(dòng)車具有運(yùn)行速度快且穩(wěn)定、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，在現(xiàn)代自動(dòng)化物流系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)既可作為立體倉庫的周邊設(shè)備，也可作為獨(dú)立系統(tǒng)[1]。

該系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)定位誤差小于5mm，完全滿足現(xiàn)場工藝定位的要求。

1.設(shè)備構(gòu)成

1.1系統(tǒng)概要

該電動(dòng)平臺(tái)車系統(tǒng)由38個(gè)工位組成，包括5個(gè)熱反應(yīng)室，3個(gè)破渣室，20個(gè)冷卻工位和10個(gè)坩堝暫存工位，軌道上的平臺(tái)車根據(jù)預(yù)設(shè)自動(dòng)運(yùn)行，并將需要的坩堝進(jìn)行運(yùn)輸，如圖1.1所示。

三維電動(dòng)平臺(tái)車的一次工作周期由從坩堝暫存區(qū)取空坩堝開始，經(jīng)過運(yùn)送坩堝加料反應(yīng)、運(yùn)送反應(yīng)后的坩堝進(jìn)行破渣、運(yùn)送破渣后的坩堝進(jìn)行冷卻，最后將冷卻后的坩堝運(yùn)送回坩堝暫存區(qū)等待渣塊分離，每一步驟完成后均需要進(jìn)行三方向的位置定位與確認(rèn)，以確保工序的準(zhǔn)確和生產(chǎn)的安全。

該電動(dòng)平臺(tái)車主要由整車供電系統(tǒng)、整車電氣控制系統(tǒng)、大車運(yùn)行系統(tǒng)、小車運(yùn)行系統(tǒng)、小車升降系統(tǒng)以及小車拖纜系統(tǒng)組成。

1.2系統(tǒng)描述

1.2.1整車供電系統(tǒng)

為了防止地面沉降和供電線纜直接被高溫炙烤，整車供電系統(tǒng)采用恒力矩卷筒電機(jī)收放卷筒專用扁電纜的方式進(jìn)行供電，電纜為3P+N+PE的五芯扁電纜，內(nèi)置兩根鋼絲以吸收張力。將扁電纜的一端固定后連接于軌道末端放置的EPS電源柜中，另一端固定在電動(dòng)平臺(tái)車卷筒的取電器上。

1.2.2整車電氣控制系統(tǒng)

（1）PLC系統(tǒng)。

PLC控制系統(tǒng)采用Schneider公司的M258系列PLC，其具備一個(gè)以太網(wǎng)接口，一個(gè)CANopen接口和一個(gè)串行接口。CANopen接口與5個(gè)從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從站包括大車、小車以及小車電纜卷筒驅(qū)動(dòng)變頻器（ABB ACS800系列），大車多圈絕對值編碼器（德國Hengstler）和小車?yán)K式絕對值編碼器（德國Hengstler）；串行接口通過Modbus協(xié)議與電動(dòng)平臺(tái)車控制柜體上的觸摸屏進(jìn)行通訊；以太網(wǎng)口預(yù)留，以便與上級(jí)MES進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 [2][3]。

編程軟件為Schneider SoMachine V3.0，觸摸屏為Schneider HMISTU855，上位機(jī)組態(tài)軟件采用Schneider Vijeo Designer。

SoMachine是Schneider發(fā)布的組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對Schneider系列PLC的組態(tài)并讀寫PLC的存儲(chǔ)區(qū)。同時(shí)，SoMachine也集成了Vijeo Designer，用以開發(fā)觸摸屏人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，人機(jī)對話，數(shù)據(jù)報(bào)表，配方發(fā)布等功能。本系統(tǒng)的觸摸屏的主要功能是參數(shù)設(shè)定與顯示，以及異常狀態(tài)報(bào)警[4]。

（2）控制系統(tǒng)。

控制方式有本地、遠(yuǎn)程手動(dòng)與自動(dòng)三種方式，由安裝在車體上的控制柜上的旋鈕進(jìn)行選擇。本地控制方式主要用于平臺(tái)車系統(tǒng)的維修和應(yīng)急，因此由硬連線的保護(hù)裝置控制，并且獨(dú)立于PLC以及所有給PLC發(fā)信號(hào)的裝置。在“遠(yuǎn)程-手動(dòng)”模式下，通過遙控器可以對電動(dòng)平臺(tái)車的大車、小車以及升降系統(tǒng)分別進(jìn)行控制，但必須滿足系統(tǒng)安全連鎖條件。在“遠(yuǎn)程-自動(dòng)”方式下，電動(dòng)平臺(tái)車的啟動(dòng)、停止、對位等工作均按照操作員的預(yù)設(shè)方式進(jìn)行。

“遠(yuǎn)程-自動(dòng)”模式是平臺(tái)車的正常工作狀態(tài)。操作員需要做的，僅僅是在遙控器端設(shè)定目標(biāo)工位，并使能自動(dòng)模式，其余所有的工作均由平臺(tái)車自動(dòng)完成。為了保障安全，目前階段，平臺(tái)車運(yùn)行的各節(jié)點(diǎn)需要操作人二次確認(rèn)。

（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1）大車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

大車由一臺(tái)帶電磁抱閘的電機(jī)通過減速箱與兩個(gè)主動(dòng)輪組成的剛性連接驅(qū)動(dòng)，在長約100m的軌道上行駛，核心驅(qū)動(dòng)單元為一臺(tái)ABB ACS800變頻器。該變頻器與PLC以及安裝在隨動(dòng)輪上的實(shí)時(shí)檢測大車位置的多圈式絕對值編碼器進(jìn)行CANopen通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測大車的位置，通過與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，可以對大車電機(jī)進(jìn)行無級(jí)或者多段位調(diào)速，以達(dá)到平穩(wěn)準(zhǔn)確對位的目的。

大車的對位精度可以在觸摸屏中進(jìn)行調(diào)整，目前的對位精度為5mm，但系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)或者由于慣性過沖時(shí)，平臺(tái)車會(huì)自動(dòng)重新對位，直到在誤差范圍以內(nèi)。

2）小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

小車的驅(qū)動(dòng)方式與大車類似，運(yùn)行軌道為南向5.4m，北向3.6m，且必須在大車對位穩(wěn)定后，方可向?qū)R的工位運(yùn)行。其核心驅(qū)動(dòng)單元為一臺(tái)ABB ACS800變頻器，位置檢測單元為一臺(tái)拉繩式編碼器，小車供電采用卷盤式取電器配合高強(qiáng)度可拉伸電纜，卷盤電機(jī)由一臺(tái)ABB ACS800變頻器控制，以上的兩臺(tái)變頻器和一臺(tái)編碼器也都連接在與大車相同的CANopen網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)小車運(yùn)行時(shí)，拉繩式編碼器實(shí)時(shí)檢測小車的位置，對卷盤電機(jī)進(jìn)行無極調(diào)速，保證小車供電電纜的張緊力適度，既不會(huì)過于松弛，垂到地面，又不會(huì)過于張緊，影響電纜壽命。

小車的對位精度以及電纜張緊力均可以在觸摸屏中進(jìn)行調(diào)整，小車到位信號(hào)由拉繩式編碼器給出，由車載接近開關(guān)作為驗(yàn)證。目前的對位精度為10mm，完全滿足目前工藝要求。

3）升降系統(tǒng)。

升降系統(tǒng)由一臺(tái)絲杠電機(jī)帶動(dòng)頂部托盤進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)由正反向接觸器控制，配合熱繼電器進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)通過接近開關(guān)進(jìn)行上下限位的保護(hù)。

2.結(jié)束語

大連融德特種材料有限公司的三維電動(dòng)平臺(tái)車投產(chǎn)一年多以來，電氣供配電系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，有效地提高了企業(yè)生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化水平，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了危險(xiǎn)性，取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在本行業(yè)及其它相關(guān)行業(yè)具有很高的推廣價(jià)值。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]張應(yīng)強(qiáng)，魏鏡弢，王庭有.RGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].河南科學(xué)，2012.

[2]RCAN-01用戶使用手冊[M].ABB Drives，2008.

[3]SoMachine教程培訓(xùn)手冊[M].Schneider-Electric Pty Ltd，2011，2.

[4]SoMachine指令手冊[M].Schneider-Electric Pty Ltd，2012，3.