【摘 要】介紹全國首家天車無人化控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用。該系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)擬合曲線法研發(fā)了擺角控制技術(shù)，實現(xiàn)了天車多模式控制、全自動運行、設(shè)備全天候監(jiān)視和鋼卷跟蹤等功能。應(yīng)用表明，系統(tǒng)顯著提高了天車效率和平穩(wěn)度，降低了天車工勞動強度和天車點檢難度，增加了天車可靠性。為庫房管理和物流工藝發(fā)展升級提供了堅實的設(shè)備基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】天車控制 天車無人化 PLC 擺角控制 全天候監(jiān)視

1 引言

目前，國內(nèi)外絕大多數(shù)天車控制模式中，均采用純電氣控制。在很大程度上限制了天車控制水平進步、庫房管理和物流工藝的發(fā)展和升級。傳統(tǒng)天車，操作工長期暴露在危險環(huán)境下從事高強度重復(fù)性勞動；天車利用效率低，動作平穩(wěn)程度不高；天車屬于高空作業(yè)，設(shè)備不易點檢，故障不易發(fā)現(xiàn)[1]。唐鋼于2014年著手自主研發(fā)并最終在國內(nèi)首次應(yīng)用天車無人化控制系統(tǒng)很好的解決了這些問題。

2 設(shè)計方案

以實現(xiàn)天車全自動和天車設(shè)備全天候監(jiān)控為目的，綜合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、PLC控制技術(shù)和HMI技術(shù)，設(shè)計天車無人化控制系統(tǒng)。一套可靠的PLC系統(tǒng)，需要具備多種環(huán)境下的處置能力，據(jù)此采用手動模式、自動模式、遙控模式、維護模式四結(jié)合的原則，實現(xiàn)天車控制方式多樣化。基于面向?qū)ο笤瓌t，將系統(tǒng)劃分為命令層、基礎(chǔ)層、執(zhí)行層，如圖1所示，依托現(xiàn)場總線技術(shù)和無線通訊技術(shù)串接PLC控制系統(tǒng)、傳感器、傳動設(shè)備，實現(xiàn)控制精準化。明確控制對象，劃分控制功能，分別為大車控制、小車控制、主鉤升降控制、主鉤旋轉(zhuǎn)控制、天車擺角控制、天車防撞控制、夾鉗控制、鋼卷跟蹤、事件中斷及手動干預(yù)的處理、參數(shù)設(shè)定、故障報警、人機接口等功能。作為智能化庫房的設(shè)備控制部分，建立完善的通訊結(jié)構(gòu)，保障系統(tǒng)與WMS進行實時數(shù)據(jù)通訊，接收WMS下發(fā)工單，反饋天車和鋼卷信息，生成信息數(shù)據(jù)流，為生產(chǎn)物流提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 控制系統(tǒng)層次劃分及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件結(jié)構(gòu)

采用西門子S7-300 PLC及ET200遠程站做為控制架構(gòu)，組成命令層，結(jié)合傳感器狀態(tài)，經(jīng)由連鎖和邏輯判斷對執(zhí)行層下達具體動作命令；執(zhí)行層包括ABB變頻器及其控制的電機等傳動裝置，通過Profibus工業(yè)總線接收命令層指令進行電機等設(shè)備的動作；基礎(chǔ)層由各種傳感器組成，對天車實際動作和當前狀態(tài)進行檢測，并反饋到命令層PLC中，作為PLC系統(tǒng)命令的觸發(fā)與連鎖信號。

4 功能技術(shù)研發(fā)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用模塊化組織架構(gòu)，按照不同功能劃分各個功能塊，使用SCL語言編程。

4.1設(shè)備控制功能研發(fā)實現(xiàn)

手動和遙控控制采用循環(huán)順序控制方式，即由主程序依次調(diào)用手動控制模塊和遙控控制模塊，實現(xiàn)邏輯的順序執(zhí)行，用以保證天車非常規(guī)工作的使用，繼承傳統(tǒng)天車的控制功能。自動控制采用定時掃描控制方式，即每50ms運行一次循環(huán)，調(diào)用一次自動控制模塊，有效保證系統(tǒng)自動運行和DP通訊的可靠性，實現(xiàn)天車無人化的目的，如圖2所示。維護模式采用繼電器控制，完全脫離PLC控制，用于PLC系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重故障或天車其它設(shè)備產(chǎn)生致命錯誤時。

圖2 手動和遙控控制功能結(jié)構(gòu)圖

4.2鋼卷跟蹤技術(shù)研發(fā)實現(xiàn)

鋼卷跟蹤的工作對象是指鋼卷在庫房內(nèi)由天車動作所引起的一系列位置和狀態(tài)變化，其目的是通過確定鋼卷在庫房內(nèi)具體垛位的位置和狀態(tài)決定是否啟動相關(guān)的功能程序，對跟蹤的鋼卷準確地進行各種控制、數(shù)據(jù)采樣、操作指導(dǎo)并將其跟蹤信息發(fā)送至HMI人機界面，實現(xiàn)天車設(shè)備全天候監(jiān)控。鋼卷跟蹤是天車全自動控制的重要手段，其功能的高低直接影響著天車控制系統(tǒng)的自動化水平。跟蹤由PLC完成，毫秒級的循環(huán)周期保證了跟蹤的實時性和準確性。在天車工作時，鋼卷跟蹤實時監(jiān)控大車位置、小車位置、主鉤高度、夾鉗寬度、負載信號等，依據(jù)內(nèi)部邏輯綜合判斷天車動作所在過程；實時記錄取放卷垛位信息及鋼卷信息等。匯總所有信息形成以時間為X軸，空間為Y軸，鋼卷信息為Z軸的跟蹤信息。鋼卷跟蹤功能實現(xiàn)了在天車多模式控制下，鋼卷信息流的連續(xù)性，使庫區(qū)智能化管理成為可能。

4.3天車擺角自動控制功能研發(fā)實現(xiàn)

天車全自動控制運行時最顯著的特性之一[2]，就是天車移動和停止過程中主鉤擺幅很小、擺角可控，特別是表現(xiàn)在動態(tài)取、放卷時，主鉤擺角能夠控制在0.5度以內(nèi)。這為天車精確定位和安全取、放卷提供了堅實基礎(chǔ)，有效保障了鋼卷在庫房內(nèi)的精準碼放。天車擺角的產(chǎn)生原因是天車在變速運動中鋼卷速度變化滯后于大車和小車速度變化，因此控制天車擺角就是消除這種速度變化的不同步。天車擺角控制的過程是將主鉤擺角分解成水平坐標系內(nèi)的X軸和Y軸兩個方向，分別對應(yīng)擺角儀的大車和小車方向的角度反饋，通過判斷主鉤擺動方向不斷修正大車和小車行進速度，使主鉤擺動與大車、小車動作形成相互追逐的狀態(tài)，從而減小主鉤擺角。采用擺角檢測技術(shù)和擬合曲線法，研發(fā)的天車擺角自動控制方法，很好的實現(xiàn)了天車無慣性擺動運行。

4.4天車設(shè)備全天候監(jiān)控研發(fā)實現(xiàn)

基于WINCC系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，將天車設(shè)備狀態(tài)采集到操作室，使操作工和維檢人員能夠?qū)崟r監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，并及時發(fā)現(xiàn)異常和故障。天車設(shè)備全天候監(jiān)控能夠?qū)崟r接收設(shè)備狀態(tài)掃描信息，能夠自主判定當前各項設(shè)備是否正常，并以不同顏色和閃爍效果顯示在相應(yīng)的監(jiān)控屏幕上，還能夠跟蹤當前天車行走路徑，并根據(jù)鋼卷目標位置指導(dǎo)天車行進方向，形成“鋼卷陀螺儀”的效果。天車設(shè)備全天候監(jiān)控能夠自動生成報警信息，并允許歸檔和打印報警信息，以備事故分析和故障快速判定。天車設(shè)備全天候監(jiān)控，簡化了天車維護故障判定，為天車可靠運行提供了安全保障。

5 結(jié)語

天車無人化控制系統(tǒng)在國內(nèi)開發(fā)并應(yīng)用尚屬首次。極大降低了天車工勞動強度，顯著提高了天車利用效率，動作“平而不緩”，杜絕鋼卷破包現(xiàn)象發(fā)生；顯著降低了天車設(shè)備故障率，極大延長了天車設(shè)備使用壽命；天車設(shè)備狀態(tài)一目了然，降低了維護人員點檢難度，能夠?qū)崟r監(jiān)控天車設(shè)備狀態(tài)，極大的增加了天車運行的可靠性。

參考文獻：

[1]RAYAK.Analysis of crane and lifting accident in NorthAmerica from 2004 to 2010[D].Austin：The University of Texas，2011.

[2]Blackburn D，Singhose W.Command Shaping for Nonlinear Crane Dynamics[J].Journal of Vibration and Control，2010，16（4）：477-501.

作者簡介：李志亮（1982—），男，河北唐山人，本科，工程師，長期從事PLC編程調(diào)試和HMI界面組態(tài)設(shè)計工作，主持參與過多項煉鋼、煉焦、型鋼電氣編程調(diào)試工作。