楊政杰

（中信重工開誠智能裝備有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

天車是工廠內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)、搬運(yùn)或設(shè)備維修過程中必備的設(shè)備，在工業(yè)廠房中廣泛存在，使用頻繁。天車往往是在建廠之初進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝的，其載重量無法改變，天車的價(jià)格往往也是隨著載重量的提升而升高。伴隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化、智能化升級(jí)，大型化、重型化設(shè)備的廠內(nèi)運(yùn)輸任務(wù)逐步增多，對(duì)于大型化、重型化設(shè)備的廠內(nèi)運(yùn)輸任務(wù)，采用兩臺(tái)天車協(xié)同作業(yè)的方式[1]可以更好地實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)的雙臺(tái)天車同步吊運(yùn)往往采用多人協(xié)作、人工手動(dòng)控制方式，將吊裝物體固定后，操作人員憑經(jīng)驗(yàn)同時(shí)操控兩臺(tái)天車進(jìn)行同步運(yùn)行。運(yùn)行過程中的安全性、穩(wěn)定性、精確性存在較大的不確定性?；诠S內(nèi)的雙天車同步需求，有必要設(shè)計(jì)一種操控便利、控制精度更高、安全系數(shù)更強(qiáng)、效率提升的雙天車同步控制系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件系統(tǒng)組成

雙天車同步控制系統(tǒng)主要包括操控系統(tǒng)、天車1控制系統(tǒng)及天車2控制系統(tǒng)，其中天車1控制系統(tǒng)（天車2控制系統(tǒng)）包括傳感器系統(tǒng)1（傳感器系統(tǒng)2）、PLC控制系統(tǒng)1（PLC控制系統(tǒng)2）、起升控制系統(tǒng)1（起升控制系統(tǒng)2）、大車控制系統(tǒng)1（大車控制系統(tǒng)2）及小車控制系統(tǒng)1（小車控制系統(tǒng)2），硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件系統(tǒng)介紹

雙天車同步控制系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)作為控制核心，可接收操控界面系統(tǒng)下發(fā)的指令數(shù)據(jù)，傳感器系統(tǒng)采集的距離信息，起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)和小車控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)及另外一臺(tái)天車的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，PLC控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，經(jīng)特定算法運(yùn)算處理，給出運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)，將對(duì)應(yīng)運(yùn)行數(shù)據(jù)下發(fā)給起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)，同時(shí)PLC控制系統(tǒng)將起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息反饋給操控界面系統(tǒng)，也將當(dāng)前天車的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到另外一臺(tái)同步控制的天車PLC控制系統(tǒng)。操控界面系統(tǒng)可選擇天車工作模式，即天車為單獨(dú)工作模式或同步工作模式，單獨(dú)工作模式只可控制選定的天車，同步工作模式可將選定的一臺(tái)天車作為主天車，另一臺(tái)天車作為隨動(dòng)對(duì)象，跟隨主天車的動(dòng)作運(yùn)行。傳感器系統(tǒng)分別采集起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)運(yùn)行距離，并將距離信息發(fā)送給PLC控制系統(tǒng)，由起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)控制天車運(yùn)行方向和運(yùn)行速度。

2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 操控系統(tǒng)

操控系統(tǒng)使用定制遙控器作為整個(gè)系統(tǒng)的操作部分，通過設(shè)定操控系統(tǒng)界面上的控制方式選擇天車為同步運(yùn)行模式或單車運(yùn)行模式。如選定雙天車同步運(yùn)行模式，需選定其中一臺(tái)天車作為主天車，另外一臺(tái)作為從天車，在設(shè)定主、從天車運(yùn)行時(shí)的間隔距離后，如操控主天車運(yùn)行，此時(shí)從天車會(huì)隨動(dòng)運(yùn)行。單車運(yùn)行模式，即操控其中一臺(tái)天車運(yùn)行，可設(shè)定單車需要運(yùn)行的目標(biāo)距離。操控系統(tǒng)可將發(fā)出的指令信號(hào)傳給PLC模塊[2]，同時(shí)接收PLC控制系統(tǒng)發(fā)送回的天車狀態(tài)。

2.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)作為核心控制部分，其主要作用包括接收其他系統(tǒng)發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，向其他系統(tǒng)發(fā)送控制命令及向其他系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前天車運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。其中接收其他系統(tǒng)發(fā)來的命令或數(shù)據(jù)主要包括接收操控系統(tǒng)發(fā)送的命令，接收傳感器系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，接收另外一臺(tái)天車系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，接收起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算處理主要包括處理接收到的傳感器數(shù)據(jù)信息，對(duì)采集數(shù)據(jù)采用合適的實(shí)時(shí)數(shù)字濾波方法來消除干擾[3]，再通過PID運(yùn)算得出對(duì)應(yīng)的起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)需要的運(yùn)行方向和速度，數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算處理也包括處理另外一臺(tái)天車的信息數(shù)據(jù)，時(shí)刻判斷另外一臺(tái)天車的運(yùn)行狀態(tài)，保證雙天車同步運(yùn)行的安全性；向其他系統(tǒng)發(fā)送控制命令及當(dāng)前天車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括向操控系統(tǒng)發(fā)送天車運(yùn)行位置及狀態(tài)信息、傳感器系統(tǒng)狀態(tài)信息及起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)狀態(tài)信息，向起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)發(fā)送計(jì)算后得出的運(yùn)行方向和速度，如果是主天車，還會(huì)向另外一臺(tái)天車發(fā)送啟、停命令及當(dāng)前天車的運(yùn)行狀態(tài)，如果是從天車，則向另外一臺(tái)天車發(fā)送當(dāng)前天車的運(yùn)行狀態(tài)。PLC控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)判斷其他系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，當(dāng)其他系統(tǒng)異常時(shí)，會(huì)及時(shí)向操控系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)根據(jù)報(bào)警類型選擇是否停止天車相關(guān)的運(yùn)行動(dòng)作。

2.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要功能為反饋天車當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置及傳感器系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)時(shí)位置主要包括起升控制系統(tǒng)主鉤位置、大車控制系統(tǒng)大車位置及小車控制系統(tǒng)小車位置。傳感器系統(tǒng)會(huì)將天車的實(shí)時(shí)位置及傳感器狀態(tài)信息發(fā)送給當(dāng)前天車的PLC控制系統(tǒng)。

2.4 起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)

起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)主要為天車的行走動(dòng)力部分，采用變頻器控制變頻電機(jī)的控制模式。PLC與變頻器之間通過Profinet現(xiàn)場總線進(jìn)行通信[4]，變頻器運(yùn)行狀態(tài)通過通信網(wǎng)絡(luò)反饋給PLC控制系統(tǒng)，同時(shí)接收PLC控制系統(tǒng)發(fā)來的啟、停命令及對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方向及運(yùn)行速度。

2.5 通信系統(tǒng)

各個(gè)系統(tǒng)之間采用無線和有線系統(tǒng)結(jié)合[5]的通信方式，其中PLC控制系統(tǒng)、起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)、小車控制系統(tǒng)及傳感器系統(tǒng)之間采用有線通信，操控系統(tǒng)及雙天車之間采用無線通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享[6]。PLC控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間編制了通信超時(shí)判斷程序，可判斷系統(tǒng)之間通信是否出現(xiàn)故障現(xiàn)象。通信系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 通信系統(tǒng)原理圖

3 程序編輯

采用S7-1500系列PLC，結(jié)合博途軟件[7]進(jìn)行程序編輯，通過這些程序塊完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯、信息傳遞及安全保護(hù)功能。程序主要包括：控制起升變頻器、大車變頻器及小車變頻器啟動(dòng)、停止、運(yùn)行方向及運(yùn)行速度的程序塊；采集起升變頻器、大車變頻器及小車變頻器信息狀態(tài)及傳感器反饋距離信息的程序塊；對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理運(yùn)算的程序塊；對(duì)天車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷處理的程序塊；與操控系統(tǒng)信息交互的程序塊；與另一臺(tái)天車運(yùn)行信息交互的程序塊；通信超時(shí)判斷程序塊；手動(dòng)/自動(dòng)切換程序塊。部分程序如圖3所示。

圖3 雙天車同步控制系統(tǒng)部分程序

4 操作說明

操控系統(tǒng)使用自帶系統(tǒng)的手持遙控終端，手持遙控終端主要部件包括處理器、無線終端、天線、顯示屏、搖桿、操作按鈕及急停等。操控人員可通過手持遙控終端顯示屏選擇天車的運(yùn)行模式，可寫入起升控制系統(tǒng)、大車控制系統(tǒng)及小車控制系統(tǒng)需要運(yùn)行的距離，同時(shí)顯示屏可顯示雙天車同步控制系統(tǒng)中兩臺(tái)天車的運(yùn)行狀態(tài)。無線終端及天線主要作為無線通信的設(shè)備，提供與PLC控制系統(tǒng)的通信通道。搖桿、操作按鈕及急停為人工手動(dòng)操控天車的遙控器，在單天車手動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，操控人員可直接通過操控?fù)u桿控制天車各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程中，雙天車同步控制系統(tǒng)可通過操控系統(tǒng)選擇天車的運(yùn)行模式。單天車自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，設(shè)定好單天車運(yùn)行的目標(biāo)位置后，啟動(dòng)天車，單臺(tái)天車能夠自動(dòng)運(yùn)行至目標(biāo)位置；單天車手動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，操控人員通過操控?fù)u桿及按鈕將天車運(yùn)行至目標(biāo)位置；雙天車自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，兩臺(tái)天車運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置后，通過操控系統(tǒng)選擇雙天車同步控制模式，選定主、從天車，將當(dāng)前雙天車的間隔距離作為雙天車同步運(yùn)行時(shí)的間隔保持距離。在確認(rèn)雙天車同步控制系統(tǒng)無報(bào)警信息后，輸入主天車運(yùn)行目標(biāo)位置，啟動(dòng)雙天車同步控制系統(tǒng)，主天車自動(dòng)運(yùn)行，從天車進(jìn)行跟隨運(yùn)行。

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖4所示，DATA.LS為主天車大車移動(dòng)軌跡，DATA.LS_1為從天車大車移動(dòng)軌跡，DATA.datemp為誤差值。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)監(jiān)控表明，雙天車運(yùn)行平穩(wěn)，同步性能較好。

圖4 雙天車位置跟隨曲線

6 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)過程中，操控系統(tǒng)作為天車的模式選定及指令下發(fā)設(shè)備，能夠正常操控天車模式的切換及對(duì)應(yīng)的運(yùn)行操作，選定單車運(yùn)行模式，天車單獨(dú)工作正常，設(shè)定目標(biāo)距離自動(dòng)運(yùn)行后，自動(dòng)運(yùn)行定位精度較高；雙天車同步運(yùn)行模式，兩臺(tái)天車在啟動(dòng)、運(yùn)行及停止過程中，狀態(tài)平穩(wěn)，聯(lián)動(dòng)效果較好，經(jīng)過多次測試，兩臺(tái)天車間在三個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的誤差較小，在超出設(shè)定誤差后能及時(shí)報(bào)警并停車。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙天車同步控制系統(tǒng)在兩臺(tái)天車的同步控制過程中運(yùn)行安全、可靠、精度高，在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中能提高廠內(nèi)工作效率，減少人力資源的浪費(fèi)。