尚偉，田有輝，馮洪江，許云鶴

（本鋼信息自動化有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117021）

鋼鐵企業(yè)天車操作大都依靠人工，定位精度不高，運行過程不平穩(wěn)，安全性差，容易誤操作，生產(chǎn)效率低。隨著工業(yè)自動化與人工智能的高速發(fā)展，先進(jìn)的自動化控制技術(shù)完全達(dá)到了無人值守天車的控制要求，可降低企業(yè)的勞動力成本，天車無人化已經(jīng)得到行業(yè)普遍的認(rèn)可。某冷軋廠軋后庫共有四臺天車，已實現(xiàn)酸軋步進(jìn)梁下線、倒庫，連退步進(jìn)梁、鍍鋅步進(jìn)梁上線功能。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，擬通過對天車系統(tǒng)進(jìn)行全面改造，并開發(fā)天車調(diào)度系統(tǒng)、庫區(qū)管理系統(tǒng)，將計劃工單下發(fā)至天車系統(tǒng)來自動控制天車運行，實現(xiàn)天車無人化。本文主要從一級控制層面對無人天車控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1 無人化天車系統(tǒng)架構(gòu)及組成

無人化天車系統(tǒng)包括：天車本體控制系統(tǒng)、天車本體傳動系統(tǒng)、夾鉗系統(tǒng)、防搖控制系統(tǒng)以及地面站PLC控制系統(tǒng)等。天車系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 天車系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Overall Structure Diagram for Travelling Overhead Crane System

1.1 天車本體系統(tǒng)

1.1.1 天車本體控制系統(tǒng)

天車本體控制系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收或采集各種輸入信號，通過預(yù)先制定的規(guī)則（程序）判斷后，輸出給執(zhí)行機構(gòu)，控制天車運行，包括速度控制、位置控制和各種傳感器的數(shù)據(jù)采集等。天車本體控制系統(tǒng)硬件采用西門子S7-300 PLC，系統(tǒng)總線采用Profibus-DP。

1.1.2 天車本體傳動系統(tǒng)

天車本體傳動系統(tǒng)是電機設(shè)備位置控制、速度控制的核心，通過對具體的設(shè)備進(jìn)行辨識及優(yōu)化各控制參數(shù)，保證整個設(shè)備的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速運行。大車、小車、主鉤傳動系統(tǒng)采用ABB ACS800系列變頻器控制，傳動裝置通過Profibus-DP總線接入到天車本體PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。天車本體控制及傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 天車本體控制及傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Controlling of Travelling Overhead Crane Body and Network Structure Diagram for Transmission System

1.2 夾鉗系統(tǒng)

在整個無人天車系統(tǒng)中，夾鉗的自動控制最為重要，為了確保天車在無人條件下，實現(xiàn)自動吊運，需要在夾鉗上安裝各種傳感器，并將傳感器的信息采集到天車本體PLC控制系統(tǒng)，再由天車中樞進(jìn)行統(tǒng)一管理，進(jìn)而實現(xiàn)安全和穩(wěn)定的吊運。夾鉗PLC系統(tǒng)硬件采用西門子 S7-1500 PLC。夾鉗PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾鉗PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Network Structure Diagram for Clamp PLC System

1.3 防搖控制系統(tǒng)

防搖控制系統(tǒng)采用西門子防搖系統(tǒng)［1］，如圖4所示。防搖系統(tǒng)由防搖控制器和攝像頭組成。攝像頭實時拍攝安裝在主鉤側(cè)面的反光板，并將信號傳遞給防搖控制器，防搖控制器根據(jù)拍攝的信號計算出擺幅、擺長等來進(jìn)行控制輸出，防搖控制器通過Profibus-DP總線連接到天車本體PLC系統(tǒng)，將防搖控制輸出值傳遞給天車本體PLC，天車本體PLC則根據(jù)防搖控制器輸出值控制變頻器輸出，進(jìn)行防搖控制。

圖4 防搖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Network Structure Diagram for Anti-swing System

1.4 地面站PLC控制系統(tǒng)

地面站PLC系統(tǒng)采用西門子S7 1200 PLC系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)采集酸軋、連退、鍍鋅機組一級、二級數(shù)據(jù)，包括步進(jìn)梁位置、鋼卷詳細(xì)信息、鋼卷狀態(tài)等，數(shù)據(jù)采用單向傳輸，只接受不發(fā)送，步進(jìn)梁的聯(lián)鎖控制采用雙向傳輸，主要傳輸鎖定和解鎖信息，反饋應(yīng)答。

2 主要控制功能

2.1 大車、小車、主鉤變頻控制

無人天車系統(tǒng)要求控制天車平穩(wěn)的運行，平穩(wěn)的加速及減速離不開變頻控制，并且對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到很及時準(zhǔn)確的檢測而自動采取應(yīng)變措施保護(hù)電機。

調(diào)速方法采用目前國際先進(jìn)技術(shù)，具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻后轉(zhuǎn)速由PLC管理，并進(jìn)行無級調(diào)速。

2.1.1 天車傳動控制優(yōu)點

天車傳動控制采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方法。該方法具有如下優(yōu)點：

（1）再生制動和直流制動把運動中的大車、小車和起重機的速度迅速而準(zhǔn)確地降到0 Hz。

（2）利用變頻調(diào)速結(jié)合電磁制動器，可保持重物在半空中停留一段時間（如重物在半空中平移），可防止平移過程中易出現(xiàn)的瞬間斷電。因此，利用電磁制動器（液壓制動）進(jìn)行機械制動是必須的。

（3）變頻器制動結(jié)合直流制動，可防止變頻器直流回路電壓升高，電容被過充電，變頻器保護(hù)停機。

2.1.2 天車傳動控制注意事項

天車控制系統(tǒng)中還需要引起注意的是防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：

（1）電磁制動器在通電到斷電 （或從斷電到通電）之間是需要時間的，經(jīng)精確測試，大約0.6 s。因此，變頻器如過早停止輸出，將容易出現(xiàn)溜鉤。

（2）變頻器必須避免在電磁制動器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生“過流”而跳閘的誤動作。

（3）制動器的動作由變頻器控制。在抱閘打開前變頻器先建立轉(zhuǎn)矩，達(dá)到一定程度的轉(zhuǎn)矩電流后再打開抱閘，可以防止打開抱閘時瞬時溜鉤。制動器的關(guān)閉則是在電機轉(zhuǎn)速小于一定轉(zhuǎn)數(shù) （10 r/min）抱閘關(guān)閉，這種控制方式能避免抱閘關(guān)閉延時引起的溜鉤。

2.2 天車定位功能

天車大車（X軸）、小車（Y軸）定位采用的是激光定位，主鉤（Z軸）定位采用絕對值編碼器。

2.2.1 X軸、Y軸激光定位

激光定位技術(shù)是比較新的定位技術(shù)，激光定位主要是利用激光具有方向性、單色性以及相干性好，激光束的發(fā)散角很小等優(yōu)點，幾乎是一平行光線。主要應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)、倉儲行業(yè)、港口物流。激光定位的特點：

（1）安裝簡單，適應(yīng)鋼鐵企業(yè)惡劣的工況環(huán)境；

（2）精度高，在廠房內(nèi)精度可控制1 mm以內(nèi)；

（3）成本較低。

2.2.2 Z軸絕對值定位

為了確保無人天車吊運更加精準(zhǔn)，在天車上必須添加Z軸定位設(shè)備（夾鉗高度定位）。所以在本系統(tǒng)中，添加夾鉗絕對值編碼器，亦稱為多圈式絕對編碼器，它是由機械位置確定編碼。其優(yōu)點一是每個位置編碼唯一不重復(fù)，而無需記憶。二是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多，安裝時不需要找零點，將某一位置作為起始點就可以，大大簡化了安裝調(diào)試的難度。

在天車程序控制邏輯中，大車、小車、主鉤還根據(jù)定位值設(shè)置大車、小車，主鉤減速位、停止位等軟限位信號聯(lián)鎖，增加天車運行聯(lián)鎖保護(hù)功能。

2.3 天車防碰撞控制

防碰撞是無人天車的一個安全保護(hù)功能，防碰撞系統(tǒng)采用光柵監(jiān)測技術(shù)，當(dāng)兩臺天車之間的距離接近到一定程度時，光柵發(fā)出的光會打在相鄰天車的反射板上，收到放射信號后，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。控制天車進(jìn)行減速或停車，保證同跨兩臺天車不會發(fā)生碰撞。

2.4 夾具防搖控制

在天車的運動過程中由于速度等因素變化導(dǎo)致天車夾具晃動，夾具的擺動對天車吊運鋼卷產(chǎn)生了一些影響，嚴(yán)重時可導(dǎo)致鋼卷掉落，造成安全事故。傳統(tǒng)的天車運行中，天車操作人員利用速度和經(jīng)驗可以減少夾具擺動，但是在無人天車的系統(tǒng)中，一般都采用防擺控制器控制天車運行速度，自動降低夾具的擺動，進(jìn)而保證無人天車的平穩(wěn)運行。

防擺控制器可根據(jù)感測信號計算得出擺動周期，并根據(jù)擺動周期計算得出大車、小車的減速和加速時間信息。車上變頻器可將減速時間信息轉(zhuǎn)換成減速控制信號，將加速時間信息轉(zhuǎn)換成加速控制信號。大車、小車機械驅(qū)動裝置可以根據(jù)減速或加速控制信號控制天車大車、小車減速或加速移動。

起始階段，通過控制大車、小車加速度，實現(xiàn)物理消擺，在消擺位置大車、小車速度達(dá)到全速，隨后的中間過程大車、小車以最大速度勻速無擺動運行，這樣的控制天車效率最高。當(dāng)天車接近目標(biāo)位置的時候，同樣通過控制大車、小車的加速度，實現(xiàn)與起始階段相反的過程，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的位置上方時，夾具完全消擺，防擺控制原理如圖5所示。

圖5 防擺控制原理圖Fig.5 Anti-swing Control Schematic Diagram

2.5 5G-WIFI雙鏈路通訊控制

天車本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，獲取夾鉗數(shù)據(jù)，主要有夾鉗運行狀態(tài)及夾鉗上傳感器數(shù)據(jù)（負(fù)載感知、加緊感知、對中傳感器、加緊編碼器）等。考慮到天車本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)通訊的重要性，系統(tǒng)采用了5G與WIFI雙鏈路通訊技術(shù)，通過在物理上搭建5G、WIFI雙鏈路網(wǎng)絡(luò)，在天車本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)通訊程序上，建立雙鏈路通訊連接。當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)正常時，天車本體PLC系統(tǒng)與夾鉗PLC系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，自動切換至WIFI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，自動切回到5G網(wǎng)絡(luò)，保證通訊更加可靠。

2.6 天車運行模式控制

為了確保天車在不同條件下都可以穩(wěn)定運行，將天車分為三種工作模式（全自動模式、遠(yuǎn)程控制模式、人工操作模式），進(jìn)而保證天車在特殊環(huán)境或設(shè)備狀態(tài)異常時可以正常運行，具體功能如下：

（1）全自動吊運模式：天車正常工況下運行模式，主要是利用定位和傳感器實現(xiàn)無人的自動吊運功能。

（2）遠(yuǎn)程控制模式：當(dāng)天車的控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者地面有人員進(jìn)行工作時，在天車自動控制系統(tǒng)進(jìn)行切換為無線遙控模式，地面操作人員利用天車遙控器，對天車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控吊運。

（3）人工操作模式：當(dāng)天車無線系統(tǒng)或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，天車調(diào)度系統(tǒng)無法接收到吊運指令，為了保證天車吊運正常運行，需要天車駕駛?cè)藛T登上天車，切換PLC控制手動模式，由人工駕駛天車進(jìn)行鋼卷吊運。

2.7 地面控制中心

地面控制中心主要負(fù)責(zé)監(jiān)控天車運行過程中各種運行狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)采集將天車傳感器、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及監(jiān)控的信息采集到地面控制中心，由控制中心統(tǒng)一進(jìn)行管理，天車地面控制中心畫面如圖6所示。

圖6 天車地面控制中心畫面Fig.6 Travelling Overhead Crane Ground Control Center Screen

具體功能如下：

（1）位置坐標(biāo)監(jiān)控：實時采集天車運動坐標(biāo)，預(yù)測天車的運動軌跡，確保天車行使安全。地面系統(tǒng)要實時了解天車當(dāng)前位置，防止由于調(diào)度給天車系統(tǒng)產(chǎn)生運動風(fēng)險。了解天車實時坐標(biāo)可以優(yōu)化吊運方案，提高天車的吊運效率。

（2）吊運安全監(jiān)控：主要采集天車傳感器信息，如天車擺角、天車間距、天車吊運重量、夾具的旋轉(zhuǎn)角度和夾鉗寬度等。

（3）天車設(shè)備運行狀態(tài)報警：監(jiān)控天車本體設(shè)備運行情況，了解設(shè)備的運行狀態(tài)，如重點設(shè)備出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動報警，提示操作人員，確保天車運行穩(wěn)定。

3 應(yīng)用情況與效果

無人化天車系統(tǒng)改造投入運行后，經(jīng)過連續(xù)720 h測試，各項測試結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)測試表Table 1 System Test Chart

通過表1結(jié)果可以看出，無人化天車相比人工操作天車在控制精度與效率上具有非常明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

無人化天車投入運行后，取得了明顯的效果，能夠提高鋼卷周轉(zhuǎn)速度，提升鋼卷的上料、下料及發(fā)貨的作業(yè)率，同時在提升效率和減少勞動強度的前提下，確保了無人化天車行駛安全、吊運安全。無人化天車與管理系統(tǒng)相配合大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)自動化和信息化程度。相信在不遠(yuǎn)的將來，更多無人化天車應(yīng)用在企業(yè)生產(chǎn)中。