王蘇平，潘恒韜，王 棚，沈 平，候方羊，吳文浩

（江西新鋼南方新材料有限公司，江西新余 338000）

0 引言

目前國內冷軋廠生產(chǎn)線人工打包區(qū)均采用三級下發(fā)計劃，操作工打印紙質計劃，操作工指吊入位，人工糾偏，指吊工指揮天車按照之前選好的位置入庫。傳統(tǒng)人工打包作業(yè)中途可能遇到發(fā)貨卷被壓、抄卷工庫內找卷找位、超出天車工作范圍等情況，極大影響了生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)奏，增大了工人的勞動強度。打包區(qū)天車自動作業(yè)系統(tǒng)具備精確定位的功能，可以將天車大車控制在30 mm 范圍以內，天車小車控制在10 mm 范圍以內，實現(xiàn)打包材料定位放置，提高打包的速度。并將原來的二次起吊打包變成一次放置完后就打包完成。

天車自動作業(yè)系統(tǒng)通過按鈕方式完成人機交互，其中，“允許打包”按鈕代表當前打包位沒有鋼卷并且已經(jīng)鋪好打包材料；“打包完成”按鈕代表當前打包位的鋼卷已經(jīng)打好包的并且沒有人員作業(yè)，可以吊卷入庫。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

在多數(shù)的冶金庫區(qū)，都會涉及到天車的作業(yè)。傳統(tǒng)工作方式是由地面上的天車指揮人員（指車工），通過對講機指揮天車操作工，完成天車作業(yè)任務。不同天車有不同的指揮人員指揮作業(yè)，由于天車軌道較長、地面指揮人員視野狹窄以及各指揮人員之間溝通不暢等因素，在多臺天車同時執(zhí)行任務的過程中，一臺天車等待另一臺天車，甚至倒車的情形時有發(fā)生，不僅嚴重影響正常的作業(yè)生產(chǎn)，而且存在很大安全隱患。

2 行車主鉤晃動糾偏及安全措施

天車鋼絲繩在行車啟動時，由于慣性作用，主鉤與行車大梁不處于垂直90°位置，需要PLC 控制車體運行作業(yè)，否則行車主鉤會發(fā)生嚴重傾斜，無法安全、有效地進行物料的抓取和卸載作業(yè)?？紤]上述因素的影響，結合天車無人駕駛的防搖擺技術，在原有的主鉤定位系統(tǒng)加裝防搖擺裝置實現(xiàn)晃動糾偏。通過安全防護算法實現(xiàn)安全的自動作業(yè)。防搖擺裝置裝在行車主鉤鉤頭（發(fā)射端）和小車上（接收端）。大車作業(yè)過程中，如果主鉤傾斜度大于0.3°，則PLC 防搖擺控制系統(tǒng)自動介入控制。如果由于外部原因，PLC 系統(tǒng)控制介入后仍無法消除主鉤傾斜，且傾斜角度大于0.5°，則控制大車停止作業(yè)，以保證人員和設備的安全。安全措施和晃動糾偏屬于設備層次的改造，是打包區(qū)天車自動作業(yè)系統(tǒng)順利投入必備條件。

行車的加速或減速會導致夾鉗的擺動。行車的行駛速度越快，夾鉗的搖擺幅度越大。為確保無人行車以較快的速度運行，采用閉環(huán)防搖控制系統(tǒng)增強防搖的效果。在動態(tài)取卷和放卷過程中，一般要求吊具擺角在0.5°以內，否則將無法實現(xiàn)鋼卷在庫房內的精準碼放。如果吊具下部擺動幅度較大，將影響行車取卷和放卷，降低生產(chǎn)效率，嚴重時會造成吊具與鋼卷磕碰、導致鋼卷質量問題。

擺角產(chǎn)生的原因是吊具與行車卷揚機之間采用柔性連接，在行車變速運動過程中，由于慣性作用，吊具的速度變化不可避免地會滯后于大車和小車。為了降低速度變化的不同步，可以通過擺角檢測儀檢測出大車及小車移動時的擺角，由行車PLC 根據(jù)擺角的大小與方向計算出補償速度，然后疊加到大車及小車的控制速度上，以此控制行車吊具的擺動（圖1）。

圖1 速度補償原理

行車PLC 把大車及小車的運行速度及位置等數(shù)據(jù)信息發(fā)送到擺角控制器，擺角控制器接收擺角檢測儀檢測出的大車及小車擺角后，再結合大車及小車的實時運行數(shù)據(jù)，計算出擺角補償速度，然后發(fā)送給行車PLC，行車PLC 把補償值疊加到速度設定值上，并通過PROFIBUS-DP 總線發(fā)送給傳動裝置，控制大、小車的速度。防搖控制系統(tǒng)采用西門子SATEC 光學閉環(huán)防搖系統(tǒng)，其典型配置如圖2 所示。

圖2 SATEC 光學閉環(huán)防搖系統(tǒng)典型配置

3 行車自動控制

行車自動控制功能包括操作方式、行車本體自動控制系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)、定位控制系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、吊具控制系統(tǒng)、防搖擺控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，實現(xiàn)行車無人駕駛、精準定位、自動吊放鋼卷等功能。

3.1 操作方式

行車的操作方式包括自動、手動、遙控及維修操作方式操作行車，電源的啟動、停止、急停和所有機構均可在遙控器上集中操作。行車控制系統(tǒng)與庫管理系統(tǒng)對接，可實現(xiàn)行車的無人自動操控。

3.2 自動控制系統(tǒng)

自動行車控制系統(tǒng)處理行車上所有傳感器信號，保證行車的安全運行，完成庫管系統(tǒng)下達的作業(yè)指令。系統(tǒng)選用西門子PLC產(chǎn)品，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與地面庫管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，主要包含以下功能：①吊具控制；②行車橫向、縱向、主鉤升降協(xié)同控制功能；③速度控制、位置控制及計算停止距離功能；④安全高度控制功能；⑤自我診斷功能：判斷行車是否有故障，根據(jù)行車故障狀態(tài)決定是否進行下一步動作；⑥主鉤起升高度定位功能；⑦機械保護功能，包括限位開關（含預限位開關）、超速開關、登機門開關、起重機防撞等；⑧電氣系統(tǒng)故障報警，包括欠電壓、過電流、過熱、調速裝置故障等；⑨配置有PLC 工程師站，通過WinCC軟件可以實時查看變頻器、電機及各個開關量的實時狀態(tài)，并可通過STEP7 軟件讀取、修改、保存控制程序。

系統(tǒng)電源由獨立于動力電源和照明電源的控制電源提供。PLC 為框架式，各功能模塊為插件式，便于擴展、更換和維修保養(yǎng)。PLC 的功能滿足整機控制和管理的要求，所提供的模擬、數(shù)字I/O 點和主機存貯器都留有至少10%的裕量，以保證系統(tǒng)的可靠運行及未來的擴展需求。I/O 模塊采用AC 220 V 電壓等級。

4 傳動控制系統(tǒng)

無人行車控制系統(tǒng)在大車、小車、主鉤升降及旋轉裝置增加西門子S120 系列變頻器，在電機非負荷側安裝增量式編碼器，并加裝保護罩，以減少振動，提高測量精度和使用壽命，實現(xiàn)變頻器矢量閉環(huán)控制。變頻器的技術要求為：①大車、小車、起升各機構采用變頻調速，大車采用一拖二控制方式；②大車、小車、起升各機構變頻調速采用帶編碼器的閉環(huán)控制；③具備閉環(huán)矢量控制功能；④支持PROFINET 或PROFIBUS-DP 總線；⑤采用4096 線以上精度的增量式編碼器。

5 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

無人行車系統(tǒng)與地面管理系統(tǒng)之間時刻都有大量的數(shù)據(jù)交互。在行車快速行駛的過程中，必須保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。本系統(tǒng)的無線通信采用基于無縫漫游的無線局域網(wǎng)技術，無線網(wǎng)絡接入點都支持iPCF 協(xié)議，在不同的通信節(jié)點之間切換時間低于100 ms。無線局域網(wǎng)絡搭建完成后，可以通過遠程操作對各無線接入點的配置參數(shù)進行管理和修改，行車上無線AP節(jié)點需單獨設計防護支架，防止振動造成的信號不穩(wěn)定。支持2.4 GHz、5 GHz 通信頻段，使用支持802.11n 標準無線網(wǎng)絡，以實現(xiàn)行車行駛時候在不同無線接入點之間的快速漫游切換。無線接入點安裝在箱體內。每個接入點都帶多個外接全向天線。

無人行車系統(tǒng)要求地面和車上系統(tǒng)之間必須有安全穩(wěn)定快速的數(shù)據(jù)通信，包括：①行車系統(tǒng)與地面庫管系統(tǒng)之間的通信；②行車系統(tǒng)與庫區(qū)安全圍欄系統(tǒng)的通信；③行車系統(tǒng)與地面移動設備（輥道、過跨車等）PLC 的通信。采用802.11 a/b/g combo type，DSSS 方式；通信頻段2.4 GHz、5 GHz；傳輸速率11～54 Mbps；最大通信距離100 m，無指向性。硬件設備包括交換機、光電轉換器、柜子、其他附件。

6 趨勢分析

無人天車、天車智能化運行是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢。目前，越來越多的庫區(qū)實施了天車無人化控制，天車由庫管系統(tǒng)下發(fā)的具體路徑信息實現(xiàn)無人自動取放吊。但由于庫區(qū)環(huán)境多變，在路徑信息中存在多個避讓點的情況，天車需到達避讓點后停車，再進入下一個避讓點，需要頻繁啟動、停止、加速、減速，這在一定程度上影響了天車的整體運行效率。但是天車無人控制系統(tǒng)的應用，提升了設備的整體效率。