基于PLC的天车无人化控制系统设计研发及应用

【摘 要】介绍全国首家天车无人化控制系统设计及应用。该系统结合传感器技术、PLC技术拟合曲线法研发了摆角控制技术，实现了天车多模式控制、全自动运行、设备全天候监视和钢卷跟踪等功能。应用表明，系统显著提高了天车效率和平稳度，降低了天车工劳动强度和天车点检难度，增加了天车可靠性。为库房管理和物流工艺发展升级提供了坚实的设备基础。

【关键词】天车控制 天车无人化 PLC 摆角控制 全天候监视

1 引言

目前，国内外绝大多数天车控制模式中，均采用纯电气控制。在很大程度上限制了天车控制水平进步、库房管理和物流工艺的发展和升级。传统天车，操作工长期暴露在危险环境下从事高强度重复性劳动；天车利用效率低，动作平稳程度不高；天车属于高空作业，设备不易点检，故障不易发现[1]。唐钢于2014年着手自主研发并最终在国内首次应用天车无人化控制系统很好的解决了这些问题。

2 设计方案

以实现天车全自动和天车设备全天候监控为目的，综合无线网络技术、PLC控制技术和HMI技术，设计天车无人化控制系统。一套可靠的PLC系统，需要具备多种环境下的处置能力，据此采用手动模式、自动模式、遥控模式、维护模式四结合的原则，实现天车控制方式多样化。基于面向对象原则，将系统划分为命令层、基础层、执行层，如图1所示，依托现场总线技术和无线通讯技术串接PLC控制系统、传感器、传动设备，实现控制精准化。明确控制对象，划分控制功能，分别为大车控制、小车控制、主钩升降控制、主钩旋转控制、天车摆角控制、天车防撞控制、夹钳控制、钢卷跟踪、事件中断及手动干预的处理、参数设定、故障报警、人机接口等功能。作为智能化库房的设备控制部分，建立完善的通讯结构，保障系统与WMS进行实时数据通讯，接收WMS下發工单，反馈天车和钢卷信息，生成信息数据流，为生产物流提供数据支撑。

图1 控制系统层次划分及系统结构图

3 硬件结构

采用西门子S7-300 PLC及ET200远程站做为控制架构，组成命令层，结合传感器状态，经由连锁和逻辑判断对执行层下达具体动作命令；执行层包括ABB变频器及其控制的电机等传动装置，通过Profibus工业总线接收命令层指令进行电机等设备的动作；基础层由各种传感器组成，对天车实际动作和当前状态进行检测，并反馈到命令层PLC中，作为PLC系统命令的触发与连锁信号。

4 功能技术研发实现

系统采用模块化组织架构，按照不同功能划分各个功能块，使用SCL语言编程。

4.1设备控制功能研发实现

手动和遥控控制采用循环顺序控制方式，即由主程序依次调用手动控制模块和遥控控制模块，实现逻辑的顺序执行，用以保证天车非常规工作的使用，继承传统天车的控制功能。自动控制采用定时扫描控制方式，即每50ms运行一次循环，调用一次自动控制模块，有效保证系统自动运行和DP通讯的可靠性，实现天车无人化的目的，如图2所示。维护模式采用继电器控制，完全脱离PLC控制，用于PLC系统产生严重故障或天车其它设备产生致命错误时。

图2 手动和遥控控制功能结构图

4.2钢卷跟踪技术研发实现

钢卷跟踪的工作对象是指钢卷在库房内由天车动作所引起的一系列位置和状态变化，其目的是通过确定钢卷在库房内具体垛位的位置和状态决定是否启动相关的功能程序，对跟踪的钢卷准确地进行各种控制、数据采样、操作指导并将其跟踪信息发送至HMI人机界面，实现天车设备全天候监控。钢卷跟踪是天车全自动控制的重要手段，其功能的高低直接影响着天车控制系统的自动化水平。跟踪由PLC完成，毫秒级的循环周期保证了跟踪的实时性和准确性。在天车工作时，钢卷跟踪实时监控大车位置、小车位置、主钩高度、夹钳宽度、负载信号等，依据内部逻辑综合判断天车动作所在过程；实时记录取放卷垛位信息及钢卷信息等。汇总所有信息形成以时间为X轴，空间为Y轴，钢卷信息为Z轴的跟踪信息。钢卷跟踪功能实现了在天车多模式控制下，钢卷信息流的连续性，使库区智能化管理成为可能。

4.3天车摆角自动控制功能研发实现

天车全自动控制运行时最显著的特性之一[2]，就是天车移动和停止过程中主钩摆幅很小、摆角可控，特别是表现在动态取、放卷时，主钩摆角能够控制在0.5度以内。这为天车精确定位和安全取、放卷提供了坚实基础，有效保障了钢卷在库房内的精准码放。天车摆角的产生原因是天车在变速运动中钢卷速度变化滞后于大车和小车速度变化，因此控制天车摆角就是消除这种速度变化的不同步。天车摆角控制的过程是将主钩摆角分解成水平坐标系内的X轴和Y轴两个方向，分别对应摆角仪的大车和小车方向的角度反馈，通过判断主钩摆动方向不断修正大车和小车行进速度，使主钩摆动与大车、小车动作形成相互追逐的状态，从而减小主钩摆角。采用摆角检测技术和拟合曲线法，研发的天车摆角自动控制方法，很好的实现了天车无惯性摆动运行。

4.4天车设备全天候监控研发实现

基于WINCC系统和无线网络的应用，将天车设备状态采集到操作室，使操作工和维检人员能够实时监控设备状态，并及时发现异常和故障。天车设备全天候监控能够实时接收设备状态扫描信息，能够自主判定当前各项设备是否正常，并以不同颜色和闪烁效果显示在相应的监控屏幕上，还能够跟踪当前天车行走路径，并根据钢卷目标位置指导天车行进方向，形成“钢卷陀螺仪”的效果。天车设备全天候监控能够自动生成报警信息，并允许归档和打印报警信息，以备事故分析和故障快速判定。天车设备全天候监控，简化了天车维护故障判定，为天车可靠运行提供了安全保障。

5 结语

天车无人化控制系统在国内开发并应用尚属首次。极大降低了天车工劳动强度，显著提高了天车利用效率，动作“平而不缓”，杜绝钢卷破包现象发生；显著降低了天车设备故障率，极大延长了天车设备使用寿命；天车设备状态一目了然，降低了维护人员点检难度，能够实时监控天车设备状态，极大的增加了天车运行的可靠性。

参考文献：

[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.

作者简介：李志亮（1982—），男，河北唐山人，本科，工程师，长期从事PLC编程调试和HMI界面组态设计工作，主持参与过多项炼钢、炼焦、型钢电气编程调试工作。