车间智能双梁式起重机中西门子自动化与驱动产品的应用

李斌

[摘    要]介绍西门子SIMATIC S7-300 PLC和S120系列变频器等产品在全自动行车控制系统中组成的系统配置，并从软硬件设计方面，叙述了对关键功能控制的实现。

[关键词]智能行车;精确定位;同步控制;工业无线通信

[中图分类号]TP278 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–00–03

[Abstract]The article introduces the system configuration composed of Siemens SIMATIC S7-300 PLC and S120 series inverters in the fully automatic driving control system; and from the software and hardware design， the realization of the control of key functions is described.

[Keywords]Intelligent crane; precise positioning; synchronous control; industrial wireless communication

1 项目简介

1.1 项目背景

随着中国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领《中国制造2025》的发布。作为制造企业，尤其以钢厂、重型装备、钢结构制作、船舶等国民经济支柱产业为代表，也是行动纲领提出重点发展的十大领域之一，战略地位凸显。中国制造企业逐步实现信息化和工业化深度融合是未来发展的必然选择。

根据《中国制造2025》战略的部署，推进智能化工厂和智能化物流建设被多数大中小型企业选择作为重点改革的切入点。加快实现自动化、数字化、智能化制造进程，构建高价值、高品质、低能耗、低污染的新型生产管理模式，对车间智能物流及智能化行车系统的需求愈加急切。

对于制造企业而言，依赖大量人力、物力的传统车间物流系统存在着人工成本高、送料时间长、送错料和丢物料现象严重等诸多问题，而这些问题也直接导致了企业运营成本上升、生产损耗增加、生产效率低下。在此背景下，车间引入智能行车物流系统成为必选之路，以期通过自动化物流系统的应用，解决车间在物流生产阶段所面临的种种弊端，从而提升车间资源配置的合理度，提高企业的生产效率，减少生产损耗，提高企业的竞争力。

1.2 机构介绍

1.2.1 起升机构

起升机构由两台变频器和两台交流变频电机驱动，电机通过高速联轴器与减速箱输入轴相连。两个钢丝绳卷筒通过两个低速联轴器与减速箱输出轴相连。高速联轴器和卷筒联轴器将电机产生的驱动力矩经减速箱放大后传递到卷筒上，通过钢丝绳缠绕系统及提升系统（电磁吊具）提升或下降货物。

起升机构设有行车重量检测、位置检测和速度检测等安全联锁保护装置。

1.2.2 小车机构

小车行走机构驱动行车沿着小车轨道行走。采用一台变频器和两台交流变频电动机驱动。

小车机构设有位置检测和速度检测等安全联锁保护装置。

1.2.3 大车机构

大车行走机构驱动行车沿着大车轨道行走。采用两台变频器和四台交流变频电机驱动。其中一台变频器驱动两台交流变频电机。

大车机构设有位置检测和速度检测等安全联锁保护装置。

1.2.4 操作界面

配置一个无线遥控手柄，在实际使用中对各机构进行单独操作。配置一个地面操作站，在实际使用中对各机构进行单独操作，此操作站还可监控行车本地状态。配置一个中控远程操作站，在实际使用中对各机构进行集中控制，此操作站还可以监控整个行车系统状态。

1.3 设备工艺介绍

全自动智能行车由钢结构部分、起升机构、小车机构、大车机构、电磁吊具、机上电气设备和自动化控制等组成。智能行车为自动化物流系统的重要设备，用于钢板的搬运、堆放和存储。

该智能行车除了具有通用行车的基本功能外，还能与车间物流系统进行对接，实现物料的自动搬运。智能行车的所有动作按照车间中控系统所发出的指令来完成。

该智能行车用于对钢板的搬运、堆放和存储，能精确地搬运钢板至指定位置，且完成钢板的堆叠。全自动智能行车与普通行车不同，除了完成普通的钢板搬运外，还需具备精确的定位功能。

2 车间信息系统架构

车间信息网络架构模型：

本项目中，采用底层传感器、现场控制器PLC、数据采集与监控系统CMS和中控执行系统MES组成的系统网络构架作为流程控制的信息构架标准。

这种信息构架更适合于现代化的车间结构，信息的形式清晰明确，反馈信息自下而上，控制信息自上而下，各功能块之间界面分明，适用性强，适用范围更广。

此外，将来实现车间网络互通之后，基于互联网技术，可以实时监控车间内所有的智能行车运行情况，实现车间的信息化管控。

3 控制系统构成

如图1所示，控制系统采用SIMATIC300的配置方案，采用PROFIBUS DP作为通信网络连接各个部分。电气系统采用西门子S7-300PLC和西门子S120变频器进行全闭环运动控制，精度更高，速度更快，可靠性稳定。另外利用人机界面修改钢板库位和操作流程，更加方便直观（图2）。具体电气部分以及功能如下：

（1）整机采用西门子SIMATIC300控制。SIMATIC ET 200M为可扩展分布式I/O系統，通过现场总线将过程信号连接到上层控制器。ET 200M凭借其智能的分布式功能，极大地节省控制柜中的安装空间和应用成本。

（2）整机驱动采用西门子S120变频器。S120变频器用来驱动三相交流电动机，实现精确而又经济的转速控制。

起升机构采用两个变频器分别驱动，同步控制保证同步性能，并且在起升机构的电机卷筒侧安装绝对值编码器，采用绝对值编码器定位，保证了起升方向的位置精度。

小车方向采用SICK激光测距仪定位，保证了小车方向的位置精度。

大车方向采用格雷母线定位，格雷母线定位系统在大车行程内铺设一条格雷母线，通过探头读取格雷母线编码，保证了大车无论在任何位置都有一绝对值编码与其对应，保证了大车方向的位置精度。在两台行车大车行走机构的相对位置装有防撞的停车限位开关，确保行车大车行走的安全。

（3）人机界面。配置一个KTP700，实际使用中对各机构进行单独操作，并且监控行车本地状态。配置一个中控远程操作站，实际使用中对各机构进行集中控制，并且监控整个行车系统状态。

（4）无线网络。由于行车不能直接采用有线通信和调度系统等外部设备连接。无线网络的稳定性决定了行车与外部系统之间的通信是否顺畅，外部系统能否及时准确地了解行车的运行状态。因此，一套稳定的无线通信网络系统至关重要。

4 控制系统完成的功能

4.1 起升同步功能

常规行车仅配置一台起升电机，而本项目基于新型起升钢丝绳缠绕方案设计，配置两台起升电机，布置在小车架的左右两侧，各自独立驱动两侧的起升卷筒。双电机同步运行，实现常规的起升动作。

通过程序中的同步指令控制，起升的同步效果非常理想，速度和位置的同步非常平稳。机械系统运行过程平稳，在保证精度的基础上，负载可以均衡地分布在双轴上，电机工况良好，无过载、偏载等现象发生。

4.2 各机构精確定位功能

起升机构采用电机卷筒侧安装绝对值编码器定位。绝对值编码器测量数据为绝对的角度，且在断电时也可存储，恢复供电时可节省复位的麻烦。旋转角度数字输出，不会因干扰发生数据错乱。通过皮尺实际量取两个高度值，通过方程y=kx+b，计算实际起升高度。

小车机构采用SICK激光测距仪测距，测距仪安装在小车轨道方向的大梁上，同时在大梁顶端还装有反光板，通过读取到的数据，计算出小车当前位置。同时为了防止单侧激光测距仪损坏导致位置故障发生的情况，本项目同时安装两个激光测距仪，在行车正常运行过程中，程序中设置两个位置比较，进行冗余检测，防止某个测距仪突然出现故障而没有被检测到，以提高系统的可靠性和安全性。

大车机构采用格雷母线定位，格雷母线定位系统在大车行程内铺设一条格雷母线，通过探头读取格雷母线编码，保证了大车无论在任何位置都有一绝对值编码与其对应。

4.3 无线网络通信

由于行车与中控系统之间无法通过有线通信连接，因此只能通过无线通信网络技术。采用无线通信网络技术解决了传统有线通信网络连接中的弊端，可以同时调度多台行车同时运行，这种控制方式更加简单、可靠。在无线局域网的应用中，良好稳定的无线网络信号对保证正常的通信非常重要（图3）。

5 结束语

智能自动化行车和普通行车相似，都是用于搬运、堆放和存储钢板，但智能自动化行车整机无人操作，采取全自动工作方式，需解决钢板和行车吊具之间的定位问题。

智能自动化行车，实现了在车间对钢板的自动搬运和堆放。搬运和堆放时能完成精准的定位，定位精度在10 mm以下，大车运行速度达到60 m/min，小车运行速度达到30 m/min，起升运行速度达到8 m/min，额定负载质量为16 t。

智能自动化行车所要求的定位精度较高。中控系统给出特定的坐标位置后，能快速地定位到所给出的坐标位置，且能完成无人操作的自动搬运和堆叠。相比传统行车，可大幅减少人员操作和维修管理成本，大幅提高车间的物流运转效率和生产效率。

参考文献

[1] 刘亚鹏，赵锋，冯振明.西门子自动化与驱动产品在门式斗轮机纠偏控制系统中的应用[J].电子世界，2019（5）：158-161.