車間智能雙梁式起重機中西門子自動化與驅(qū)動產(chǎn)品的應(yīng)用

李斌

[摘 ? ?要]介紹西門子SIMATIC S7-300 PLC和S120系列變頻器等產(chǎn)品在全自動行車控制系統(tǒng)中組成的系統(tǒng)配置，并從軟硬件設(shè)計方面，敘述了對關(guān)鍵功能控制的實現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞]智能行車;精確定位;同步控制;工業(yè)無線通信

[中圖分類號]TP278 [文獻標志碼]A [文章編號]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 項目簡介

1.1 項目背景

隨著中國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)《中國制造2025》的發(fā)布。作為制造企業(yè)，尤其以鋼廠、重型裝備、鋼結(jié)構(gòu)制作、船舶等國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)為代表，也是行動綱領(lǐng)提出重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，戰(zhàn)略地位凸顯。中國制造企業(yè)逐步實現(xiàn)信息化和工業(yè)化深度融合是未來發(fā)展的必然選擇。

根據(jù)《中國制造2025》戰(zhàn)略的部署，推進智能化工廠和智能化物流建設(shè)被多數(shù)大中小型企業(yè)選擇作為重點改革的切入點。加快實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、智能化制造進程，構(gòu)建高價值、高品質(zhì)、低能耗、低污染的新型生產(chǎn)管理模式，對車間智能物流及智能化行車系統(tǒng)的需求愈加急切。

對于制造企業(yè)而言，依賴大量人力、物力的傳統(tǒng)車間物流系統(tǒng)存在著人工成本高、送料時間長、送錯料和丟物料現(xiàn)象嚴重等諸多問題，而這些問題也直接導(dǎo)致了企業(yè)運營成本上升、生產(chǎn)損耗增加、生產(chǎn)效率低下。在此背景下，車間引入智能行車物流系統(tǒng)成為必選之路，以期通過自動化物流系統(tǒng)的應(yīng)用，解決車間在物流生產(chǎn)階段所面臨的種種弊端，從而提升車間資源配置的合理度，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)損耗，提高企業(yè)的競爭力。

1.2 機構(gòu)介紹

1.2.1 起升機構(gòu)

起升機構(gòu)由兩臺變頻器和兩臺交流變頻電機驅(qū)動，電機通過高速聯(lián)軸器與減速箱輸入軸相連。兩個鋼絲繩卷筒通過兩個低速聯(lián)軸器與減速箱輸出軸相連。高速聯(lián)軸器和卷筒聯(lián)軸器將電機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩經(jīng)減速箱放大后傳遞到卷筒上，通過鋼絲繩纏繞系統(tǒng)及提升系統(tǒng)（電磁吊具）提升或下降貨物。

起升機構(gòu)設(shè)有行車重量檢測、位置檢測和速度檢測等安全聯(lián)鎖保護裝置。

1.2.2 小車機構(gòu)

小車行走機構(gòu)驅(qū)動行車沿著小車軌道行走。采用一臺變頻器和兩臺交流變頻電動機驅(qū)動。

小車機構(gòu)設(shè)有位置檢測和速度檢測等安全聯(lián)鎖保護裝置。

1.2.3 大車機構(gòu)

大車行走機構(gòu)驅(qū)動行車沿著大車軌道行走。采用兩臺變頻器和四臺交流變頻電機驅(qū)動。其中一臺變頻器驅(qū)動兩臺交流變頻電機。

大車機構(gòu)設(shè)有位置檢測和速度檢測等安全聯(lián)鎖保護裝置。

1.2.4 操作界面

配置一個無線遙控手柄，在實際使用中對各機構(gòu)進行單獨操作。配置一個地面操作站，在實際使用中對各機構(gòu)進行單獨操作，此操作站還可監(jiān)控行車本地狀態(tài)。配置一個中控遠程操作站，在實際使用中對各機構(gòu)進行集中控制，此操作站還可以監(jiān)控整個行車系統(tǒng)狀態(tài)。

1.3 設(shè)備工藝介紹

全自動智能行車由鋼結(jié)構(gòu)部分、起升機構(gòu)、小車機構(gòu)、大車機構(gòu)、電磁吊具、機上電氣設(shè)備和自動化控制等組成。智能行車為自動化物流系統(tǒng)的重要設(shè)備，用于鋼板的搬運、堆放和存儲。

該智能行車除了具有通用行車的基本功能外，還能與車間物流系統(tǒng)進行對接，實現(xiàn)物料的自動搬運。智能行車的所有動作按照車間中控系統(tǒng)所發(fā)出的指令來完成。

該智能行車用于對鋼板的搬運、堆放和存儲，能精確地搬運鋼板至指定位置，且完成鋼板的堆疊。全自動智能行車與普通行車不同，除了完成普通的鋼板搬運外，還需具備精確的定位功能。

2 車間信息系統(tǒng)架構(gòu)

車間信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型：

本項目中，采用底層傳感器、現(xiàn)場控制器PLC、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)CMS和中控執(zhí)行系統(tǒng)MES組成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架作為流程控制的信息構(gòu)架標準。

這種信息構(gòu)架更適合于現(xiàn)代化的車間結(jié)構(gòu)，信息的形式清晰明確，反饋信息自下而上，控制信息自上而下，各功能塊之間界面分明，適用性強，適用范圍更廣。

此外，將來實現(xiàn)車間網(wǎng)絡(luò)互通之后，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實時監(jiān)控車間內(nèi)所有的智能行車運行情況，實現(xiàn)車間的信息化管控。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，控制系統(tǒng)采用SIMATIC300的配置方案，采用PROFIBUS DP作為通信網(wǎng)絡(luò)連接各個部分。電氣系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC和西門子S120變頻器進行全閉環(huán)運動控制，精度更高，速度更快，可靠性穩(wěn)定。另外利用人機界面修改鋼板庫位和操作流程，更加方便直觀（圖2）。具體電氣部分以及功能如下：

（1）整機采用西門子SIMATIC300控制。SIMATIC ET 200M為可擴展分布式I/O系統(tǒng)，通過現(xiàn)場總線將過程信號連接到上層控制器。ET 200M憑借其智能的分布式功能，極大地節(jié)省控制柜中的安裝空間和應(yīng)用成本。

（2）整機驅(qū)動采用西門子S120變頻器。S120變頻器用來驅(qū)動三相交流電動機，實現(xiàn)精確而又經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速控制。

起升機構(gòu)采用兩個變頻器分別驅(qū)動，同步控制保證同步性能，并且在起升機構(gòu)的電機卷筒側(cè)安裝絕對值編碼器，采用絕對值編碼器定位，保證了起升方向的位置精度。

小車方向采用SICK激光測距儀定位，保證了小車方向的位置精度。

大車方向采用格雷母線定位，格雷母線定位系統(tǒng)在大車行程內(nèi)鋪設(shè)一條格雷母線，通過探頭讀取格雷母線編碼，保證了大車無論在任何位置都有一絕對值編碼與其對應(yīng)，保證了大車方向的位置精度。在兩臺行車大車行走機構(gòu)的相對位置裝有防撞的停車限位開關(guān)，確保行車大車行走的安全。

（3）人機界面。配置一個KTP700，實際使用中對各機構(gòu)進行單獨操作，并且監(jiān)控行車本地狀態(tài)。配置一個中控遠程操作站，實際使用中對各機構(gòu)進行集中控制，并且監(jiān)控整個行車系統(tǒng)狀態(tài)。

（4）無線網(wǎng)絡(luò)。由于行車不能直接采用有線通信和調(diào)度系統(tǒng)等外部設(shè)備連接。無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性決定了行車與外部系統(tǒng)之間的通信是否順暢，外部系統(tǒng)能否及時準確地了解行車的運行狀態(tài)。因此，一套穩(wěn)定的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)至關(guān)重要。

4 控制系統(tǒng)完成的功能

4.1 起升同步功能

常規(guī)行車僅配置一臺起升電機，而本項目基于新型起升鋼絲繩纏繞方案設(shè)計，配置兩臺起升電機，布置在小車架的左右兩側(cè)，各自獨立驅(qū)動兩側(cè)的起升卷筒。雙電機同步運行，實現(xiàn)常規(guī)的起升動作。

通過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穩(wěn)。機械系統(tǒng)運行過程平穩(wěn)，在保證精度的基礎(chǔ)上，負載可以均衡地分布在雙軸上，電機工況良好，無過載、偏載等現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 各機構(gòu)精確定位功能

起升機構(gòu)采用電機卷筒側(cè)安裝絕對值編碼器定位。絕對值編碼器測量數(shù)據(jù)為絕對的角度，且在斷電時也可存儲，恢復(fù)供電時可節(jié)省復(fù)位的麻煩。旋轉(zhuǎn)角度數(shù)字輸出，不會因干擾發(fā)生數(shù)據(jù)錯亂。通過皮尺實際量取兩個高度值，通過方程y=kx+b，計算實際起升高度。

小車機構(gòu)采用SICK激光測距儀測距，測距儀安裝在小車軌道方向的大梁上，同時在大梁頂端還裝有反光板，通過讀取到的數(shù)據(jù)，計算出小車當(dāng)前位置。同時為了防止單側(cè)激光測距儀損壞導(dǎo)致位置故障發(fā)生的情況，本項目同時安裝兩個激光測距儀，在行車正常運行過程中，程序中設(shè)置兩個位置比較，進行冗余檢測，防止某個測距儀突然出現(xiàn)故障而沒有被檢測到，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

大車機構(gòu)采用格雷母線定位，格雷母線定位系統(tǒng)在大車行程內(nèi)鋪設(shè)一條格雷母線，通過探頭讀取格雷母線編碼，保證了大車無論在任何位置都有一絕對值編碼與其對應(yīng)。

4.3 無線網(wǎng)絡(luò)通信

由于行車與中控系統(tǒng)之間無法通過有線通信連接，因此只能通過無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決了傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)連接中的弊端，可以同時調(diào)度多臺行車同時運行，這種控制方式更加簡單、可靠。在無線局域網(wǎng)的應(yīng)用中，良好穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)信號對保證正常的通信非常重要（圖3）。

5 結(jié)束語

智能自動化行車和普通行車相似，都是用于搬運、堆放和存儲鋼板，但智能自動化行車整機無人操作，采取全自動工作方式，需解決鋼板和行車吊具之間的定位問題。

智能自動化行車，實現(xiàn)了在車間對鋼板的自動搬運和堆放。搬運和堆放時能完成精準的定位，定位精度在10 mm以下，大車運行速度達到60 m/min，小車運行速度達到30 m/min，起升運行速度達到8 m/min，額定負載質(zhì)量為16 t。

智能自動化行車所要求的定位精度較高。中控系統(tǒng)給出特定的坐標位置后，能快速地定位到所給出的坐標位置，且能完成無人操作的自動搬運和堆疊。相比傳統(tǒng)行車，可大幅減少人員操作和維修管理成本，大幅提高車間的物流運轉(zhuǎn)效率和生產(chǎn)效率。

參考文獻

[1] 劉亞鵬，趙鋒，馮振明.西門子自動化與驅(qū)動產(chǎn)品在門式斗輪機糾偏控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界，2019（5）：158-161.