基于Ethernet/IP總線的堆垛天車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張華龍

(株洲天橋起重機(jī)股份有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

2020年全世界的原鋁產(chǎn)量為65 267 kt,其中我國產(chǎn)量為37 317 kt,占全世界總產(chǎn)量的57.2%。鋁作為僅次于鋼鐵的第二大消費(fèi)金屬,目前其生產(chǎn)的唯一方法為霍爾-埃魯特發(fā)明的冰晶石-氧化鋁熔鹽電解鋁生產(chǎn)方法,以陽極炭塊為還原劑將鋁置換出來[1],由此可知該過程需要用到大量的陽極炭塊。以目前一個(gè)年產(chǎn)50萬噸的電解鋁項(xiàng)目為例,噸鋁消耗陽極炭塊約500 kg左右[2],一年需消耗約20.8萬～27.7萬個(gè)炭塊(單個(gè)炭塊重約0.9 t～1.2 t),這些炭塊均需在炭塊庫內(nèi)流轉(zhuǎn),而炭塊庫流轉(zhuǎn)作業(yè)的物流裝備為堆垛天車,因此堆垛天車控制系統(tǒng)的安全可靠性顯得尤為重要。傳統(tǒng)碳素行業(yè)炭塊堆垛天車控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)夾具下滑、炭塊掉落等問題,本文針對(duì)傳統(tǒng)碳素行業(yè)炭塊堆垛天車控制系統(tǒng)存在的不足,設(shè)計(jì)了一套基于Ethernet/IP總線的控制系統(tǒng)。

1 堆垛天車介紹

堆垛天車包含大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和夾具、起升機(jī)構(gòu),大車縱向往復(fù)于倉庫中,配合夾具搬運(yùn)炭塊完成出入庫操作。堆垛天車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 堆垛天車結(jié)構(gòu)示意圖

2 堆垛天車控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)堆垛天車的結(jié)構(gòu)及控制要求,設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、觸摸屏、超聲波開關(guān)以及聯(lián)動(dòng)臺(tái)等組成?？紤]信號(hào)分散,PLC采用分布式I/O結(jié)構(gòu),主站布置于大車電氣控制柜內(nèi),遠(yuǎn)程分布式I/O布置于夾具控制箱內(nèi)[3];觸摸屏作為系統(tǒng)的控制器和人機(jī)界面,用于顯示天車各系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及參數(shù)設(shè)置等;變頻器采用Ethernet/IP總線與PLC通訊,當(dāng)PLC控制系統(tǒng)接收到駕駛室操作人員手柄等主令指令時(shí),通過內(nèi)部程序進(jìn)行運(yùn)算輸出,控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)的變頻器輸出設(shè)置的頻率和電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)大車運(yùn)行電機(jī)及夾具起升電機(jī)的控制;超聲波傳感器用于檢測(cè)夾具炭塊在夾起過程中是否有脫落的現(xiàn)象;對(duì)于夾具起升電機(jī),還需要在電機(jī)后端加裝增量型編碼器,將電機(jī)速度反饋至變頻器做速度閉環(huán)控制,以提高變頻器的調(diào)速精度和響應(yīng)速度。堆垛天車控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 堆垛天車控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型

3.1 PLC及HMI的選型

PLC一般根據(jù)系統(tǒng)工藝復(fù)雜程度、現(xiàn)場(chǎng)I/O需求數(shù)量和代碼量大小等來選擇,本系統(tǒng)選用羅克韋爾Compactlogix系列PLC,CPU采用型號(hào)為1769-L33ER模塊,其自帶1個(gè)EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)接口,2 MB工作存儲(chǔ)器;吊具上遠(yuǎn)程子站采用1769-AENTR以太網(wǎng)接口模塊,PLC數(shù)字量輸入模塊用于采集司機(jī)室主令控制信號(hào)、配電設(shè)備狀態(tài)信號(hào)、外部傳感器等信號(hào);數(shù)字量輸出模塊用于控制主交流接觸器、聲光報(bào)警器等動(dòng)作。HMI選用羅克韋爾2711P系列10寸屏幕。

3.2 變頻器選型及拖動(dòng)回路設(shè)計(jì)

大車運(yùn)行變頻器及夾具起升變頻器均選用ABB品牌ACS880系列。大車運(yùn)行變頻器采用一拖二的V/F控制模式,夾具起升變頻器采用帶速度傳感器閉環(huán)的DTC控制模式[4],其拖動(dòng)原理圖如圖3所示。

圖3 夾具起升電機(jī)變頻拖動(dòng)原理圖

采用傳統(tǒng)堆垛天車控制系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)夾具下滑或者制動(dòng)器電源接觸器粘連導(dǎo)致制動(dòng)失效等問題。夾具出現(xiàn)下滑的情況有兩種:①夾具起升停止抱閘瞬間的下滑,此情況為變頻器停止輸出與制動(dòng)器的抱閘未配合好,即兩者的控制時(shí)序出現(xiàn)了問題;②負(fù)載停留在半空時(shí)啟動(dòng)瞬間的下滑,此情況為變頻器啟動(dòng)輸出與制動(dòng)器的抱閘未配合好。變頻器具有控制電機(jī)零轉(zhuǎn)速時(shí)仍保持負(fù)載不下滑的滿轉(zhuǎn)矩功能,即零速懸停功能,當(dāng)編碼器反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí),變頻器輸出繼電器控制制動(dòng)器接觸器斷開,此時(shí)PLC數(shù)字量輸出模塊也控制另一個(gè)制動(dòng)器接觸器斷開,調(diào)試時(shí)需要注意的是,制動(dòng)器從斷電到抱閘的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于變頻器零速滿轉(zhuǎn)矩保持時(shí)間,即制動(dòng)器抱閘后變頻器再停止輸出,否則一定會(huì)出現(xiàn)夾具下滑。此外,變頻器還具有直流強(qiáng)勵(lì)磁功能,即可設(shè)定抱閘打開轉(zhuǎn)矩值,保證電機(jī)建立足夠大的力矩維持負(fù)載在空中不下滑[5]。為避免制動(dòng)器電源接觸器粘連可以采用兩個(gè)接觸器串聯(lián)的形式,當(dāng)其中一個(gè)接觸器出現(xiàn)觸頭粘連不能分開時(shí),另一個(gè)接觸器也可以有效地分開,以保證制動(dòng)器主電源可靠斷開并抱閘。夾具起升電機(jī)制動(dòng)器控制原理如圖4所示。

圖4 夾具起升電機(jī)制動(dòng)器控制原理圖

3.3 超聲波傳感器選型

空夾具下放夾取炭塊時(shí),存在夾具下放到炭塊上夾起炭塊提升的過程中,由于夾具故障等原因出現(xiàn)炭塊掉落或未夾起的現(xiàn)象,此時(shí)必須停止上升,需要重新將夾具放下夾取炭塊,但實(shí)際操作過程中,司機(jī)可能由于視線問題或疲勞問題未發(fā)現(xiàn),故選用探測(cè)距離為800 mm的超聲波接近傳感器可以有效判斷并解決此問題。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序設(shè)計(jì)

4.1.1 程序保護(hù)策略

空夾具下放夾取炭塊時(shí),夾具落到炭塊上表面后,夾具上的到位開關(guān)動(dòng)作,程序控制變頻器停止輸出,夾具為自重夾具,通過一對(duì)對(duì)稱的連桿帶動(dòng)夾具臂完成炭塊夾持,程序控制夾具緩慢上升約400 mm,如每個(gè)超聲波傳感器均有輸出,則認(rèn)為每個(gè)夾具已經(jīng)完成對(duì)炭塊的夾持,此時(shí)允許夾具起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)上升到一定高度;如其中有一個(gè)或多個(gè)超聲波傳感器無輸出,則認(rèn)為炭塊夾持失敗,需要重新下放夾具完成夾持,并在觸摸屏上顯示具體哪個(gè)夾具夾持失敗。夾具起升電機(jī)上升控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 夾具起升電機(jī)上升控制流程

4.1.2 程序設(shè)計(jì)調(diào)試

羅克韋爾PLC編程平臺(tái)為Rslogix5000 V21版本,PLC程序采用模塊化編程方法,根據(jù)堆垛天車作業(yè)工藝,分別在主程序Main Program下建立Main Routine主例程序塊、大車運(yùn)行功能子程序塊和夾具起升功能子程序塊;借助Rslogix5000編程平臺(tái)靈活的編程功能完成各子程序的編譯;然后在Main Routine主例程序塊中分別調(diào)用大車運(yùn)行功能子程序和夾具起升功能子程序。夾具起升電機(jī)控制程序如圖6所示。

圖6 夾具起升電機(jī)控制程序

控制程序設(shè)計(jì)完成后,采用RslogixEmulate5000軟件模擬運(yùn)行條件進(jìn)行PLC仿真,仿真效果與設(shè)計(jì)要求一致,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

4.2 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

采用羅克韋爾10寸2711P系列觸摸屏作為人機(jī)交互界面,采用FactoryTalk View Studio觸摸屏開發(fā)軟件進(jìn)行畫面編輯,根據(jù)工藝需求一共設(shè)置了4個(gè)界面:主啟動(dòng)界面、大車運(yùn)行監(jiān)控界面、夾具起升機(jī)構(gòu)監(jiān)控界面和故障查找界面。夾具起升機(jī)構(gòu)監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 夾具起升機(jī)構(gòu)監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

根據(jù)炭塊庫堆垛天車的作業(yè)工藝和功能要求,開發(fā)了基于Ethernet/IP總線的堆垛天車電氣控制系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅在功能上滿足了炭塊堆垛作業(yè)的基本需求,而且在設(shè)備安全方面也有很大改善,解決了夾具下滑和炭塊掉落后繼續(xù)運(yùn)行的不安全問題,降低了設(shè)備故障率和故障查找時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率,可為庫房堆垛類應(yīng)用場(chǎng)景提供設(shè)計(jì)借鑒。