李海濤
（遷安首信自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司 河北遷安市 064400）
摘要：行車在冶金工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，具有吊運(yùn)坯料、卷料、輥材等功能，傳統(tǒng)行車一般沒(méi)有自動(dòng)定位功能，只能由行車司機(jī)目測(cè)行車位置和吊鉤高度進(jìn)行吊運(yùn)，工作效率低、人工成本高，存在一定的安全隱患。近年來(lái)，由于信息化水平的不斷提高和ERP、MES系統(tǒng)的普及應(yīng)用，無(wú)人化行車依靠自動(dòng)化技術(shù)、智能庫(kù)管系統(tǒng)在庫(kù)區(qū)管理中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作、精準(zhǔn)定位、自動(dòng)吊放的功能。其中精準(zhǔn)定位到物料的準(zhǔn)確位置是自動(dòng)吊運(yùn)的前提條件，本文以常見的卷料為例，介紹在三維空間中無(wú)人行車如何精確定位到卷料卷芯的位置，以及由于工況環(huán)境不同引起的定位不準(zhǔn)的解決方案。
關(guān)鍵詞：無(wú)人行車；精確定位；變頻驅(qū)動(dòng)
0 引言
根據(jù)國(guó)家智能制造的戰(zhàn)略要求，無(wú)人化行車在各大鋼廠或物流企業(yè)開始興起，本文通過(guò)介紹定位方法在無(wú)人行車中的應(yīng)用，通過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試運(yùn)行，此方法精確定位到卷料卷芯位置具有可行性和可靠性。
1 行車位置檢測(cè)的常用方法
1.1 編碼定位
格雷母線和編碼器都屬于編碼定位原理，格雷母線扁平狀的基準(zhǔn)線和地址線電纜與天線箱之間通過(guò)電磁耦合產(chǎn)生電流，基準(zhǔn)線和地址線電纜中感應(yīng)電流通過(guò)地址編碼接收器進(jìn)行比較，將比較的相位差產(chǎn)生格雷編碼。格雷母線檢測(cè)位置的優(yōu)點(diǎn)是絕對(duì)地址信息穩(wěn)定可靠、無(wú)誤碼、無(wú)積累誤差，缺點(diǎn)是安裝繁瑣，位置檢測(cè)分辨率較低。
絕對(duì)值編碼器通過(guò)讀取碼盤上漏光通道形成的明、暗刻線，獲得從2的零次方到2的n-1次方的2進(jìn)制編碼（格雷碼），將碼值通過(guò)PLC程序處理得到相應(yīng)的檢測(cè)值，編碼器安裝在大車、小車、起升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸處，一般為Profibus_DP或Profinet通訊協(xié)議，具有安裝簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，編碼器的檢測(cè)精度與編碼器的位數(shù)n有關(guān)，缺點(diǎn)是用于檢測(cè)輪軌運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，由于輪子與軌道間會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，或機(jī)械精度問(wèn)題引起測(cè)量偏差較大，所以大車、小車方向很少使用編碼器用于位置檢測(cè)，編碼器多用于起升機(jī)構(gòu)的位置檢測(cè)[1]。
1.2 激光定位
激光定位基本原理是光反射，具有測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高、安裝方便、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)，激光測(cè)距儀支持Profibus_DP或Profinet通訊協(xié)議，具有狀態(tài)診斷和速度計(jì)算等功能，可滿足自動(dòng)行車在定位過(guò)程中的位置反饋精度要求。其中Profinet通訊協(xié)議可通過(guò)PLC設(shè)置1-512ms的高頻率掃描周期，將掃描結(jié)果用于防搖控制器的防搖和定位功能，掃描頻率符合防搖控制器的采樣處理周期，能達(dá)到理想的防搖效果和定位精度。
2 精確定位的系統(tǒng)組成和方法
無(wú)人行車實(shí)現(xiàn)精確定位到卷料卷芯位置需要各系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，形成閉環(huán)控制，各系統(tǒng)包括：
Ø 智能庫(kù)管系統(tǒng)；
Ø PLC控制系統(tǒng)；
Ø 防搖和定位控制系統(tǒng)；
Ø 變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
閉環(huán)控制原理圖.
智能庫(kù)管系統(tǒng)負(fù)責(zé)將卷芯位置在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（大車方向x、小車方向y、吊鉤高度z）發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)，庫(kù)管系統(tǒng)給出正確坐標(biāo)的依據(jù)是庫(kù)區(qū)測(cè)繪數(shù)據(jù)。對(duì)于雙層鋼卷的工況，二層鋼卷沒(méi)有固定的物理坐標(biāo)鞍座，碼放在兩個(gè)鋼卷之上，天車調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)二層卷的外徑、內(nèi)徑計(jì)算卷料放到某個(gè)位置是否安全，計(jì)算卷料放到該位置后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，校驗(yàn)當(dāng)前坐標(biāo)從數(shù)學(xué)層面是否合理，校驗(yàn)當(dāng)前坐標(biāo)從工業(yè)方面是否符合現(xiàn)場(chǎng)安全規(guī)定，是否會(huì)對(duì)底部卷料產(chǎn)生損壞等。庫(kù)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)每次記錄吊放鋼卷的實(shí)際位置數(shù)據(jù)，在下一次吊運(yùn)此鋼卷時(shí)與PLC傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重驗(yàn)證，保證坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
PLC控制系統(tǒng)圖.
PLC控制系統(tǒng)是防搖和定位控制系統(tǒng)與變頻驅(qū)動(dòng)單元的連接核心，負(fù)責(zé)將行車的設(shè)定位置信息、實(shí)際位置信息、公共數(shù)據(jù)信息發(fā)送給Sway control system（具有定位模式），同時(shí)Sway control system將定位計(jì)算結(jié)果通過(guò)PLC系統(tǒng)發(fā)送給變頻驅(qū)動(dòng)控制單元，完成各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通訊及行車機(jī)構(gòu)主控功能。
2.3 防搖和定位控制系統(tǒng)
防搖和定位控制系統(tǒng)是無(wú)人行車精確定位的核心設(shè)備，本設(shè)計(jì)方法采用SINOTION C系列運(yùn)動(dòng)控制器，SINOTION C是基于SIMATIC S7-300設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器，可以使用SIMATIC S7-300系列模塊對(duì)SIMOTION C進(jìn)行擴(kuò)展。用于伺服或矢量驅(qū)動(dòng)的設(shè)定值輸出，既能實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)算控制功能，又能實(shí)現(xiàn)PID功能,在消除搖擺角度控制的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)行車大車（X方向）、小車（Y方向）的精確定位功能。
SIMOITION C240PN 自動(dòng)化系統(tǒng)圖
2.4 變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
2.5 精確定位的方法
精確定位到卷料的卷芯位置需要同時(shí)滿足4個(gè)方向的精確定位，即大車方向、小車方向、主鉤高度方向、吊鉤的旋轉(zhuǎn)方向，通過(guò)上述智能庫(kù)管系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、防搖和定位系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)大車、小車方向的防搖擺和定位功能。主鉤高度方向的精確定位需要配合智能夾具的傳感器信號(hào)完成，首先，智能庫(kù)管系統(tǒng)根據(jù)卷料的外徑信息和坐標(biāo)測(cè)繪數(shù)據(jù)（或二層卷的計(jì)算數(shù)據(jù)），給出卷芯位置的高度坐標(biāo)（Z方向），主鉤高度編碼器和智能夾具上的傳感器信號(hào)雙重判斷主鉤高度是否合適，通過(guò)PLC計(jì)算的速度斜坡完成主鉤高度方向的卷芯位置精確定位。吊鉤旋轉(zhuǎn)一般分為旋轉(zhuǎn)90。和180。，根據(jù)庫(kù)管系統(tǒng)下發(fā)的旋轉(zhuǎn)角度指令，由吊鉤旋轉(zhuǎn)變頻器和角度檢測(cè)編碼器形成閉環(huán)控制，完成吊鉤旋轉(zhuǎn)方向的精確定位。四個(gè)方向定位全部完成后，最終由夾具上的傳感器設(shè)備驗(yàn)證是否滿足夾緊條件，滿足條件后可繼續(xù)完成自動(dòng)吊運(yùn)的相關(guān)動(dòng)作。
3 不同工況定位不準(zhǔn)的解決方案
對(duì)于自動(dòng)行車而言，物料碼放的絕對(duì)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)是固定的，這就對(duì)碼放物料的鞍座形式有一定要求，常用的卷料鞍座以橡膠、聚氨酯、鋼結(jié)構(gòu)材料為主，但鞍座形式多種多樣，對(duì)于不能完全卡住卷料的鞍座形式會(huì)造成卷料滾動(dòng)的情況，無(wú)法按測(cè)繪坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。
無(wú)法固定卷料鞍座例圖
這種工況下，自動(dòng)行車需具備自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，在上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)不變的前提下，由夾具傳感器信號(hào)判斷卷料的滾動(dòng)方向，根據(jù)滾動(dòng)方向重新調(diào)節(jié)大車或小車定位，直到夾具傳感器信號(hào)滿足條件，值得注意的是防搖和定位控制器在調(diào)節(jié)過(guò)程中擺長(zhǎng)要滿足在最大\最小擺長(zhǎng)范圍內(nèi)，此解決方案從控制方法上解決了卷料卷芯位置坐標(biāo)不固定的情況，但從工作效率上增加了再次調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，降低了工作效率，對(duì)于工作節(jié)奏較快的環(huán)境，改造鞍座形式使物料絕對(duì)位置坐標(biāo)固定是更好的解決方案。
4 結(jié)束語(yǔ)
行車作業(yè)多用在重工業(yè)環(huán)境，行車操作人員工作環(huán)境較差，安全系統(tǒng)較低，行車自動(dòng)精確定位技術(shù)很好的解決了此問(wèn)題，不再需要操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作行車作業(yè)，并將信息化技術(shù)應(yīng)用到智能庫(kù)區(qū)管理，提高了行車的工作效率和操作人員的安全系數(shù)，近年來(lái)，隨著無(wú)人行車在卷料庫(kù)或板坯庫(kù)的廣泛應(yīng)用，此設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的定位控制，目標(biāo)位置與實(shí)際位置偏差能滿足10mm以內(nèi)，為無(wú)人行車的自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障。
參考文獻(xiàn)
[1] 賀龍. 天車定位方式淺析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（19）：141