橋式起重機的智能轉載系統設計技術研究

杜文正，童國林，劉陳，趙典

(第二炮兵工程大學202 教研室，陜西西安710025)

隨著現代工業的不斷發展，對起重機的自動化程度及安全穩定性提出了越來越高的要求。目前，國內很多研究機構在起重機智能控制研究方面取得了很大的進步，但大部分的研究都是集中在有操作人員控制的基礎上，智能化程度并不高［1－2］。作者以橋式起重機為設計平臺［3］，以機器人導航技術［4－5］、起重機精確定位及智能消擺技術為基礎［6－10］，以實現橋式起重機自動化智能轉載為目標，從機械傳動、自動檢測、電氣控制、無線通信、軟件設計、控制算法等6個方面設計了一套智能化程度較高的橋式起重機智能轉載系統。

1 系統結構與功能

系統結構如圖1所示。該系統由機械傳動系統、工控機、無線通信系統、自動檢測控制系統、電氣控制系統等組成。工控機作為系統的上位機，是系統數據處理控制中心;無線通信系統完成工控機與自動檢測控制系統、電氣控制系統之間的通信;自動檢測控制系統完成對傳感器數據的自動采集與存儲;電氣控制系統接收工控機的指令，對起重機進行變頻控制。系統在轉載前，利用電氣控制系統控制起重機大車運動帶動安裝在主梁上的激光測距掃描儀完成轉載場地的地形掃描;工控機對掃描數據進行分析，建立空間環境模型并規劃出一條能夠規避障礙物的最優安全路徑;在給定轉載起點和終點的條件下，工控機利用運動控制算法向電氣控制系統發出指令，控制起重機的3 個電機，沿著優化路徑實現對負載的自動化智能轉載;轉載完成后，系統自動對轉載場地的地形進行修復，為下一次的轉載做好準備。

圖1 系統結構圖

2 機械傳動系統設計

機械傳動系統安裝在橋架上，由大車傳動、起升小車組成。

2.1 大車傳動

大車傳動由帶制動的變頻電機、減速機、車輪組及大車速度采集輪組成。車輪組采用定軸式;減速器采用輸入與輸出端同側立式減速機、電機安裝在橫梁的上部，這樣節約了大車傳動所占用的空間，增大了起吊的工作范圍;大車速度采集輪安裝有測速的編碼器，通過絞接的形式安裝在大車運行機構的橫梁上，為了避免大車在運行過程中由于軌道等原因車輪有時會出現打滑現象，速度采集輪通過彈簧力保證始終與軌道接觸旋轉。

2.2 起升小車

起升小車由小車運行機構、起升機構和車架組成。

小車運行機構采用兩邊分別驅動，減速機為硬齒面，減速機輸出端為內花鍵，通過內花鍵與主動車輪組上的外花鍵聯接傳遞扭矩。花鍵比單鍵聯接傳遞的扭矩大，并且傳遞更加平穩。電機采用帶制動的變頻電機。一端的被動車輪上安裝有用于測速的編碼器。

起升機構采用歐洲技術生產的ZH 小車，減速機為行星架結構;行星架結構與傳統減速機相比具有體積小、傳動比大的優點;減速機齒輪全部為硬齒面，提高了齒輪的精度，傳動過程噪聲小;行星架安裝在卷筒內，使整個起升機構更加緊揍。為了保證吊鉤的對中性，纏繞在卷筒上的鋼絲繩采用4/2 的出繩方式。起重量限制器采用軸銷式，比傳統的鋼絲繩旁壓式傳感器傳遞的信號更加平穩可靠。電機采用電動葫蘆起升專用的帶制動的錐形變頻電機，制動片內預埋有傳感器，當制動片磨損到不能保證剎車力的情況下會發出報警，提醒操作人員更換摩擦片，避免了剎車力不夠引起的溜鉤事故發生。

小車架用于安裝起升機構、小車運行機構和需要檢測的各種傳感器。

3 自動檢測控制系統設計

自動檢測控制系統是由數據采集模塊和各類傳感器組成，其原理圖及安裝位置如圖2所示。系統采用施耐德公司生產的Modicon 系列M258 可編程控制器PLC 完成對傳感器信息的采集和處理。主要傳感器類型及用途包括:德國米依拉線式位移傳感器分別用于測量大車、小車和吊鉤的位移;德國Sick 公司生產的LMS291-S05 激光測距掃描儀［11］用于獲取場地地形;西安中星公司生產的CS-2LAS 系列02 型加速度計用于測量x、y 兩個方向的加速度，CS-2TAS-05 型雙軸傾角計分別固定于激光測距掃描儀安裝基面、承載梁1/4 跨度處和3/4 跨度處，測量x、y 兩個方向的傾斜角度，用于修正激光測距掃描儀由于承載梁存在拱度而引起的測量誤差，CS-VG-02 型垂直陀螺儀用于測量吊鉤擺動角度和擺動角速率。

圖2 自動檢測控制系統原理圖

4 電氣控制系統設計

自動控制系統設計是以PLC［12］為核心，由PLC完成控制信號的輸出，電機采用變頻控制［13－14］，工控機主要負責實現可視化操作界面、參數設置、起重機狀態顯示與記錄、路徑規劃、起重機精確定位和智能消擺算法控制以及至少100 m 距離的遠程監控等。系統整體方案如圖3所示。

圖3 電氣控制系統方案圖

起重機大車、小車和起升機構采用施耐德變頻器進行變頻控制，PLC 與變頻器通過CANopen 機器總線通訊，PLC 與變頻器子站通過PDO 組態實現對變頻器內部寄存器的讀寫控制。CANopen 接線箱通過PLC的機器總線端口與控制起重機大車運行、小車運行和起升運行的變頻器進行通訊鏈路，實現PLC 總站與變頻器子站的通訊。電腦通過無線串口模塊與PLC通訊，即可以通過串口讀寫PLC 內部寄存器的值。

5 無線通信系統設計

電腦通過無線串口模塊與PLC 通訊，即可以通過串口讀寫PLC 內部寄存器的值。工控機作為上位機，通過寫串口程序讀寫數據，遵循PLC 模塊的通訊協議。電腦讀取PLC 寄存器內存儲的傳感器數值，進行解析與處理，在軟件界面上進行狀態顯示;向與變頻器組態的PLC 寄存器寫數據，通過控制變頻器最終控制電機。

6 軟件設計

軟件設計分為上位機程序和PLC 程序兩部分，上位機和PCL 通過無線串口協議進行通訊。上位機采用Visual C+ +進行編程，主要實現可視化界面操作，參數設置，起重機狀態顯示與記錄，環境掃描與路徑規劃，起重機精確定位、智能消擺與遠程控制以及串口通信。PLC 程序主要完成數據采集、存儲與發送，接收上位機的變頻控制指令完成對起重機的控制。系統軟件結構如圖4所示。

圖4 系統軟件框圖

6.1 上位機監控程序設計方案

計算機監控程序在Visual C++環境下開發［15－16］，并結合OPENGL 完成有關圖形的處理。Visual C++是一個功能強大、兼容性好、對Windows 程序進行可視化開發的編程開發環境，是一個相當優秀的集成開發環境(IDE)，它集代碼編輯、調試、向導、編譯和可視化資源于一體，所提供的MFC 更有助于程序的開發。軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面圖

6.2 PLC 控制程序設計方案

傳感器信號的采集。通過PLC 擴展A/D 模塊進行信號的采集，并存儲于寄存器中。控制盒I/O 信號的采集及對變頻器控制信號的輸出，這一部分為PLC程序主要部分，采用梯形圖編程，外部信號主要包括控制盒信號、各機構限位信號等。PLC 與變頻器通過CANopen 機器總線通訊，使用PDO 組態關聯，無需另外編寫程序。

7 控制算法設計

7.1 基于AVBN 環境建模與遺傳算法的路徑規劃

首先是工控機控制起重機帶動激光測距掃描儀運動對轉載場地進行測距掃描，依據起重機的起重限高與負載的高度確定障礙物的忽略高度，超過這一高度的設為障礙物，以這一高度為基面建立障礙柵格地圖，在柵格地圖的基礎上進行AVBN 轉載場地環境建模，利用遺傳算法規劃出負載運動的最優路徑，其原理圖如圖6所示。

圖6 橋式起重機路徑規劃算法原理圖

7.2 基于模糊自適應PID 精確定位和消擺技術

雙閉環模糊自適應PID 控制器又稱模糊PID 參數自整定控制器，是將PID 控制器和模糊控制器串聯在一起，以系統給定值和控制對象實際值的偏差值e 和偏差率ec 作為模糊控制器和PID 控制器的輸入，用模糊控制器實時調整PID 的控制參量KP、KI、KD。該控制方式實時性強，控制精度高，不會出現常規PID 控制器造成系統超調、易振蕩的現象，其原理圖如圖7所示。應用該算法能夠使起重機控制負載沿著給定的路徑點前進，有很好的定位與消擺效果。

圖7 模糊自適應PID 控制器原理圖

8 結束語

該系統經安裝調試后，運行平穩，能夠實現在給定轉載起點和轉載終點的條件下，控制負載沿著規劃的最優路徑完成安全無碰撞的轉載。該系統有以下特點:

(1)系統采用基于障礙柵格的AVBN 環境建模方法，控制負載在確定高度的平面作二維運動，增強了系統的穩定性和實用性，在完成轉載任務后，很容易對場地地形進行維護，而不需要重新對場地進行掃描，提高了自動轉載的工作效率。

(2)系統友好的人機操作界面可以很方便地對起重機的運行狀況進行監測。

(3)系統可靠性強，易調試，兼容性好，有很好的應用前景。

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