無人天車自動精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張燦

(河鋼集團鋼鐵技術(shù)研究總院，河北 石家莊 050000)

天車是生產(chǎn)作業(yè)中很重要的搬運設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)活動中應(yīng)用得非常廣泛。本著以人為本的原則，現(xiàn)實中對安全生產(chǎn)的要求越來越高。為了達到安全精準(zhǔn)高效的目標(biāo)，無人天車應(yīng)運而生。擺脫了傳統(tǒng)天車定點定位的單一人為的操作模式，無人天車通過PLC接收現(xiàn)場傳感器信號后直接作出響應(yīng)，可以做到將吊物準(zhǔn)確無誤地吊運并擺放至指定位置。傳統(tǒng)天車的弊端很多，如人工成本高、安全系數(shù)低、工作效率低等，天車無人化操作能很好的解決這些問題。無人天車的關(guān)鍵技術(shù)難題在于其能否精確定位。本系統(tǒng)很好的解決了這一難題。

1 工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成

無人天車采用PLC和變頻器為核心組件，現(xiàn)場安裝時以精準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的編碼尺和編碼器用于三維定位。通過無線通訊系統(tǒng)將PLC與移動面板有機結(jié)合。通過人機界面將所要完成的動作一次性輸入PLC，PLC進行多級運算后得出最佳運行方案，將執(zhí)行命令發(fā)送給下級模塊和變頻器。現(xiàn)場動作完全自主完成，多項操作任務(wù)可同時進行，有效提高工作效率。系統(tǒng)構(gòu)成圖見圖1。該系統(tǒng)一改傳統(tǒng)天車單一接觸器控制模式，使用新型PLC多元控制。天車運行更平穩(wěn)，吊物擺幅小，安全系數(shù)高。

圖1 無人天車定位系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 三維定位系統(tǒng)布置圖

我們把車間物料和設(shè)備在三維立體空間內(nèi)定位，每個物料或設(shè)備都有1個確定的三維立體坐標(biāo)。設(shè)定大車位置為X坐標(biāo)，小車位置為Y坐標(biāo)，吊鉤位置為Z坐標(biāo)。該系統(tǒng)主要包括位置檢測裝置和天車控制系統(tǒng)。

位置檢測裝置：大車、小車位置的檢測采用線性絕對值編碼尺系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有：讀碼器、編碼尺、編碼尺接口模塊及安裝附件。讀碼器采取短距離的紅外對射方式讀取編碼尺上的位置信息，并計算出位置值，位置信息和診斷數(shù)據(jù)經(jīng)編碼尺接口模塊，通過PROFINT網(wǎng)絡(luò)傳輸至PLC控制器CPU中。線性絕對位置編碼尺系統(tǒng)無機械接觸、無磨損，實時檢測，基本不受震動、沖擊、灰塵、溫度波動的影響，可靠性高、維護方便，能用于惡劣環(huán)境工況。如圖2所示，沿大、小車軌道鋪設(shè)安裝X軸編碼尺和Y軸編碼尺，安裝時注意保持編碼尺平直。吊鉤位置采用絕對值編碼器測量，以SSI數(shù)據(jù)方式傳入PLC的位置模塊。絕對值編碼器安裝在電機軸上，連接可靠，安裝牢固。編碼器安裝在電機的同心軸上，以保證編碼器與電機的運行速度一致。

天車控制系統(tǒng)：包括車載天車控制器、無線控制裝置和地面監(jiān)控裝置。其中車載天車控制器包括PLC、起升電機驅(qū)動裝置（變頻器）、大車電機驅(qū)動裝置（變頻器）、小車電機驅(qū)動裝置（變頻器）和編碼尺接口模塊，無線控制裝置包括移動控制終端和車載無線收發(fā)模塊。用PLC對位置數(shù)據(jù)進行存儲、分析處理，處理后的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至地面監(jiān)控裝置和移動控制終端。移動控制終端作為手持終端，實時顯示天車的位置信息，并兼具遙控器及工控機兩者功能。用變頻器驅(qū)動大車小車及吊鉤運行。無線通訊系統(tǒng)的構(gòu)成見圖3。

圖3 無線通訊系統(tǒng)圖

2 實際應(yīng)用

以中試基地?zé)掍摽鐬槔覀儗|西大車行走的方向作為X軸，以南北小車走向作為Y軸，以豎直方向作為Z軸建立三維立體坐標(biāo)系。定義廠房西南角水平線為坐標(biāo)零點，大車向東運動即X值增大，小車向北運動Y值增大。吊鉤升起Z值增大。反向運動各值相應(yīng)減小。利用編碼尺對大小車實際位置實時數(shù)據(jù)采集，用PROFINET傳輸數(shù)據(jù)給PLC的CPU。吊鉤位置信息由編碼器檢測，以SSI數(shù)據(jù)方式傳輸給PLC位置模塊TM模塊。PLC對位置數(shù)據(jù)進行處理和存儲。通過現(xiàn)場實際測量，確定車間設(shè)備和物料的坐標(biāo)。為了天車定位更準(zhǔn)確，我們?nèi)藶閷S區(qū)的區(qū)域進行了劃分，定義了每塊區(qū)域的坐標(biāo)值。在天車吊運貨物時，將吊物所在的起點坐標(biāo)與終點坐標(biāo)值輸入人機界面中。PLC根據(jù)吊鉤實際位置及目標(biāo)位置值，計算大車小車以及吊鉤移動距離，自動規(guī)劃天車行走路徑，并給變頻器發(fā)出行走命令，吊裝命令發(fā)出，大車小車吊鉤三位一體配合動作完成起吊、運行、安放工作。整個吊運過程全部自動完成。利用西門子工業(yè)無線W788系統(tǒng)，實現(xiàn)地面監(jiān)控裝置與車載天車控制器的通信，把PLC中位置數(shù)據(jù)實時顯示在地面監(jiān)控裝置上。

3 結(jié)語

無人天車自動精準(zhǔn)定位系統(tǒng)的研究，解決了無人天車在工業(yè)生產(chǎn)活動中的關(guān)鍵性技術(shù)難題。自動精確定位技術(shù)的實現(xiàn)，為天車從無人化向智能化邁進了重要的一步。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能無人天車必將是未來工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要設(shè)備。

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