煤場巡檢機器人電控系統研制

蔡元睿

（北華航天工業學院， 河北 廊坊 065000）

0 引言

本項目的目標是要建立一套完整的數字化煤場系統，煤場軌道巡檢機器人（以下簡稱“煤場軌道設備”）作為煤場檢測設備（激光掃描儀、紅外熱像儀）的載體，在煤場頂部馬道下方的軌道上往復運行， 為數字化煤場系統采集煤場的實時堆存及溫度數據。

巡檢機器人可全天候無間斷執行盤煤任務， 減少安全隱患，代替人工巡檢。同時為檢修人員規避了不必要的風險，全面提高盤煤任務過程中的安全性及可靠性，實現煤場巡檢的自動化。

1 電氣設計與選型

1.1 電氣需求分析

根據技術要求， 煤場軌道設備需要由一個控制器、一套伺服電機和幾個電氣元件（電氣元件根據具體情況加減）控制，可以實現多種運行方式：單一控制和信息系統控制。

設備各軸行程方面， 在設備運行導軌指定位置需安裝光電開關、磁感應式限位開關。 光電開關安裝在煤場軌道設備上指定位置，防止設備的碰撞。 磁感應式限位開關安裝在導軌起始端和末端位置。

安全方面，煤場軌道設備在信息系統控制下，HMI 為鎖定狀態，以防設備運行時工廠人員誤操。 此外，各操作界面均有急停按鈕，若設備運行過程中發生意外，可隨時讓設備停止運行且只能以手動方式返回原點。

圖1 總體方案圖Fig.1 Overall plan

操作方面，有現場操作以及控制室操作控制。 現場操作用嵌入式觸摸屏配合HMI 操作，控制室運用計算機PC端用盤煤儀軟件或者煤場信息系統進行操作控制。

根據以上電氣需求分析， 制定了電氣控制部分的總體方案，以貝克霍夫PLC 及其系列相關模塊為控制核心，上位控制為總控制室的PC 和現場嵌入式觸摸屏，外圍傳感器有行程開關等。 信號交互包括煤盤系統和煤場信息系統，執行機構是伺服系統等。 簡單做個方案圖，后面詳細介紹。

1.2 電氣設計

該煤場巡檢設備的電氣設計是為了設計煤場軌道設備的電氣控制系統。控制柜放置在煤場軌道設備的尾部，包含24V 供電電源電路（用于給立邁勝伺服供電）和煤場軌道設備控制電路（PLC 及其IO 模塊、傳感器的輸入輸出以及控制器對外的信號輸出等）。電控系統電氣原理圖和詳細的電氣接線圖， 交給現場工程師進行電氣柜的組裝和接線。

電氣圖紙均采用EPLAN 軟件進行設計，EPLAN 是國際上通用的電氣設計軟件， 相對于AutoCAD 來說，EPLAN 功能更加完整，且更具專業性。

2 設備運動控制系統

2.1 系統概況

設備運動控制系統主要包括了煤場巡檢機器人操作控制系統以及與盤煤儀的通訊功能， 是基于Twincat3.1平臺采用ST 語言編寫而成，操作控制系統程序包括單動和聯動下控制的手動和自動運行、設備啟停、煤場、狀態診斷、系統間信號交互、故障顯示等功能。

2.2 設備操作模式的控制

煤場巡檢設備運動控制系統中設備操作模式包括單動模式和聯動模式。

（五）有利于促進加工業的發展，實現一體化的產業化開發格局 在分散的小規模生產情況下，需加工的商品畜數量、質量得不到保證，產品競爭力弱，加工業的增值空間極為有限。要實現產業化經營，要先有一定的標準化規模化養殖作為基礎，保障加工業所需的優質原料供應，才能實現加工業良性發展，才能支持和反哺養殖業，實現良性的產業化發展。

2.3 控制程序簡介

煤場巡檢設備控制系統的運動控制程序基于Twin-CAT3.1，用ST 語言編寫。它采用模塊化思想，定期對函數進行分類，并將其寫入各自的模塊，然后進行檢索。 這樣寫作思路清晰，要實現的功能不會丟失，查找方便，有錯誤或者需要修改的地方可以快速準確的找到。 采用模塊化編程，調試非常方便。 逐個調試函數時，只調用當前需要的函數，操作方便快捷，大大提高了調試效率。

根據設備需求，煤場巡檢設備控制系統使用單個NC軸，分別對應機械結構上的伺服電機。

3 上位機控制軟件

3.1 Beckhoff HMI 可視化編程簡介

倍福的人機界面可視化編程可以在TwinCAT 中直接制作， 在PLC 程序中的VISU 文件夾中新建可視化界面即可開發人機界面。

畫面制作簡單快捷易懂， 可直接調用當前程序中定義的任何變量，例如數字輸出量，數字輸入量，不需要建立特殊的Tag。

3.2 HMI 發布至WEB 開發

準備工作： 在需運行樣例的電腦和控制器中安裝TwinCAT3 軟件，需安裝TC3 的v3.1.4018.13 及以上版本才可以支持HMI-Web 功能， 以及安裝HMI Web 插件包： TF1810-PLC-HMI-Web。 之后將電腦和控制器通過交換機相連，并且接入交換機的LAN 口，以煤場巡檢設備為例， 煤場巡檢設備與電腦通過無線AP 進行通訊，電腦為發射端，PLC 連接至接收端，設置完成后，添加Web-Visualization，之后激活配置，登入網址：http：// PLC 地址/tc3plchmiweb/port_851/visu/webvisu.htm 即可。

在聯動模式下，為了安全考慮，操作員無法從操作界面切換至單動模式，若設備在運動過程中出現故障，則會自動切換至單動下的手動模式，操作員需使用手動操作，將煤場軌道設備移動回原點， 才可繼續使用聯動以及自動運行的功能。

用戶在登入HMI 時，若想對參數進行設置，需要先登入，才可以修改數據。

4 設備調試

4.1 伺服調試

4.1.1 Nimotion Studio 軟件調試

伺服采用立邁勝公司的PMM-6020B 集成電機。雖然有幾種模型，但調試方法是相同的。參數配置由伺服主機軟件尼莫通調試。

4.1.2 Twincat 軟件調試

使用Nimotion Studio 軟件后，需要使用Twincat 軟件配置NC 軸的特定設置。這些設置與Nimotion Studio 軟件配置的設置不同。 Twincat NC 軸的配置與特定的工藝流程直接相關。 該項目使用“位置”模式，因此需要調整速度，極限，后向誤差等。

4.2 IO 調試

IO 調試是一種逐點測試的方法，在功能測試之前硬件測試是正確的。

硬件測試：通過按鈕、指示燈、磁感應開關、陀螺儀、光電傳感器等外部硬件。看控制器上IO 模塊對應點的指示燈有沒有動作。如果所有的響應都是正確的，則意味著該套安全磁感應開關的IO 硬件測試成功，然后再進行其他測試。

功能測試： 功能測試只有在硬件測試正確后才能進行，或者以磁感應開關為例。操作設備認為觸發兩個磁感應開關后，設備會回到原點，在切斷前后啟用。 如果兩個磁感應開關中有一個沒有感應到，設備繼續運行，則實現磁感應開關的功能。

4.3 設備整體調試

設備整體調試是項目收尾的前提， 也是整個項目最關鍵的步驟，設備是否能夠成功運行，在此一舉。 此煤場巡檢設備整體包含三套系統：Twincat 運動控制系統、煤場燃煤信息系統、盤煤儀系統，整體調試就是設備在三套系統相互配合運行，并且能夠完成指定的盤煤任務。

設備的整體調試已經卡在系統之間的通信和自動運行的邏輯中一段時間了。 主要問題不是因為技術問題，而是因為通信問題，因為三個系統分別由三家廠商進行。 在設備整體調試之前，我們只是在線交流，沒有離線交流。 結果到了現場就出現了問題， 然后面對面溝通了解，最終解決了溝通問題。 自動操作的問題主要在于考慮使用安全。

5 結論

煤場軌道設備是煤場巡視作業中常見的設備，為替代人工實施高風險作業提供了安全的保障。 很榮幸可以參與煤場軌道設備電控系統的開發。 從一開始接到項目時的迷茫，到實驗室完成項目的初步調試，到最后設備可以穩定完整的完成煤場的盤煤任務.中間經歷了許多曲折，碰到了許多的問題，并一一解決，最后的歡呼聲足以掩蓋這過程中的困難，讓我覺得所有的挑戰，委屈，一切都是值得的。