基于翻車機的敞車摘鉤機器人控制系統設計

李志康，張廣淵，趙峰，王國鋒

（山東交通學院，山東 濟南 250357）

0 引 言

目前，我國以煤炭為代表的散裝物料鐵路運輸采用敞車裝運為主要形式，大宗物料的卸車作業通常采用折返式卸車及進行快速翻卸，其主要作業流程均已實現機械化自動控制。翻車機需要將敞車逐節拆解進行翻車作業，但是現有的鐵路敞車采用對撞式車鉤結構其鉤舌、鉤銷、拉桿手柄等特有操控機構基于人工操作進行設計，當前操作依靠工人手動作業，沒有成熟應用的自動化解決方案。該環境下安全隱患諸多，粉塵污染損害人身健康、操作效率低、用工成本高、重復性工作造成人力資源浪費，因此設計了一種摘鉤機器人控制管理系統。

1 系統總體設計

以S7-1200 PLC 為核心，開發敞車摘鉤機器人如圖1所示，并設計了敞車摘鉤機器人控制系統。

圖1 敞車摘鉤機器人

在TIA portal 平臺上進行硬件組態、通信配置、機器人運動控制程序編寫，在WINCC 和云平臺上進行監控界面的開發，使用EPLAN Electric P8 對機器人進行電氣設計。根據翻車機室控制管理要求，應用射頻RFID 獲取敞車的基本信息，再由PLC 或上位機集中處理，融合工業以太網和物聯網，以提高翻車機室機械自動化、信息化水平。

1.1 該系統總體構成

敞車摘鉤機器人控制系統是熱電行業的重要輔助單元，通過融合工業以太網和物聯網實現摘鉤機器人自動化運行。完成非接觸式RFID 檢測敞車型號，記錄敞車、車型、車鉤類型等基本信息、機器人摘鉤作業、外部傳感器數據采集、上位機監控等任務。該系統總體構成如圖2所示。

圖2 系統總體構成

1.2 系統工作流程

敞車摘鉤控制系統控制流程如下，系統啟動后，在HMI上位機界面設定運行速度等參數，設定成功后牽引車牽引敞車進入翻車機室，敞車在牽引車的牽引下經過指定工作區域觸發限位開關。非接觸式信號采集裝置RFID 進行檢測記錄敞車信息，該信息包括敞車的車型、裝運煤炭噸數、車廂編碼等。信息記錄以后，牽引車繼續牽引至敞車摘鉤作業區，機器人根據RFID 采集到的信息，進行位置初判。最后結合視覺檢測信息，機器人執行敞車摘鉤動作，動作完成后牽引車將當前敞車牽引，在運動過程中實現本節敞車與后車分離。牽引車將當前敞車牽引至翻車機，翻車機執行翻卸任務，運行結束。

1.3 硬件選型與設計

敞車摘鉤機器人控制系統下位機以PLC 為核心，利用射頻RFID 獲取敞車類型以及車鉤信息，PLC 控制器根據RFID 讀取的信息以及視覺檢測的車鉤信息，機器人運動執行摘鉤作業。上位機通過物聯網云平臺接收PLC 以及機器人作業設備信號，云端對數據進行監控和處理，將生產信息展示給管理人員，硬件集成如圖3所示。

圖3 硬件集成圖

不同的PLC 設備會根據CPU 的功能不同以及輸出點位的數量分為不同的類型，本文主要以三軸電驅動機器人為例，考慮到控制器系統性能和可擴展性等因素，PLC 選用西門子1200 系列CPU1215C DC DCDC 作為系統的控制單元。1215C 為緊湊型CPU，PLC 設備的數字量有14 輸入和10個輸出，兩路模擬量輸入輸出，板載6 個高速計數器和4 個脈沖輸出，2 個PROFINET 端口，用于編程、HMI 和PLC間數據通信。其中一個接口接交換機用于擴展PROFINET端口，通過以太網PROFINET 交換機和KTP400 觸摸屏、物聯網云平臺相連接。

RFID 射頻識別技術是一種非接觸、近距離無線通信技術。選用深圳市駿發瑞達智能科技有限公司HR1907讀卡器。通過RFID 讀卡器自動識別標簽信息。RFID 實現標簽物體和網絡之間進行雙向數據交互和實時動態管理。在制造業領域中，RFID 與PLC 搭配使用，是最普遍的無線識別工業控制方式，與射頻RFID融合有助于實現生產數據的在線監控管理。因此，根據翻車機室安全管理需要，設計了一種摘鉤機器人控制系統，由射頻RFID 記錄敞車類型及車鉤信息等。

物聯網云平臺為連接設備提供安全可靠的通信能力，云平臺支持連接設備數據采集后存儲，支持連接設備間的數據轉換和數據下發。此外，提供方便的設備管理，并且支持數據結構化存儲、遠程調試、監控和運行維護。實驗選用速控云智能科技有限公司Suk-Box-W 型號物聯網云盒子。

HMI 界面設計采用TIA Portal V15 中的WINCC 軟件，該軟件中包含界面開發所應用的基本控件、圖像、元素等，可靈活、高效地完成基本功能界面編程開發。其次，西門子博圖軟件，可實現HMI 變量和PLC 變量鏈接，實現實時交互和控制。以便變量參數，數據在應用界面上實時同步顯示。HMI 觸摸屏選用西門子KTP400 觸摸屏。

1.4 機器人電氣設計

EPLAN 是一款多領域的設計的軟件，應用范圍廣泛，平臺包括Electric P8 和ProPanel 模塊，Electric P8 用于電氣原理圖的設計，可縮短工程時間和降低設計成本。電氣設計部分，使用EPLAN Electric P8 對機器人進行電氣設計。電源保護原理圖如圖，電源分配原理圖如圖4所示，電機驅動控制電路原理圖，PLC 電路原理圖，HMI 觸摸屏電路原理圖，PLC 輸入輸出接線原理圖。

圖4 機器人電氣設計

1.5 上位機軟件設計

為實現翻車機室敞車摘鉤機器人故障報警實時監控，敞車摘鉤機器人控制系統上位機軟件包括摘鉤工作區的HMI界面和云平臺遠程監控界面。可清晰看到敞車摘鉤機器人等設備的工作狀態，現場管理的工作人員可通過應用界面，監視翻車機室是否發生故障以及故障發生點，方便排除故障。在上位機HMI 界面中設計了組態界面、用戶登錄界面、報警試圖、應用監控界面等。

1.6 機器人運動控制程序設計

機器人運動控制程序的編程遵循模塊化進行，RFID 與PLC 采用485 通信方式進行通信，在程序中需要設定RFID讀卡器工作模式，本實驗中選擇第4 種工作模式即外部信號觸發RFID 讀卡器進行一次掃描的工作模式。PLC 讀取RFID 參數程序塊，并將標簽數據進行讀取、處理、存放進DB 數組中。程序可實現將讀取到的敞車標簽信息存放到數組，以供其他程序進行使用。

PLC 控制機械臂電機軸程序，包括電機軸啟動、停止、回原點、相對位移移動等指令。當要執行摘鉤動作或機器人運動指令時，PLC 調用運動指令塊，根據運動參數的下發情況，執行相應的運動指令。在實際的機器人工作時，首先將機器人上電進行初始化，PLC 控制電機等將機器人的三軸迅速調整至初始位置。數據存儲區進行初始化清零。在完成上電之后，三個軸分別復位，觸發三個軸復位之后，當三軸分別都回歸到各自的原點位置之后，觸發復位完成的總標志位置，此時表示機器人可以開始正常工作。在PLC 控制中，主要是以程序方式來體現其控制功能，由于其內部的繼電器數量龐大，在內存允許的情況下能夠反復使用。在控制過程中，使用PLC 能夠實現對氣動機器人的高精度控制。至此完成基于PLC 技術的機器人自動化控制方法。

PLC 控制器與上位機通信程序，實現PLC 與上位機通信，將上位機處理的數據進行下發，并實現數據交互。PLC控制器與HMI 觸摸屏通信，通過在博圖軟件中組態，設置同網段不同的兩個地址，硬件連接采用PROFINET 網線連接，實驗中PLC 地址為192.168.0.12，HMI 觸摸屏地址為192.168.0.11。

2 實驗過程

2.1 實驗設置

因翻車機室是重型生產車間，為驗證本文設計的基于翻車機室的敞車摘鉤機器人自動化控制方法具有一定的有效性，因此實驗部分在實驗室搭建簡易實驗平臺。過程中，選擇控制器的是型號為西門子1215C CPU 搭配性能適配的伺服系統作為方法性能測試的硬件部分。在測試中，使用本文設計的PLC 控制電驅動機器人的自動化控制方法。

驗證包括PLC 內部數據與云平臺交互、PLC 收發牽引車、RFID 等外部設備信號、機器人運動程序控制、HMI 界面設置等。測試搭建環境，硬件組態鏈接包括RFID 讀卡器、HMI 觸摸屏、PLC 控制器和物聯網云盒子等，軟件編程設計包括機器人運動程序、上位機界面設計等。

2.2 實驗結果

在實驗中，PLC 接收RFID 讀卡器通信數組，保存敞車類型以及車鉤信息。外部設備通過PLC 進行數據采集，在HMI 和云平臺上對數據進行顯示。

測試結果，RFID 測試結果數組68 ～79 位為數據信息位，其他為數據組包頭信息和校驗位。云平臺界面測試結果如圖5所示可清晰地看到機器人云平臺管理系統中現場的工作信息，可以查詢云平臺歷史數據查詢界面的測試結果，HMI 觸摸屏手動調試界面，HMI 觸摸屏顯示界面如圖6所示，方便現場的工作人員調試、檢查等。

圖5 云平臺界面測試

實驗驗證表明，自動化敞車摘鉤機器人控制管理系統功能合理、運行穩定，既能高效管理敞車摘鉤機器人使用安全等信息，又有助于提高熱電行業機械化、自動化水平。

3 結 論

本文以熱電企業翻車機室為背景，設計了一種敞車摘鉤機器人的控制管理系統。完成的工作主要包括以下幾個方面：機器人運動控制、敞車信息采集、牽引車等信號處理、上位機運行監控，從工作過程出發，對敞車摘鉤機器人控制系統給出了相應的設計方案、系統總體設計并進行了軟件設計和硬件設計。對下位機控制系統的各個模塊分別進行了測試，并對系統的性能進行了分析建立了上位機各模塊的功能。在此基礎上，對整個系統進行了測試控制系統能正常可靠地運行。