關于無人行車防搖擺的探討和改進

王蘇平，潘恒韜，王 棚，沈 平，候方羊，吳文浩

（江西新鋼南方新材料有限公司，江西新余 338000）

0 引言

目前國內冷軋廠生產線人工打包區均采用三級下發計劃，操作工打印紙質計劃，操作工指吊入位，人工糾偏，指吊工指揮天車按照之前選好的位置入庫。傳統人工打包作業中途可能遇到發貨卷被壓、抄卷工庫內找卷找位、超出天車工作范圍等情況，極大影響了生產線生產節奏，增大了工人的勞動強度。打包區天車自動作業系統具備精確定位的功能，可以將天車大車控制在30 mm 范圍以內，天車小車控制在10 mm 范圍以內，實現打包材料定位放置，提高打包的速度。并將原來的二次起吊打包變成一次放置完后就打包完成。

天車自動作業系統通過按鈕方式完成人機交互，其中，“允許打包”按鈕代表當前打包位沒有鋼卷并且已經鋪好打包材料；“打包完成”按鈕代表當前打包位的鋼卷已經打好包的并且沒有人員作業，可以吊卷入庫。

1 發展現狀

在多數的冶金庫區，都會涉及到天車的作業。傳統工作方式是由地面上的天車指揮人員（指車工），通過對講機指揮天車操作工，完成天車作業任務。不同天車有不同的指揮人員指揮作業，由于天車軌道較長、地面指揮人員視野狹窄以及各指揮人員之間溝通不暢等因素，在多臺天車同時執行任務的過程中，一臺天車等待另一臺天車，甚至倒車的情形時有發生，不僅嚴重影響正常的作業生產，而且存在很大安全隱患。

2 行車主鉤晃動糾偏及安全措施

天車鋼絲繩在行車啟動時，由于慣性作用，主鉤與行車大梁不處于垂直90°位置，需要PLC 控制車體運行作業，否則行車主鉤會發生嚴重傾斜，無法安全、有效地進行物料的抓取和卸載作業。考慮上述因素的影響，結合天車無人駕駛的防搖擺技術，在原有的主鉤定位系統加裝防搖擺裝置實現晃動糾偏。通過安全防護算法實現安全的自動作業。防搖擺裝置裝在行車主鉤鉤頭（發射端）和小車上（接收端）。大車作業過程中，如果主鉤傾斜度大于0.3°，則PLC 防搖擺控制系統自動介入控制。如果由于外部原因，PLC 系統控制介入后仍無法消除主鉤傾斜，且傾斜角度大于0.5°，則控制大車停止作業，以保證人員和設備的安全。安全措施和晃動糾偏屬于設備層次的改造，是打包區天車自動作業系統順利投入必備條件。

行車的加速或減速會導致夾鉗的擺動。行車的行駛速度越快，夾鉗的搖擺幅度越大。為確保無人行車以較快的速度運行，采用閉環防搖控制系統增強防搖的效果。在動態取卷和放卷過程中，一般要求吊具擺角在0.5°以內，否則將無法實現鋼卷在庫房內的精準碼放。如果吊具下部擺動幅度較大，將影響行車取卷和放卷，降低生產效率，嚴重時會造成吊具與鋼卷磕碰、導致鋼卷質量問題。

擺角產生的原因是吊具與行車卷揚機之間采用柔性連接，在行車變速運動過程中，由于慣性作用，吊具的速度變化不可避免地會滯后于大車和小車。為了降低速度變化的不同步，可以通過擺角檢測儀檢測出大車及小車移動時的擺角，由行車PLC 根據擺角的大小與方向計算出補償速度，然后疊加到大車及小車的控制速度上，以此控制行車吊具的擺動（圖1）。

圖1 速度補償原理

行車PLC 把大車及小車的運行速度及位置等數據信息發送到擺角控制器，擺角控制器接收擺角檢測儀檢測出的大車及小車擺角后，再結合大車及小車的實時運行數據，計算出擺角補償速度，然后發送給行車PLC，行車PLC 把補償值疊加到速度設定值上，并通過PROFIBUS-DP 總線發送給傳動裝置，控制大、小車的速度。防搖控制系統采用西門子SATEC 光學閉環防搖系統，其典型配置如圖2 所示。

圖2 SATEC 光學閉環防搖系統典型配置

3 行車自動控制

行車自動控制功能包括操作方式、行車本體自動控制系統、傳動控制系統、定位控制系統、防碰撞系統、吊具控制系統、防搖擺控制系統和數據系統等，實現行車無人駕駛、精準定位、自動吊放鋼卷等功能。

3.1 操作方式

行車的操作方式包括自動、手動、遙控及維修操作方式操作行車，電源的啟動、停止、急停和所有機構均可在遙控器上集中操作。行車控制系統與庫管理系統對接，可實現行車的無人自動操控。

3.2 自動控制系統

自動行車控制系統處理行車上所有傳感器信號，保證行車的安全運行，完成庫管系統下達的作業指令。系統選用西門子PLC產品，通過以太網實現與地面庫管系統的數據通信，主要包含以下功能：①吊具控制；②行車橫向、縱向、主鉤升降協同控制功能；③速度控制、位置控制及計算停止距離功能；④安全高度控制功能；⑤自我診斷功能：判斷行車是否有故障，根據行車故障狀態決定是否進行下一步動作；⑥主鉤起升高度定位功能；⑦機械保護功能，包括限位開關（含預限位開關）、超速開關、登機門開關、起重機防撞等；⑧電氣系統故障報警，包括欠電壓、過電流、過熱、調速裝置故障等；⑨配置有PLC 工程師站，通過WinCC軟件可以實時查看變頻器、電機及各個開關量的實時狀態，并可通過STEP7 軟件讀取、修改、保存控制程序。

系統電源由獨立于動力電源和照明電源的控制電源提供。PLC 為框架式，各功能模塊為插件式，便于擴展、更換和維修保養。PLC 的功能滿足整機控制和管理的要求，所提供的模擬、數字I/O 點和主機存貯器都留有至少10%的裕量，以保證系統的可靠運行及未來的擴展需求。I/O 模塊采用AC 220 V 電壓等級。

4 傳動控制系統

無人行車控制系統在大車、小車、主鉤升降及旋轉裝置增加西門子S120 系列變頻器，在電機非負荷側安裝增量式編碼器，并加裝保護罩，以減少振動，提高測量精度和使用壽命，實現變頻器矢量閉環控制。變頻器的技術要求為：①大車、小車、起升各機構采用變頻調速，大車采用一拖二控制方式；②大車、小車、起升各機構變頻調速采用帶編碼器的閉環控制；③具備閉環矢量控制功能；④支持PROFINET 或PROFIBUS-DP 總線；⑤采用4096 線以上精度的增量式編碼器。

5 數據通信系統

無人行車系統與地面管理系統之間時刻都有大量的數據交互。在行車快速行駛的過程中，必須保證數據通信的穩定性和連續性。本系統的無線通信采用基于無縫漫游的無線局域網技術，無線網絡接入點都支持iPCF 協議，在不同的通信節點之間切換時間低于100 ms。無線局域網絡搭建完成后，可以通過遠程操作對各無線接入點的配置參數進行管理和修改，行車上無線AP節點需單獨設計防護支架，防止振動造成的信號不穩定。支持2.4 GHz、5 GHz 通信頻段，使用支持802.11n 標準無線網絡，以實現行車行駛時候在不同無線接入點之間的快速漫游切換。無線接入點安裝在箱體內。每個接入點都帶多個外接全向天線。

無人行車系統要求地面和車上系統之間必須有安全穩定快速的數據通信，包括：①行車系統與地面庫管系統之間的通信；②行車系統與庫區安全圍欄系統的通信；③行車系統與地面移動設備（輥道、過跨車等）PLC 的通信。采用802.11 a/b/g combo type，DSSS 方式；通信頻段2.4 GHz、5 GHz；傳輸速率11～54 Mbps；最大通信距離100 m，無指向性。硬件設備包括交換機、光電轉換器、柜子、其他附件。

6 趨勢分析

無人天車、天車智能化運行是工業生產發展的必然趨勢。目前，越來越多的庫區實施了天車無人化控制，天車由庫管系統下發的具體路徑信息實現無人自動取放吊。但由于庫區環境多變，在路徑信息中存在多個避讓點的情況，天車需到達避讓點后停車，再進入下一個避讓點，需要頻繁啟動、停止、加速、減速，這在一定程度上影響了天車的整體運行效率。但是天車無人控制系統的應用，提升了設備的整體效率。