李海濤
（遷安首信自動化信息技術(shù)有限公司 河北遷安市 064400）
摘要：行車在冶金工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，具有吊運坯料、卷料、輥材等功能，傳統(tǒng)行車一般沒有自動定位功能，只能由行車司機目測行車位置和吊鉤高度進行吊運，工作效率低、人工成本高，存在一定的安全隱患。近年來，由于信息化水平的不斷提高和ERP、MES系統(tǒng)的普及應(yīng)用，無人化行車依靠自動化技術(shù)、智能庫管系統(tǒng)在庫區(qū)管理中的應(yīng)用實現(xiàn)了無人操作、精準定位、自動吊放的功能。其中精準定位到物料的準確位置是自動吊運的前提條件，本文以常見的卷料為例，介紹在三維空間中無人行車如何精確定位到卷料卷芯的位置，以及由于工況環(huán)境不同引起的定位不準的解決方案。
關(guān)鍵詞：無人行車；精確定位；變頻驅(qū)動
0 引言
根據(jù)國家智能制造的戰(zhàn)略要求，無人化行車在各大鋼廠或物流企業(yè)開始興起，本文通過介紹定位方法在無人行車中的應(yīng)用，通過一段時間的測試運行，此方法精確定位到卷料卷芯位置具有可行性和可靠性。
1 行車位置檢測的常用方法
1.1 編碼定位
格雷母線和編碼器都屬于編碼定位原理，格雷母線扁平狀的基準線和地址線電纜與天線箱之間通過電磁耦合產(chǎn)生電流，基準線和地址線電纜中感應(yīng)電流通過地址編碼接收器進行比較，將比較的相位差產(chǎn)生格雷編碼。格雷母線檢測位置的優(yōu)點是絕對地址信息穩(wěn)定可靠、無誤碼、無積累誤差，缺點是安裝繁瑣，位置檢測分辨率較低。
絕對值編碼器通過讀取碼盤上漏光通道形成的明、暗刻線，獲得從2的零次方到2的n-1次方的2進制編碼（格雷碼），將碼值通過PLC程序處理得到相應(yīng)的檢測值，編碼器安裝在大車、小車、起升機構(gòu)的傳動軸處，一般為Profibus_DP或Profinet通訊協(xié)議，具有安裝簡便、穩(wěn)定可靠的特點，編碼器的檢測精度與編碼器的位數(shù)n有關(guān)，缺點是用于檢測輪軌運動方式時，由于輪子與軌道間會產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，或機械精度問題引起測量偏差較大，所以大車、小車方向很少使用編碼器用于位置檢測，編碼器多用于起升機構(gòu)的位置檢測[1]。
1.2 激光定位
激光定位基本原理是光反射，具有測量范圍大，測量精度高、安裝方便、受環(huán)境影響小等特點，激光測距儀支持Profibus_DP或Profinet通訊協(xié)議，具有狀態(tài)診斷和速度計算等功能，可滿足自動行車在定位過程中的位置反饋精度要求。其中Profinet通訊協(xié)議可通過PLC設(shè)置1-512ms的高頻率掃描周期，將掃描結(jié)果用于防搖控制器的防搖和定位功能，掃描頻率符合防搖控制器的采樣處理周期，能達到理想的防搖效果和定位精度。
2 精確定位的系統(tǒng)組成和方法
無人行車實現(xiàn)精確定位到卷料卷芯位置需要各系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，形成閉環(huán)控制，各系統(tǒng)包括：
Ø 智能庫管系統(tǒng)；
Ø PLC控制系統(tǒng)；
Ø 防搖和定位控制系統(tǒng)；
Ø 變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)。
閉環(huán)控制原理圖.
智能庫管系統(tǒng)負責將卷芯位置在三維坐標系中的坐標（大車方向x、小車方向y、吊鉤高度z）發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)的PLC控制系統(tǒng)，庫管系統(tǒng)給出正確坐標的依據(jù)是庫區(qū)測繪數(shù)據(jù)。對于雙層鋼卷的工況，二層鋼卷沒有固定的物理坐標鞍座，碼放在兩個鋼卷之上，天車調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)二層卷的外徑、內(nèi)徑計算卷料放到某個位置是否安全，計算卷料放到該位置后的坐標數(shù)據(jù)，校驗當前坐標從數(shù)學(xué)層面是否合理，校驗當前坐標從工業(yè)方面是否符合現(xiàn)場安全規(guī)定，是否會對底部卷料產(chǎn)生損壞等。庫管系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫每次記錄吊放鋼卷的實際位置數(shù)據(jù)，在下一次吊運此鋼卷時與PLC傳感器數(shù)據(jù)進行雙重驗證，保證坐標數(shù)據(jù)的準確性。
PLC控制系統(tǒng)圖.
PLC控制系統(tǒng)是防搖和定位控制系統(tǒng)與變頻驅(qū)動單元的連接核心，負責將行車的設(shè)定位置信息、實際位置信息、公共數(shù)據(jù)信息發(fā)送給Sway control system（具有定位模式），同時Sway control system將定位計算結(jié)果通過PLC系統(tǒng)發(fā)送給變頻驅(qū)動控制單元，完成各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通訊及行車機構(gòu)主控功能。
2.3 防搖和定位控制系統(tǒng)
防搖和定位控制系統(tǒng)是無人行車精確定位的核心設(shè)備，本設(shè)計方法采用SINOTION C系列運動控制器，SINOTION C是基于SIMATIC S7-300設(shè)計的運動控制器，可以使用SIMATIC S7-300系列模塊對SIMOTION C進行擴展。用于伺服或矢量驅(qū)動的設(shè)定值輸出，既能實現(xiàn)邏輯和運算控制功能，又能實現(xiàn)PID功能,在消除搖擺角度控制的同時，又能實現(xiàn)行車大車（X方向）、小車（Y方向）的精確定位功能。
SIMOITION C240PN 自動化系統(tǒng)圖
2.4 變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)
2.5 精確定位的方法
精確定位到卷料的卷芯位置需要同時滿足4個方向的精確定位，即大車方向、小車方向、主鉤高度方向、吊鉤的旋轉(zhuǎn)方向，通過上述智能庫管系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、防搖和定位系統(tǒng)、變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的協(xié)同運行，可實現(xiàn)大車、小車方向的防搖擺和定位功能。主鉤高度方向的精確定位需要配合智能夾具的傳感器信號完成，首先，智能庫管系統(tǒng)根據(jù)卷料的外徑信息和坐標測繪數(shù)據(jù)（或二層卷的計算數(shù)據(jù)），給出卷芯位置的高度坐標（Z方向），主鉤高度編碼器和智能夾具上的傳感器信號雙重判斷主鉤高度是否合適，通過PLC計算的速度斜坡完成主鉤高度方向的卷芯位置精確定位。吊鉤旋轉(zhuǎn)一般分為旋轉(zhuǎn)90。和180。，根據(jù)庫管系統(tǒng)下發(fā)的旋轉(zhuǎn)角度指令，由吊鉤旋轉(zhuǎn)變頻器和角度檢測編碼器形成閉環(huán)控制，完成吊鉤旋轉(zhuǎn)方向的精確定位。四個方向定位全部完成后，最終由夾具上的傳感器設(shè)備驗證是否滿足夾緊條件，滿足條件后可繼續(xù)完成自動吊運的相關(guān)動作。
3 不同工況定位不準的解決方案
對于自動行車而言，物料碼放的絕對位置坐標數(shù)據(jù)是固定的，這就對碼放物料的鞍座形式有一定要求，常用的卷料鞍座以橡膠、聚氨酯、鋼結(jié)構(gòu)材料為主，但鞍座形式多種多樣，對于不能完全卡住卷料的鞍座形式會造成卷料滾動的情況，無法按測繪坐標數(shù)據(jù)實現(xiàn)準確定位。
無法固定卷料鞍座例圖
這種工況下，自動行車需具備自動調(diào)節(jié)功能，在上述系統(tǒng)設(shè)計不變的前提下，由夾具傳感器信號判斷卷料的滾動方向，根據(jù)滾動方向重新調(diào)節(jié)大車或小車定位，直到夾具傳感器信號滿足條件，值得注意的是防搖和定位控制器在調(diào)節(jié)過程中擺長要滿足在最大\最小擺長范圍內(nèi)，此解決方案從控制方法上解決了卷料卷芯位置坐標不固定的情況，但從工作效率上增加了再次調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)，降低了工作效率，對于工作節(jié)奏較快的環(huán)境，改造鞍座形式使物料絕對位置坐標固定是更好的解決方案。
4 結(jié)束語
行車作業(yè)多用在重工業(yè)環(huán)境，行車操作人員工作環(huán)境較差，安全系統(tǒng)較低，行車自動精確定位技術(shù)很好的解決了此問題，不再需要操作人員現(xiàn)場操作行車作業(yè)，并將信息化技術(shù)應(yīng)用到智能庫區(qū)管理，提高了行車的工作效率和操作人員的安全系數(shù)，近年來，隨著無人行車在卷料庫或板坯庫的廣泛應(yīng)用，此設(shè)計方法實現(xiàn)了精準的定位控制，目標位置與實際位置偏差能滿足10mm以內(nèi)，為無人行車的自動穩(wěn)定運行提供了可靠的保障。
參考文獻
[1] 賀龍. 天車定位方式淺析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（19）：141