摘要:随着工业生产过程中信息化技术水平的不断提升，提升作业效率和增强对人员和设备的安全保障越来越被重视。本文针对现有天车系统的分析，结合行业发展和技术发展趋势，详细阐述无人化智能天车控制系统的概念，提出无人化天车系统的总体框架和基本功能，实现库区管理的自动化。
关键词:无人化控制,防摆控制,天车控制,智能工厂,库区管理
普通冷轧车间的天车操作大都依靠人工，工作环境单调、工人劳动强度大、容易误操作、设备运行效率低，安全性差。十三五规划中，国家适时提出“中国制造2025”，钢铁工业信息化和工业务的深度融合是发展的必然选择。发展无人化智能天车控制系统，既可以提高天车运行效率、降低故障率、降低能源消耗，又可减轻工人的劳动强度，提升安全性，是智能化工厂发展的必然方向之一。
1系统总体架构
由于无人天车控制系统结构复杂，工况多变，为适应各种工况下的应用及扩展，将系统划分为ERP(企业资源管理系统-L4)，MES(生产过程管理信息系统-L3)，钢卷库管理系统-L2，检测、控制、驱动系统-L1，如图1所示。
由于天车在运行过程中需要高速、稳定的信息交换，根据钢铁行业的工况和环境特点，采用工业以太网、工业无线以太网、DP网络配合使用的模式，确保系统对传感器和执行机构信号的实时获取和传达，从而大大增强网络系统的可靠性和稳定性，其网络系统图如图2所示。
2天车PLC控制系统
天车无人化系统能够实现自动钢卷查找、自动吊卷、放卷及天车自动无人驾驶等功能。要实现这些功能必须对天车及其附属设备进行精确的控制。天车定位并识别钢卷后，自动吊卷，然后通过天车位置控制到达钢卷目标库位后自动放卷。在这个连续的作业过程中天车无人系统为提高作业效率和保证作业安全，在天车运行时，还将对天车横向位置、纵向位置、垂直方向位置进行协调控制[1]。
2.1PLC硬件组成
PLC选用德国西门子S7-300型产品，用于天车的基础自动化控制，包括天车中的逻辑控制、顺序控制、位置控制以及操作和联锁控制，故障检测分类，报警控制等。以S7-300CPU为中心，与上位监控计算机组成ETHERNET网，与分布式I/O模块和交流变频调速器构成ProfibusDP总线网络系统，实现整个电控系统的网络化工作模式。PLC安装于电气室电控柜内，分布式I/O模块安装在天车驾驶室。
2.2主要传感器选型及特性
天车大车(X轴)运行距离较长，可达几百米，其位置检测采用一条独特的编码电缆(又称诱导母线)来实现，同时解决中央控制室与移动天车之间可靠的数据通信、天车所在位置检测。基于感应无线技术的车上位置检测系统，其位置检测精度可达5mm，检测长度可达1km。感应天线与编码电缆的可靠感应距离为5～30cm，不受天车运行过程中振动的影响。
因此，天车大车位置检测系统运行稳定、可靠性强。天车小车(Y轴)位置检测采用激光测距传感器，定位精度可达2mm以内;非接触测量长度和速度，不受打滑、划痕和被测物材质的影响。天车主钩(Z轴)位置检测采用绝对值编码器，它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置地代码，并准确地找到零位代码，从而避免位置反馈不正确导致的控制异常。
2.3主要控制功能
天车PLC控制系统能够实现如下功能:天车横向、纵向、垂直向位置控制;夹钳防摆控制;横向、纵向及垂直方向联动控制;安全高度控制;夹钳位置控制;防撞控制;过跨车、步进梁位置控制以及信号检测和驱动控制。
3传动控制电控系统
天车的大车行走、小车行走、主钩升降、副钩升降均采用多传动交流变频传动系统，有如下特点:(1)速度控制、位置控制更精准，是实现天车无人化和智能化的必备条件;(2)实现防摆、防扭控制等诸多实用功能;(3)控制电机实现平稳启动，大幅延长设备使用寿命，增长维护周期;(4)传动电机变频装置采用统一的整流装置，整流装置元件为IGBT，可实现电能回馈;(5)因整流单元可实现电能回馈，且对于主钩副钩一类设备实现有效节能;(6)传动装置相对体积较小，且可无间隙紧凑布置，降低空间占用。
4防摆控制系统
天车在运行时，如果夹钳下部摆动幅度较大，将影响天车取卷和放卷，降低生产效率，严重时会造成夹钳与钢卷之间的磕碰，出现钢卷质量问题，所以必须控制天车在横向与纵向移动时夹钳下部的摆动幅度。通过摆角检测仪检测出大车及小车移动时的摆角，天车PLC根据摆角大小及摆动方向计算出补偿速度，然后叠加到大车及小车的控制速度上，以此控制天车夹钳的摆动。天车PLC把大车及小车的运行速度及位置等数据信息发送到摆角控制器，摆角控制器接收摆角检测仪检测出的大车及小车摆角后，再结合大车及小车的各种数据，计算出摆角补偿速度(速度控制曲线如图3所示)，然后发送给天车PLC，天车PLC把补偿值叠加到速度设定值上，通过DP网发送给传动装置，控制大小车的速度。
5车辆识别系统车辆识别系统是根据停好的车辆种类、形状和停车位来识别车辆，并对不同种类的车辆扫描出卷位坐标，使装卷和卸卷作业自动进行的车辆识别系统，其技术特点如下:测定方式:激光扫描系统;测定位置:车辆上部;测定误差:±50mm;测定对象:不同形状的车辆;3D形象图出现，并能测定上卷位坐标;测卷宽度、外径，确认卷形状和正确性;大车、小车及高度位置的测定。
6库房管理自动化系统库房管理自动化系统的主要功能是实现库区钢卷入库管理、钢卷库间管理及钢卷出库管理。天车作业过程包括作业计划、作业执行以及作业结果反馈，主要功能如下。
库区配置:依据现场库的布置，通过系统参数的设置，将系统信息与实际的库图相连接。库的大小、跨的分布、垛的分布以及鞍座的位置的物理坐标都是与现场成比例缩放的。同时，将实际的距离参数提供给控制系统，从而避免碰撞危险的发生。库区设备管理:库房管理自动化系统由天车、过跨车、步进梁、IC卡读取设备以及手持终端等设备组成。将这些设备提供的信息连通，再控制设备的运转，才能形成完整的自动化系统，是管理自动化系统不可或缺的一部分。
入库车辆跟踪:入库车辆跟踪系统，主要是收货入库时，通过信息共享，将车辆装载的钢卷位置以及数量进行识别。天车调度管理:依据仓库的库图信息，天车的工作负荷，以及物料作业的优先级，合理的分配天车。
要完成一个任务需要2台及以上天车配合时，天车调度系统自动调度天车工作。作业计划管理:具有与MES、物流管控平台等系统的无缝连接以及数据的自动交换功能。接收上游系统下达的作业计划、临时作业指示，系统自动进行目标位置预约、天车自动分配、自动生成指挥工单完成入库、出库和倒库的工作。库图管理:根据现场作业的实绩反馈，对物料进行实时跟踪，物料的位置集合就形成了库图。依据实时的库图信息进行决策，才能更准确。包括库图总览、垛位详情、库图同步等功能。
7手持式终端系统天车无人化系统的日常作业使用人员除了主操作人员还包括库管操作人员、设备维护人员及厂管理人员。这些人员关注的不是怎么操作天车，而是需要掌控库区管理、物料跟踪、库区整理、天车实时状态、天车作业统计以及根据现场需要提出作业请求，并转发给主操作人员，基于以上特点建设的天车无人化系统移动终端APP软件(简称天车APP)，针对不同的使用者可以实现以下功能:库管操作人员，主要进行现场各种作业，包括入库、倒库、盘库、装车、卸车、打包、上料、下料、冻结等现场操作。天车设备维护人员，主要远程监控天车上各个设备、传感器的状态，查看行车里程、对天车整体运行情况进行诊断。库区管理用户，使用手持终端可查询当前库区存货情况、天车作业率统计、实时反映库区的分布情况以及作业量等。
8结束语
本文全面阐述了无人化智能天车的总体框架和主要组成部分，针对各个子系统提出了方案架构和功能指标，解决了传统天车存在的定位精度不高，工作效率低下等问题，提高了天车的作业效率，降低了天车设备故障率，极大地降低了工人的劳动强度，可有效降低企业和社会的成本，实现了库区作业管理的信息化、精确化、无人化，在钢铁天车领域具有极强的推广价值。
参考文献:
[1]郑晓光，周文华，李小萍.天车智能控制器[J].黑龙江电子技术，1996(3):2.
