橋式起重機(jī)的智能轉(zhuǎn)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

杜文正，童國(guó)林，劉陳，趙典

(第二炮兵工程大學(xué)202 教研室，陜西西安710025)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)起重機(jī)的自動(dòng)化程度及安全穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。目前，國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)在起重機(jī)智能控制研究方面取得了很大的進(jìn)步，但大部分的研究都是集中在有操作人員控制的基礎(chǔ)上，智能化程度并不高［1－2］。作者以橋式起重機(jī)為設(shè)計(jì)平臺(tái)［3］，以機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)［4－5］、起重機(jī)精確定位及智能消擺技術(shù)為基礎(chǔ)［6－10］，以實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)自動(dòng)化智能轉(zhuǎn)載為目標(biāo)，從機(jī)械傳動(dòng)、自動(dòng)檢測(cè)、電氣控制、無(wú)線通信、軟件設(shè)計(jì)、控制算法等6個(gè)方面設(shè)計(jì)了一套智能化程度較高的橋式起重機(jī)智能轉(zhuǎn)載系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、工控機(jī)、無(wú)線通信系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。工控機(jī)作為系統(tǒng)的上位機(jī)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理控制中心;無(wú)線通信系統(tǒng)完成工控機(jī)與自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)之間的通信;自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與存儲(chǔ);電氣控制系統(tǒng)接收工控機(jī)的指令，對(duì)起重機(jī)進(jìn)行變頻控制。系統(tǒng)在轉(zhuǎn)載前，利用電氣控制系統(tǒng)控制起重機(jī)大車運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在主梁上的激光測(cè)距掃描儀完成轉(zhuǎn)載場(chǎng)地的地形掃描;工控機(jī)對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立空間環(huán)境模型并規(guī)劃出一條能夠規(guī)避障礙物的最優(yōu)安全路徑;在給定轉(zhuǎn)載起點(diǎn)和終點(diǎn)的條件下，工控機(jī)利用運(yùn)動(dòng)控制算法向電氣控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制起重機(jī)的3 個(gè)電機(jī)，沿著優(yōu)化路徑實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的自動(dòng)化智能轉(zhuǎn)載;轉(zhuǎn)載完成后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)載場(chǎng)地的地形進(jìn)行修復(fù)，為下一次的轉(zhuǎn)載做好準(zhǔn)備。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在橋架上，由大車傳動(dòng)、起升小車組成。

2.1 大車傳動(dòng)

大車傳動(dòng)由帶制動(dòng)的變頻電機(jī)、減速機(jī)、車輪組及大車速度采集輪組成。車輪組采用定軸式;減速器采用輸入與輸出端同側(cè)立式減速機(jī)、電機(jī)安裝在橫梁的上部，這樣節(jié)約了大車傳動(dòng)所占用的空間，增大了起吊的工作范圍;大車速度采集輪安裝有測(cè)速的編碼器，通過(guò)絞接的形式安裝在大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的橫梁上，為了避免大車在運(yùn)行過(guò)程中由于軌道等原因車輪有時(shí)會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，速度采集輪通過(guò)彈簧力保證始終與軌道接觸旋轉(zhuǎn)。

2.2 起升小車

起升小車由小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和車架組成。

小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用兩邊分別驅(qū)動(dòng)，減速機(jī)為硬齒面，減速機(jī)輸出端為內(nèi)花鍵，通過(guò)內(nèi)花鍵與主動(dòng)車輪組上的外花鍵聯(lián)接傳遞扭矩?；ㄦI比單鍵聯(lián)接傳遞的扭矩大，并且傳遞更加平穩(wěn)。電機(jī)采用帶制動(dòng)的變頻電機(jī)。一端的被動(dòng)車輪上安裝有用于測(cè)速的編碼器。

起升機(jī)構(gòu)采用歐洲技術(shù)生產(chǎn)的ZH 小車，減速機(jī)為行星架結(jié)構(gòu);行星架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)減速機(jī)相比具有體積小、傳動(dòng)比大的優(yōu)點(diǎn);減速機(jī)齒輪全部為硬齒面，提高了齒輪的精度，傳動(dòng)過(guò)程噪聲小;行星架安裝在卷筒內(nèi)，使整個(gè)起升機(jī)構(gòu)更加緊揍。為了保證吊鉤的對(duì)中性，纏繞在卷筒上的鋼絲繩采用4/2 的出繩方式。起重量限制器采用軸銷式，比傳統(tǒng)的鋼絲繩旁壓式傳感器傳遞的信號(hào)更加平穩(wěn)可靠。電機(jī)采用電動(dòng)葫蘆起升專用的帶制動(dòng)的錐形變頻電機(jī)，制動(dòng)片內(nèi)預(yù)埋有傳感器，當(dāng)制動(dòng)片磨損到不能保證剎車力的情況下會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員更換摩擦片，避免了剎車力不夠引起的溜鉤事故發(fā)生。

小車架用于安裝起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和需要檢測(cè)的各種傳感器。

3 自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集模塊和各類傳感器組成，其原理圖及安裝位置如圖2所示。系統(tǒng)采用施耐德公司生產(chǎn)的Modicon 系列M258 可編程控制器PLC 完成對(duì)傳感器信息的采集和處理。主要傳感器類型及用途包括:德國(guó)米依拉線式位移傳感器分別用于測(cè)量大車、小車和吊鉤的位移;德國(guó)Sick 公司生產(chǎn)的LMS291-S05 激光測(cè)距掃描儀［11］用于獲取場(chǎng)地地形;西安中星公司生產(chǎn)的CS-2LAS 系列02 型加速度計(jì)用于測(cè)量x、y 兩個(gè)方向的加速度，CS-2TAS-05 型雙軸傾角計(jì)分別固定于激光測(cè)距掃描儀安裝基面、承載梁1/4 跨度處和3/4 跨度處，測(cè)量x、y 兩個(gè)方向的傾斜角度，用于修正激光測(cè)距掃描儀由于承載梁存在拱度而引起的測(cè)量誤差，CS-VG-02 型垂直陀螺儀用于測(cè)量吊鉤擺動(dòng)角度和擺動(dòng)角速率。

圖2 自動(dòng)檢測(cè)控制系統(tǒng)原理圖

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以PLC［12］為核心，由PLC完成控制信號(hào)的輸出，電機(jī)采用變頻控制［13－14］，工控機(jī)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)可視化操作界面、參數(shù)設(shè)置、起重機(jī)狀態(tài)顯示與記錄、路徑規(guī)劃、起重機(jī)精確定位和智能消擺算法控制以及至少100 m 距離的遠(yuǎn)程監(jiān)控等。系統(tǒng)整體方案如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)方案圖

起重機(jī)大車、小車和起升機(jī)構(gòu)采用施耐德變頻器進(jìn)行變頻控制，PLC 與變頻器通過(guò)CANopen 機(jī)器總線通訊，PLC 與變頻器子站通過(guò)PDO 組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)控制。CANopen 接線箱通過(guò)PLC的機(jī)器總線端口與控制起重機(jī)大車運(yùn)行、小車運(yùn)行和起升運(yùn)行的變頻器進(jìn)行通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)PLC 總站與變頻器子站的通訊。電腦通過(guò)無(wú)線串口模塊與PLC通訊，即可以通過(guò)串口讀寫(xiě)PLC 內(nèi)部寄存器的值。

5 無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電腦通過(guò)無(wú)線串口模塊與PLC 通訊，即可以通過(guò)串口讀寫(xiě)PLC 內(nèi)部寄存器的值。工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)寫(xiě)串口程序讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，遵循PLC 模塊的通訊協(xié)議。電腦讀取PLC 寄存器內(nèi)存儲(chǔ)的傳感器數(shù)值，進(jìn)行解析與處理，在軟件界面上進(jìn)行狀態(tài)顯示;向與變頻器組態(tài)的PLC 寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制變頻器最終控制電機(jī)。

6 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)程序和PLC 程序兩部分，上位機(jī)和PCL 通過(guò)無(wú)線串口協(xié)議進(jìn)行通訊。上位機(jī)采用Visual C+ +進(jìn)行編程，主要實(shí)現(xiàn)可視化界面操作，參數(shù)設(shè)置，起重機(jī)狀態(tài)顯示與記錄，環(huán)境掃描與路徑規(guī)劃，起重機(jī)精確定位、智能消擺與遠(yuǎn)程控制以及串口通信。PLC 程序主要完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與發(fā)送，接收上位機(jī)的變頻控制指令完成對(duì)起重機(jī)的控制。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

6.1 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)方案

計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序在Visual C++環(huán)境下開(kāi)發(fā)［15－16］，并結(jié)合OPENGL 完成有關(guān)圖形的處理。Visual C++是一個(gè)功能強(qiáng)大、兼容性好、對(duì)Windows 程序進(jìn)行可視化開(kāi)發(fā)的編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，是一個(gè)相當(dāng)優(yōu)秀的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，它集代碼編輯、調(diào)試、向?qū)?、編譯和可視化資源于一體，所提供的MFC 更有助于程序的開(kāi)發(fā)。軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面圖

6.2 PLC 控制程序設(shè)計(jì)方案

傳感器信號(hào)的采集。通過(guò)PLC 擴(kuò)展A/D 模塊進(jìn)行信號(hào)的采集，并存儲(chǔ)于寄存器中?？刂坪蠭/O 信號(hào)的采集及對(duì)變頻器控制信號(hào)的輸出，這一部分為PLC程序主要部分，采用梯形圖編程，外部信號(hào)主要包括控制盒信號(hào)、各機(jī)構(gòu)限位信號(hào)等。PLC 與變頻器通過(guò)CANopen 機(jī)器總線通訊，使用PDO 組態(tài)關(guān)聯(lián)，無(wú)需另外編寫(xiě)程序。

7 控制算法設(shè)計(jì)

7.1 基于AVBN 環(huán)境建模與遺傳算法的路徑規(guī)劃

首先是工控機(jī)控制起重機(jī)帶動(dòng)激光測(cè)距掃描儀運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)載場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)距掃描，依據(jù)起重機(jī)的起重限高與負(fù)載的高度確定障礙物的忽略高度，超過(guò)這一高度的設(shè)為障礙物，以這一高度為基面建立障礙柵格地圖，在柵格地圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行AVBN 轉(zhuǎn)載場(chǎng)地環(huán)境建模，利用遺傳算法規(guī)劃出負(fù)載運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)路徑，其原理圖如圖6所示。

圖6 橋式起重機(jī)路徑規(guī)劃算法原理圖

7.2 基于模糊自適應(yīng)PID 精確定位和消擺技術(shù)

雙閉環(huán)模糊自適應(yīng)PID 控制器又稱模糊PID 參數(shù)自整定控制器，是將PID 控制器和模糊控制器串聯(lián)在一起，以系統(tǒng)給定值和控制對(duì)象實(shí)際值的偏差值e 和偏差率ec 作為模糊控制器和PID 控制器的輸入，用模糊控制器實(shí)時(shí)調(diào)整PID 的控制參量KP、KI、KD。該控制方式實(shí)時(shí)性強(qiáng)，控制精度高，不會(huì)出現(xiàn)常規(guī)PID 控制器造成系統(tǒng)超調(diào)、易振蕩的現(xiàn)象，其原理圖如圖7所示。應(yīng)用該算法能夠使起重機(jī)控制負(fù)載沿著給定的路徑點(diǎn)前進(jìn)，有很好的定位與消擺效果。

圖7 模糊自適應(yīng)PID 控制器原理圖

8 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)經(jīng)安裝調(diào)試后，運(yùn)行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在給定轉(zhuǎn)載起點(diǎn)和轉(zhuǎn)載終點(diǎn)的條件下，控制負(fù)載沿著規(guī)劃的最優(yōu)路徑完成安全無(wú)碰撞的轉(zhuǎn)載。該系統(tǒng)有以下特點(diǎn):

(1)系統(tǒng)采用基于障礙柵格的AVBN 環(huán)境建模方法，控制負(fù)載在確定高度的平面作二維運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，在完成轉(zhuǎn)載任務(wù)后，很容易對(duì)場(chǎng)地地形進(jìn)行維護(hù)，而不需要重新對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行掃描，提高了自動(dòng)轉(zhuǎn)載的工作效率。

(2)系統(tǒng)友好的人機(jī)操作界面可以很方便地對(duì)起重機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，易調(diào)試，兼容性好，有很好的應(yīng)用前景。

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