劉新航　張宇

【摘 要】本文基于一種三維電動(dòng)平臺(tái)車系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、軟硬件配置及系統(tǒng)功能方面的詳細(xì)闡述。

【關(guān)鍵詞】PLC；自動(dòng)定位；分段控制；CANOpen

0.前言

在火法冶金工藝中，鋁熱還原法是最常用的一種自蔓延反應(yīng)，其反應(yīng)的特點(diǎn)是速度快，熱量高，且不需要外部施加額外的能源，但同時(shí)也對(duì)如何提高安全性提出了新的課題。目前國(guó)際上比較常用的方法是通過(guò)破開熔融金屬液上表面渣層的方式，將熱量適度釋放，以降低反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

為了提高產(chǎn)能，并最大限度的保障人身與設(shè)備安全，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，需要將承載剛反應(yīng)完的熔融金屬液的坩堝及時(shí)運(yùn)輸?shù)狡圃疫M(jìn)行破渣，并馬上準(zhǔn)備下一個(gè)空坩堝進(jìn)行下一個(gè)反應(yīng)?；诋a(chǎn)能與安全的考慮，我們針對(duì)鋁熱還原法在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的工藝要求，設(shè)計(jì)并制作了具備自動(dòng)定位功能的軌道式三維電動(dòng)平臺(tái)車。該平臺(tái)車由0.4KV供配電系統(tǒng)、頂升平臺(tái)系統(tǒng)、東西向大車運(yùn)行系統(tǒng)以及南北向小車運(yùn)行系統(tǒng)組成，同時(shí)配有人機(jī)界面，分權(quán)限等級(jí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

軌道式電動(dòng)車具有運(yùn)行速度快且穩(wěn)定、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，在現(xiàn)代自動(dòng)化物流系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)既可作為立體倉(cāng)庫(kù)的周邊設(shè)備，也可作為獨(dú)立系統(tǒng)[1]。

該系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)定位誤差小于5mm，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝定位的要求。

1.設(shè)備構(gòu)成

1.1系統(tǒng)概要

該電動(dòng)平臺(tái)車系統(tǒng)由38個(gè)工位組成，包括5個(gè)熱反應(yīng)室，3個(gè)破渣室，20個(gè)冷卻工位和10個(gè)坩堝暫存工位，軌道上的平臺(tái)車根據(jù)預(yù)設(shè)自動(dòng)運(yùn)行，并將需要的坩堝進(jìn)行運(yùn)輸，如圖1.1所示。

三維電動(dòng)平臺(tái)車的一次工作周期由從坩堝暫存區(qū)取空坩堝開始，經(jīng)過(guò)運(yùn)送坩堝加料反應(yīng)、運(yùn)送反應(yīng)后的坩堝進(jìn)行破渣、運(yùn)送破渣后的坩堝進(jìn)行冷卻，最后將冷卻后的坩堝運(yùn)送回坩堝暫存區(qū)等待渣塊分離，每一步驟完成后均需要進(jìn)行三方向的位置定位與確認(rèn)，以確保工序的準(zhǔn)確和生產(chǎn)的安全。

該電動(dòng)平臺(tái)車主要由整車供電系統(tǒng)、整車電氣控制系統(tǒng)、大車運(yùn)行系統(tǒng)、小車運(yùn)行系統(tǒng)、小車升降系統(tǒng)以及小車拖纜系統(tǒng)組成。

1.2系統(tǒng)描述

1.2.1整車供電系統(tǒng)

為了防止地面沉降和供電線纜直接被高溫炙烤，整車供電系統(tǒng)采用恒力矩卷筒電機(jī)收放卷筒專用扁電纜的方式進(jìn)行供電，電纜為3P+N+PE的五芯扁電纜，內(nèi)置兩根鋼絲以吸收張力。將扁電纜的一端固定后連接于軌道末端放置的EPS電源柜中，另一端固定在電動(dòng)平臺(tái)車卷筒的取電器上。

1.2.2整車電氣控制系統(tǒng)

（1）PLC系統(tǒng)。

PLC控制系統(tǒng)采用Schneider公司的M258系列PLC，其具備一個(gè)以太網(wǎng)接口，一個(gè)CANopen接口和一個(gè)串行接口。CANopen接口與5個(gè)從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從站包括大車、小車以及小車電纜卷筒驅(qū)動(dòng)變頻器（ABB ACS800系列），大車多圈絕對(duì)值編碼器（德國(guó)Hengstler）和小車?yán)K式絕對(duì)值編碼器（德國(guó)Hengstler）；串行接口通過(guò)Modbus協(xié)議與電動(dòng)平臺(tái)車控制柜體上的觸摸屏進(jìn)行通訊；以太網(wǎng)口預(yù)留，以便與上級(jí)MES進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 [2][3]。

編程軟件為Schneider SoMachine V3.0，觸摸屏為Schneider HMISTU855，上位機(jī)組態(tài)軟件采用Schneider Vijeo Designer。

SoMachine是Schneider發(fā)布的組態(tài)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Schneider系列PLC的組態(tài)并讀寫PLC的存儲(chǔ)區(qū)。同時(shí)，SoMachine也集成了Vijeo Designer，用以開發(fā)觸摸屏人機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，人機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)報(bào)表，配方發(fā)布等功能。本系統(tǒng)的觸摸屏的主要功能是參數(shù)設(shè)定與顯示，以及異常狀態(tài)報(bào)警[4]。

（2）控制系統(tǒng)。

控制方式有本地、遠(yuǎn)程手動(dòng)與自動(dòng)三種方式，由安裝在車體上的控制柜上的旋鈕進(jìn)行選擇。本地控制方式主要用于平臺(tái)車系統(tǒng)的維修和應(yīng)急，因此由硬連線的保護(hù)裝置控制，并且獨(dú)立于PLC以及所有給PLC發(fā)信號(hào)的裝置。在“遠(yuǎn)程-手動(dòng)”模式下，通過(guò)遙控器可以對(duì)電動(dòng)平臺(tái)車的大車、小車以及升降系統(tǒng)分別進(jìn)行控制，但必須滿足系統(tǒng)安全連鎖條件。在“遠(yuǎn)程-自動(dòng)”方式下，電動(dòng)平臺(tái)車的啟動(dòng)、停止、對(duì)位等工作均按照操作員的預(yù)設(shè)方式進(jìn)行。

“遠(yuǎn)程-自動(dòng)”模式是平臺(tái)車的正常工作狀態(tài)。操作員需要做的，僅僅是在遙控器端設(shè)定目標(biāo)工位，并使能自動(dòng)模式，其余所有的工作均由平臺(tái)車自動(dòng)完成。為了保障安全，目前階段，平臺(tái)車運(yùn)行的各節(jié)點(diǎn)需要操作人二次確認(rèn)。

（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1）大車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

大車由一臺(tái)帶電磁抱閘的電機(jī)通過(guò)減速箱與兩個(gè)主動(dòng)輪組成的剛性連接驅(qū)動(dòng)，在長(zhǎng)約100m的軌道上行駛，核心驅(qū)動(dòng)單元為一臺(tái)ABB ACS800變頻器。該變頻器與PLC以及安裝在隨動(dòng)輪上的實(shí)時(shí)檢測(cè)大車位置的多圈式絕對(duì)值編碼器進(jìn)行CANopen通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大車的位置，通過(guò)與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，可以對(duì)大車電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)或者多段位調(diào)速，以達(dá)到平穩(wěn)準(zhǔn)確對(duì)位的目的。

大車的對(duì)位精度可以在觸摸屏中進(jìn)行調(diào)整，目前的對(duì)位精度為5mm，但系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)或者由于慣性過(guò)沖時(shí)，平臺(tái)車會(huì)自動(dòng)重新對(duì)位，直到在誤差范圍以內(nèi)。

2）小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

小車的驅(qū)動(dòng)方式與大車類似，運(yùn)行軌道為南向5.4m，北向3.6m，且必須在大車對(duì)位穩(wěn)定后，方可向?qū)R的工位運(yùn)行。其核心驅(qū)動(dòng)單元為一臺(tái)ABB ACS800變頻器，位置檢測(cè)單元為一臺(tái)拉繩式編碼器，小車供電采用卷盤式取電器配合高強(qiáng)度可拉伸電纜，卷盤電機(jī)由一臺(tái)ABB ACS800變頻器控制，以上的兩臺(tái)變頻器和一臺(tái)編碼器也都連接在與大車相同的CANopen網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)小車運(yùn)行時(shí)，拉繩式編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)小車的位置，對(duì)卷盤電機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，保證小車供電電纜的張緊力適度，既不會(huì)過(guò)于松弛，垂到地面，又不會(huì)過(guò)于張緊，影響電纜壽命。

小車的對(duì)位精度以及電纜張緊力均可以在觸摸屏中進(jìn)行調(diào)整，小車到位信號(hào)由拉繩式編碼器給出，由車載接近開關(guān)作為驗(yàn)證。目前的對(duì)位精度為10mm，完全滿足目前工藝要求。

3）升降系統(tǒng)。

升降系統(tǒng)由一臺(tái)絲杠電機(jī)帶動(dòng)頂部托盤進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)由正反向接觸器控制，配合熱繼電器進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)通過(guò)接近開關(guān)進(jìn)行上下限位的保護(hù)。

2.結(jié)束語(yǔ)

大連融德特種材料有限公司的三維電動(dòng)平臺(tái)車投產(chǎn)一年多以來(lái)，電氣供配電系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，有效地提高了企業(yè)生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化水平，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了危險(xiǎn)性，取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在本行業(yè)及其它相關(guān)行業(yè)具有很高的推廣價(jià)值。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]張應(yīng)強(qiáng)，魏鏡弢，王庭有.RGV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].河南科學(xué)，2012.

[2]RCAN-01用戶使用手冊(cè)[M].ABB Drives，2008.

[3]SoMachine教程培訓(xùn)手冊(cè)[M].Schneider-Electric Pty Ltd，2011，2.

[4]SoMachine指令手冊(cè)[M].Schneider-Electric Pty Ltd，2012，3.