摘 要：本文主要介紹了無(wú)人天車(chē)防撞系統(tǒng)的研發(fā)，包括硬件構(gòu)成、通訊、手動(dòng)防撞、自動(dòng)防撞。自動(dòng)防撞功能細(xì)分為一級(jí)防撞功能、二級(jí)防撞功能、地面站防撞功能。防撞功能基于PLC實(shí)現(xiàn)，兩車(chē)間的實(shí)時(shí)距離與每部天車(chē)在庫(kù)區(qū)中的實(shí)時(shí)位置依靠激光測(cè)距傳感器測(cè)量，天車(chē)PLC采集激光測(cè)距傳感器的數(shù)值，經(jīng)過(guò)程序計(jì)算并轉(zhuǎn)化成實(shí)際的距離。系統(tǒng)的研發(fā)能夠有效避免無(wú)人天車(chē)在任意狀態(tài)時(shí)發(fā)生相撞事故，保障天車(chē)以及現(xiàn)場(chǎng)人員的安全。

關(guān)鍵詞：無(wú)人天車(chē);地面站;手動(dòng)防撞;自動(dòng)防撞

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.028

本文著錄格式：安樂(lè)新.無(wú)人天車(chē)防撞系統(tǒng)的研發(fā)[J].軟件，2021，42（03）：100-102

Research and Development of Unmanned Crane Anti-collision System

AN Lexin

（Tangshan Iron & Steel Group Will Automation Co.， Ltd.， Tangshan? Hebei? 063000）

【Abstract】：This paper mainly introduces the research and development of unmanned crane anti-collision system， including hardware composition， communication， manual anti-collision， automatic anti-collision. Automatic anti-collision function is subdivided into primary anti-collision function， secondary anti-collision function， ground station anti-collision function. The anti-collision function is realized based on PLC. The real-time distance of the two workshops and the real-time position of each crane in the storage area are measured by the laser range finder. The PLC of the crane collects the value of the laser range finder， which is calculated by the program and converted into the actual distance. The research and development of the system can effectively avoid the collision accident of the unmanned crane in any state and guarantee the safety of the crane and the personnel on site.

【Key words】：unmanned crane;earth station;manual collision avoidance;automatic collision avoidance

0引言

目前，無(wú)人天車(chē)技術(shù)普遍應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)，尤其是在鋼卷庫(kù)當(dāng)中，無(wú)人天車(chē)承擔(dān)著自動(dòng)下線(xiàn)、自動(dòng)過(guò)跨、自動(dòng)上線(xiàn)、自動(dòng)裝車(chē)、自動(dòng)打包等任務(wù)。無(wú)人天車(chē)代替了以往人工吊卷的方式，節(jié)省了大量的人力成本，同時(shí)在效率上也有著明顯的提高。多部無(wú)人天車(chē)在同一跨間同時(shí)作業(yè)時(shí)，需要考慮兩車(chē)間的防撞系統(tǒng)。防撞系統(tǒng)作為無(wú)人天車(chē)系統(tǒng)的重要一環(huán)，兩車(chē)間的防撞距離過(guò)大，會(huì)影響無(wú)人天車(chē)的整體運(yùn)行效率;當(dāng)防撞距離過(guò)小，則有可能發(fā)生兩車(chē)相撞事故。無(wú)人天車(chē)運(yùn)行速度較快，如果兩臺(tái)天車(chē)相撞的話(huà)勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，甚至威脅庫(kù)區(qū)人員的生命。因此，為了滿(mǎn)足無(wú)人天車(chē)運(yùn)行時(shí)的安全性，必須合理地設(shè)定兩車(chē)間的防撞距離，研發(fā)一種較全面的防撞系統(tǒng)。防撞系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于無(wú)人天車(chē)在庫(kù)區(qū)中能夠平穩(wěn)運(yùn)行起著重要的作用。

1硬件構(gòu)成

無(wú)人天車(chē)防撞系統(tǒng)硬件構(gòu)成包含：天車(chē)PLC、激光測(cè)距傳感器、反光板、地面PLC、無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備、交換機(jī)、編程電腦等。無(wú)人天車(chē)PLC和地面PLC采用西門(mén)子300系列，天車(chē)PLC通過(guò)西門(mén)子位置檢測(cè)模塊采集激光測(cè)距的數(shù)值，型號(hào)為：6ES7 338-4BC01-0AB0。無(wú)人天車(chē)PLC安裝在天車(chē)電氣室中，包含PS電源模塊、CPU、CP343-1、CP341、AI模塊、SM338等。

地面PLC安裝在地面站電氣室，包含PS電源模塊、CPU、CP343-1、DI模塊、DO模塊、DP_Coupler等。無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備安裝在AP箱和無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端中，AP箱安裝在天車(chē)平臺(tái)，無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端安裝在天車(chē)車(chē)體。無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備包含西門(mén)子SCALANCE W734-1 RJ45模塊、SCALANCE W774-1 RJ45模塊、天線(xiàn)、散熱風(fēng)扇、穩(wěn)壓電源等裝置[1]。

激光測(cè)距傳感器安裝在天車(chē)車(chē)體上，具體安裝方式如圖1所示，1#天車(chē)和2#天車(chē)車(chē)體分別安裝大車(chē)激光測(cè)距傳感器、激光防撞傳感器，在跨的邊緣安裝大車(chē)激光反光板，車(chē)體邊緣安裝防撞反光板。激光測(cè)距傳感器發(fā)射的激光照射到反光板上，可以直接測(cè)出對(duì)應(yīng)的發(fā)射距離，在激光測(cè)距傳感器面板上可以顯示實(shí)際的數(shù)值。PLC采集激光測(cè)距的數(shù)值，通過(guò)程序邏輯運(yùn)算可以算出大車(chē)當(dāng)前的實(shí)際位置以及兩車(chē)間的實(shí)際距離。

2通訊

無(wú)人天車(chē)防撞系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下包含一級(jí)防撞功能、二級(jí)防撞功能、地面站防撞功能。二級(jí)防撞功能基于天車(chē)一級(jí)PLC與無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)通訊實(shí)現(xiàn)，功能體現(xiàn)在無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)。地面站防撞功能基于天車(chē)一級(jí)PLC與地面站PLC通訊實(shí)現(xiàn)，功能體現(xiàn)在地面站PLC。系統(tǒng)涉及的通訊包括天車(chē)PLC與無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)的通訊、天車(chē)PLC與地面站PLC的通訊、天車(chē)PLC與現(xiàn)場(chǎng)激光測(cè)距傳感器的通訊。在庫(kù)區(qū)中實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，網(wǎng)絡(luò)采用5G頻段。將天車(chē)PLC、無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)、地面站PLC的IP地址設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段，該網(wǎng)段屬于無(wú)人天車(chē)系統(tǒng)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，不能和產(chǎn)線(xiàn)在同一網(wǎng)段。

系統(tǒng)詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，天車(chē)PLC中CP343-1模塊通過(guò)以太網(wǎng)連接到無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端SCALANCE W734-1 RJ45模塊，并分別為其分配IP地址。AP箱中的SCA LANCE W774-1 RJ45模塊通過(guò)以太網(wǎng)連接到AP交換機(jī)，并為其分配IP地址。AP交換機(jī)通過(guò)光纖連接到地面天車(chē)電氣室中的中心交換機(jī)。天車(chē)服務(wù)器、二級(jí)系統(tǒng)工程師站、無(wú)人天車(chē)一級(jí)工程師站、地面站PLC通過(guò)以太網(wǎng)連接到交換機(jī)。天車(chē)PLC中的SM338模塊通過(guò)SSI通訊采集激光測(cè)距傳感器的數(shù)值，經(jīng)過(guò)CPU邏輯運(yùn)算，最終轉(zhuǎn)化為天車(chē)在庫(kù)區(qū)中的實(shí)際位置和兩車(chē)間的實(shí)時(shí)防撞距離。

3手動(dòng)防撞

天車(chē)模式共分為四種模式，分別為自動(dòng)模式、有人模式、遙控模式、維修模式。自動(dòng)模式即無(wú)人模式，天車(chē)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行工單，不需要操作人員的控制;有人模式指的是天車(chē)工在駕駛艙通過(guò)檔桿、按鈕手動(dòng)操控天車(chē)運(yùn)行;遙控模式下駕駛艙可以無(wú)人，天車(chē)工在地面手持遙控裝置便可操控天車(chē)運(yùn)行;維修模式屬于純硬線(xiàn)控制，該模式下脫離了PLC的直接控制，因此，在維修模式下不需要增加天車(chē)間的防撞功能。

為了天車(chē)以及人員的安全，無(wú)人天車(chē)在自動(dòng)模式、有人模式、遙控模式下運(yùn)行時(shí)需要投入防撞功能。手動(dòng)防撞是在有人模式和遙控模式下的功能。首先分別測(cè)試兩臺(tái)天車(chē)的制動(dòng)性能，算出天車(chē)在全速狀態(tài)下突然急停時(shí)大車(chē)滑行的距離，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試選出最大的滑行距離。兩臺(tái)天車(chē)的最大滑行距離即為理想狀態(tài)下兩臺(tái)天車(chē)的手動(dòng)防撞距離。當(dāng)天車(chē)的防撞激光數(shù)值到達(dá)設(shè)定的防撞距離時(shí)，天車(chē)大車(chē)撤出速度給定。在測(cè)試階段，如果兩臺(tái)天車(chē)硬件信息一致，盡量使其最大滑行距離趨于一致。如果不一致，考慮機(jī)械問(wèn)題和變頻器參數(shù)設(shè)定是否有差異。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中為了安全起見(jiàn)，需要加上一段安全補(bǔ)償距離。

4自動(dòng)防撞

自動(dòng)防撞即無(wú)人天車(chē)在自動(dòng)狀態(tài)下的防撞功能，細(xì)分為：一級(jí)防撞功能、二級(jí)防撞功能和地面站防撞功能。

一級(jí)防撞功能：一級(jí)防撞功能通過(guò)無(wú)人天車(chē)PLC采集激光防撞傳感器的數(shù)值，當(dāng)數(shù)值達(dá)到設(shè)定的防撞距離時(shí)天車(chē)將暫停。具體實(shí)施過(guò)程如下：

（1）無(wú)人天車(chē)切換到自動(dòng)模式，無(wú)人天車(chē)PLC接收到來(lái)自無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)下發(fā)的移動(dòng)工單后，無(wú)人天車(chē)將向指定的目標(biāo)位置移動(dòng)，待天車(chē)達(dá)到全速時(shí)，在二級(jí)畫(huà)面點(diǎn)擊暫停按鈕，無(wú)人天車(chē)一級(jí)PLC接收到暫停命令后，天車(chē)設(shè)定速度瞬間為零，算出在自動(dòng)狀態(tài)下天車(chē)從高速到停止的滑行距離。以這種方式分別測(cè)算出兩臺(tái)天車(chē)的滑行距離，假設(shè)滑行距離分別為S1和S2。

（2）手動(dòng)狀態(tài)下將兩臺(tái)天車(chē)防撞柱緊緊貼在一起，算出貼在一起后激光防撞數(shù)值。此時(shí)的防撞數(shù)值分別設(shè)為D1和D2，數(shù)值選擇大值。

（3）假設(shè)D1>D2，安全補(bǔ)償值為D_offset，自動(dòng)狀態(tài)下天車(chē)的防撞距離D=S1+S2+D1+D_offset。反之，D=S1+S2+D2+D_offset。

參考圖1，天車(chē)自動(dòng)狀態(tài)下，2#天車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)，1#天車(chē)朝2#天車(chē)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)1#天車(chē)的實(shí)際防撞數(shù)值小于防撞距離D時(shí)，1#天車(chē)將暫停。2#天車(chē)開(kāi)出防撞距離后，1#天車(chē)可繼續(xù)執(zhí)行工單;1#天車(chē)和2#天車(chē)相向行駛時(shí)，兩臺(tái)天車(chē)實(shí)時(shí)采集各自的防撞距離，當(dāng)達(dá)到防撞距離后天車(chē)將分別暫停，避免兩車(chē)相撞事故發(fā)生。

二級(jí)防撞功能：二級(jí)防撞功能通過(guò)無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在二級(jí)系統(tǒng)里判斷是否到達(dá)防撞范圍，防撞距離需設(shè)定在二級(jí)系統(tǒng)。如果到達(dá)防撞范圍，二級(jí)向無(wú)人天車(chē)PLC發(fā)送暫停命令。通過(guò)無(wú)人天車(chē)PLC與無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)的通訊，二級(jí)將接收來(lái)自無(wú)人天車(chē)PLC發(fā)送的大車(chē)實(shí)時(shí)位置，大車(chē)的實(shí)時(shí)位置通過(guò)大車(chē)激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)，兩臺(tái)天車(chē)初始階段需要將大、小車(chē)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，即在同一個(gè)固定位置同跨兩臺(tái)天車(chē)的實(shí)際坐標(biāo)一致。具體實(shí)施過(guò)程為：

（1）無(wú)人天車(chē)切換到自動(dòng)模式，無(wú)人天車(chē)PLC接收到來(lái)自無(wú)人庫(kù)區(qū)二級(jí)系統(tǒng)下發(fā)的移動(dòng)工單后，無(wú)人天車(chē)將向指定的目標(biāo)位置移動(dòng)，待天車(chē)達(dá)到全速時(shí)，在二級(jí)畫(huà)面點(diǎn)擊暫停按鈕，無(wú)人天車(chē)一級(jí)PLC接收到暫停命令后，天車(chē)設(shè)定速度瞬間為零，算出在自動(dòng)狀態(tài)下天車(chē)從高速到停止的滑行距離。以這種方式分別測(cè)算出兩臺(tái)天車(chē)的滑行距離，滑行距離分別設(shè)為S1和S2。

（2）手動(dòng)狀態(tài)下將兩臺(tái)天車(chē)防撞柱緊緊貼在一起，算出貼在一起后兩臺(tái)天車(chē)大車(chē)實(shí)際位置的差值。差值設(shè)為D3。

（3）假設(shè)安全補(bǔ)償值為D_offset，自動(dòng)狀態(tài)下天車(chē)的防撞距離D=S1+S2+D3+D_offset。

參考圖1，假設(shè)1#天車(chē)朝2#天車(chē)運(yùn)行方向?yàn)樽鴺?biāo)大方向，天車(chē)自動(dòng)狀態(tài)下，2#天車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)，1#天車(chē)朝2#天車(chē)運(yùn)行時(shí)，二級(jí)通過(guò)通訊實(shí)時(shí)讀取天車(chē)的當(dāng)前位置，2#大車(chē)的當(dāng)前位置與1#大車(chē)的當(dāng)前位置的差值小于防撞距離時(shí)，二級(jí)將向1#天車(chē)PLC發(fā)送暫停命令，1#天車(chē)將暫停。2#天車(chē)開(kāi)出防撞距離后，1#天車(chē)可繼續(xù)執(zhí)行工單。

地面站防撞功能：地面站防撞功能通過(guò)地面站PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，功能是將上面所述的一、二級(jí)防撞功能結(jié)合在了一起，將其通過(guò)地面站來(lái)實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于多一層保護(hù)。地面站PLC與無(wú)人天車(chē)PLC進(jìn)行通訊，接收來(lái)自天車(chē)的實(shí)時(shí)位置及防撞數(shù)值。地面站包含雙層保護(hù)，一層通過(guò)防撞激光傳感器實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式和一級(jí)防撞相同;另一層通過(guò)大車(chē)激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式和二級(jí)防撞相同。地面站防撞功能需要考慮通訊延時(shí)所造成的影響，將延時(shí)造成的差值累加在安全補(bǔ)償值當(dāng)中。在天車(chē)自動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)?shù)孛嬲綪LC判定兩車(chē)距離到達(dá)防撞距離后，向無(wú)人天車(chē)PLC發(fā)送急停信號(hào)，無(wú)人天車(chē)PLC接收到信號(hào)后，天車(chē)將觸發(fā)軟急停。地面站防撞功能優(yōu)先級(jí)低于一、二級(jí)防撞功能。

5結(jié)語(yǔ)

無(wú)人天車(chē)防撞系統(tǒng)的研發(fā)，綜合考慮了眾多因素，總共設(shè)定三層保護(hù)：一級(jí)防撞功能、二級(jí)防撞功能和地面站防撞功能。當(dāng)其中一層保護(hù)失效時(shí)，其它層保護(hù)均能起作用。這種多層保護(hù)能夠保障無(wú)人天車(chē)在庫(kù)區(qū)運(yùn)行時(shí)的安全性及穩(wěn)定性，在無(wú)人天車(chē)系統(tǒng)當(dāng)中起著重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 向曉漢.西門(mén)子PLC工業(yè)通信完全精通教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.