蔡元睿

（北華航天工業(yè)學(xué)院， 河北 廊坊 065000）

0 引言

本項目的目標(biāo)是要建立一套完整的數(shù)字化煤場系統(tǒng)，煤場軌道巡檢機器人（以下簡稱“煤場軌道設(shè)備”）作為煤場檢測設(shè)備（激光掃描儀、紅外熱像儀）的載體，在煤場頂部馬道下方的軌道上往復(fù)運行， 為數(shù)字化煤場系統(tǒng)采集煤場的實時堆存及溫度數(shù)據(jù)。

巡檢機器人可全天候無間斷執(zhí)行盤煤任務(wù)， 減少安全隱患，代替人工巡檢。同時為檢修人員規(guī)避了不必要的風(fēng)險，全面提高盤煤任務(wù)過程中的安全性及可靠性，實現(xiàn)煤場巡檢的自動化。

1 電氣設(shè)計與選型

1.1 電氣需求分析

根據(jù)技術(shù)要求， 煤場軌道設(shè)備需要由一個控制器、一套伺服電機和幾個電氣元件（電氣元件根據(jù)具體情況加減）控制，可以實現(xiàn)多種運行方式：單一控制和信息系統(tǒng)控制。

設(shè)備各軸行程方面， 在設(shè)備運行導(dǎo)軌指定位置需安裝光電開關(guān)、磁感應(yīng)式限位開關(guān)。 光電開關(guān)安裝在煤場軌道設(shè)備上指定位置，防止設(shè)備的碰撞。 磁感應(yīng)式限位開關(guān)安裝在導(dǎo)軌起始端和末端位置。

安全方面，煤場軌道設(shè)備在信息系統(tǒng)控制下，HMI 為鎖定狀態(tài)，以防設(shè)備運行時工廠人員誤操。 此外，各操作界面均有急停按鈕，若設(shè)備運行過程中發(fā)生意外，可隨時讓設(shè)備停止運行且只能以手動方式返回原點。

圖1 總體方案圖Fig.1 Overall plan

操作方面，有現(xiàn)場操作以及控制室操作控制。 現(xiàn)場操作用嵌入式觸摸屏配合HMI 操作，控制室運用計算機PC端用盤煤儀軟件或者煤場信息系統(tǒng)進(jìn)行操作控制。

根據(jù)以上電氣需求分析， 制定了電氣控制部分的總體方案，以貝克霍夫PLC 及其系列相關(guān)模塊為控制核心，上位控制為總控制室的PC 和現(xiàn)場嵌入式觸摸屏，外圍傳感器有行程開關(guān)等。 信號交互包括煤盤系統(tǒng)和煤場信息系統(tǒng)，執(zhí)行機構(gòu)是伺服系統(tǒng)等。 簡單做個方案圖，后面詳細(xì)介紹。

1.2 電氣設(shè)計

該煤場巡檢設(shè)備的電氣設(shè)計是為了設(shè)計煤場軌道設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)?？刂乒穹胖迷诿簣鲕壍涝O(shè)備的尾部，包含24V 供電電源電路（用于給立邁勝伺服供電）和煤場軌道設(shè)備控制電路（PLC 及其IO 模塊、傳感器的輸入輸出以及控制器對外的信號輸出等）。電控系統(tǒng)電氣原理圖和詳細(xì)的電氣接線圖， 交給現(xiàn)場工程師進(jìn)行電氣柜的組裝和接線。

電氣圖紙均采用EPLAN 軟件進(jìn)行設(shè)計，EPLAN 是國際上通用的電氣設(shè)計軟件， 相對于AutoCAD 來說，EPLAN 功能更加完整，且更具專業(yè)性。

2 設(shè)備運動控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概況

設(shè)備運動控制系統(tǒng)主要包括了煤場巡檢機器人操作控制系統(tǒng)以及與盤煤儀的通訊功能， 是基于Twincat3.1平臺采用ST 語言編寫而成，操作控制系統(tǒng)程序包括單動和聯(lián)動下控制的手動和自動運行、設(shè)備啟停、煤場、狀態(tài)診斷、系統(tǒng)間信號交互、故障顯示等功能。

2.2 設(shè)備操作模式的控制

煤場巡檢設(shè)備運動控制系統(tǒng)中設(shè)備操作模式包括單動模式和聯(lián)動模式。

（五）有利于促進(jìn)加工業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)一體化的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)格局 在分散的小規(guī)模生產(chǎn)情況下，需加工的商品畜數(shù)量、質(zhì)量得不到保證，產(chǎn)品競爭力弱，加工業(yè)的增值空間極為有限。要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營，要先有一定的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)?；B(yǎng)殖作為基礎(chǔ)，保障加工業(yè)所需的優(yōu)質(zhì)原料供應(yīng)，才能實現(xiàn)加工業(yè)良性發(fā)展，才能支持和反哺養(yǎng)殖業(yè)，實現(xiàn)良性的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2.3 控制程序簡介

煤場巡檢設(shè)備控制系統(tǒng)的運動控制程序基于Twin-CAT3.1，用ST 語言編寫。它采用模塊化思想，定期對函數(shù)進(jìn)行分類，并將其寫入各自的模塊，然后進(jìn)行檢索。 這樣寫作思路清晰，要實現(xiàn)的功能不會丟失，查找方便，有錯誤或者需要修改的地方可以快速準(zhǔn)確的找到。 采用模塊化編程，調(diào)試非常方便。 逐個調(diào)試函數(shù)時，只調(diào)用當(dāng)前需要的函數(shù)，操作方便快捷，大大提高了調(diào)試效率。

根據(jù)設(shè)備需求，煤場巡檢設(shè)備控制系統(tǒng)使用單個NC軸，分別對應(yīng)機械結(jié)構(gòu)上的伺服電機。

3 上位機控制軟件

3.1 Beckhoff HMI 可視化編程簡介

倍福的人機界面可視化編程可以在TwinCAT 中直接制作， 在PLC 程序中的VISU 文件夾中新建可視化界面即可開發(fā)人機界面。

畫面制作簡單快捷易懂， 可直接調(diào)用當(dāng)前程序中定義的任何變量，例如數(shù)字輸出量，數(shù)字輸入量，不需要建立特殊的Tag。

3.2 HMI 發(fā)布至WEB 開發(fā)

準(zhǔn)備工作： 在需運行樣例的電腦和控制器中安裝TwinCAT3 軟件，需安裝TC3 的v3.1.4018.13 及以上版本才可以支持HMI-Web 功能， 以及安裝HMI Web 插件包： TF1810-PLC-HMI-Web。 之后將電腦和控制器通過交換機相連，并且接入交換機的LAN 口，以煤場巡檢設(shè)備為例， 煤場巡檢設(shè)備與電腦通過無線AP 進(jìn)行通訊，電腦為發(fā)射端，PLC 連接至接收端，設(shè)置完成后，添加Web-Visualization，之后激活配置，登入網(wǎng)址：http：// PLC 地址/tc3plchmiweb/port_851/visu/webvisu.htm 即可。

在聯(lián)動模式下，為了安全考慮，操作員無法從操作界面切換至單動模式，若設(shè)備在運動過程中出現(xiàn)故障，則會自動切換至單動下的手動模式，操作員需使用手動操作，將煤場軌道設(shè)備移動回原點， 才可繼續(xù)使用聯(lián)動以及自動運行的功能。

用戶在登入HMI 時，若想對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，需要先登入，才可以修改數(shù)據(jù)。

4 設(shè)備調(diào)試

4.1 伺服調(diào)試

4.1.1 Nimotion Studio 軟件調(diào)試

伺服采用立邁勝公司的PMM-6020B 集成電機。雖然有幾種模型，但調(diào)試方法是相同的。參數(shù)配置由伺服主機軟件尼莫通調(diào)試。

4.1.2 Twincat 軟件調(diào)試

使用Nimotion Studio 軟件后，需要使用Twincat 軟件配置NC 軸的特定設(shè)置。這些設(shè)置與Nimotion Studio 軟件配置的設(shè)置不同。 Twincat NC 軸的配置與特定的工藝流程直接相關(guān)。 該項目使用“位置”模式，因此需要調(diào)整速度，極限，后向誤差等。

4.2 IO 調(diào)試

IO 調(diào)試是一種逐點測試的方法，在功能測試之前硬件測試是正確的。

硬件測試：通過按鈕、指示燈、磁感應(yīng)開關(guān)、陀螺儀、光電傳感器等外部硬件?？纯刂破魃螴O 模塊對應(yīng)點的指示燈有沒有動作。如果所有的響應(yīng)都是正確的，則意味著該套安全磁感應(yīng)開關(guān)的IO 硬件測試成功，然后再進(jìn)行其他測試。

功能測試： 功能測試只有在硬件測試正確后才能進(jìn)行，或者以磁感應(yīng)開關(guān)為例。操作設(shè)備認(rèn)為觸發(fā)兩個磁感應(yīng)開關(guān)后，設(shè)備會回到原點，在切斷前后啟用。 如果兩個磁感應(yīng)開關(guān)中有一個沒有感應(yīng)到，設(shè)備繼續(xù)運行，則實現(xiàn)磁感應(yīng)開關(guān)的功能。

4.3 設(shè)備整體調(diào)試

設(shè)備整體調(diào)試是項目收尾的前提， 也是整個項目最關(guān)鍵的步驟，設(shè)備是否能夠成功運行，在此一舉。 此煤場巡檢設(shè)備整體包含三套系統(tǒng)：Twincat 運動控制系統(tǒng)、煤場燃煤信息系統(tǒng)、盤煤儀系統(tǒng)，整體調(diào)試就是設(shè)備在三套系統(tǒng)相互配合運行，并且能夠完成指定的盤煤任務(wù)。

設(shè)備的整體調(diào)試已經(jīng)卡在系統(tǒng)之間的通信和自動運行的邏輯中一段時間了。 主要問題不是因為技術(shù)問題，而是因為通信問題，因為三個系統(tǒng)分別由三家廠商進(jìn)行。 在設(shè)備整體調(diào)試之前，我們只是在線交流，沒有離線交流。 結(jié)果到了現(xiàn)場就出現(xiàn)了問題， 然后面對面溝通了解，最終解決了溝通問題。 自動操作的問題主要在于考慮使用安全。

5 結(jié)論

煤場軌道設(shè)備是煤場巡視作業(yè)中常見的設(shè)備，為替代人工實施高風(fēng)險作業(yè)提供了安全的保障。 很榮幸可以參與煤場軌道設(shè)備電控系統(tǒng)的開發(fā)。 從一開始接到項目時的迷茫，到實驗室完成項目的初步調(diào)試，到最后設(shè)備可以穩(wěn)定完整的完成煤場的盤煤任務(wù).中間經(jīng)歷了許多曲折，碰到了許多的問題，并一一解決，最后的歡呼聲足以掩蓋這過程中的困難，讓我覺得所有的挑戰(zhàn)，委屈，一切都是值得的。