基于Ethernet/IP總線的堆垛天車控制系統設計

張華龍

(株洲天橋起重機股份有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

2020年全世界的原鋁產量為65 267 kt,其中我國產量為37 317 kt,占全世界總產量的57.2%。鋁作為僅次于鋼鐵的第二大消費金屬,目前其生產的唯一方法為霍爾-埃魯特發明的冰晶石-氧化鋁熔鹽電解鋁生產方法,以陽極炭塊為還原劑將鋁置換出來[1],由此可知該過程需要用到大量的陽極炭塊。以目前一個年產50萬噸的電解鋁項目為例,噸鋁消耗陽極炭塊約500 kg左右[2],一年需消耗約20.8萬～27.7萬個炭塊(單個炭塊重約0.9 t～1.2 t),這些炭塊均需在炭塊庫內流轉,而炭塊庫流轉作業的物流裝備為堆垛天車,因此堆垛天車控制系統的安全可靠性顯得尤為重要。傳統碳素行業炭塊堆垛天車控制系統經常出現夾具下滑、炭塊掉落等問題,本文針對傳統碳素行業炭塊堆垛天車控制系統存在的不足,設計了一套基于Ethernet/IP總線的控制系統。

1 堆垛天車介紹

堆垛天車包含大車運行機構和夾具、起升機構,大車縱向往復于倉庫中,配合夾具搬運炭塊完成出入庫操作。堆垛天車結構示意圖如圖1所示。

圖1 堆垛天車結構示意圖

2 堆垛天車控制系統方案設計

根據堆垛天車的結構及控制要求,設計的控制系統由PLC、變頻器、觸摸屏、超聲波開關以及聯動臺等組成。考慮信號分散,PLC采用分布式I/O結構,主站布置于大車電氣控制柜內,遠程分布式I/O布置于夾具控制箱內[3];觸摸屏作為系統的控制器和人機界面,用于顯示天車各系統的實時狀態以及參數設置等;變頻器采用Ethernet/IP總線與PLC通訊,當PLC控制系統接收到駕駛室操作人員手柄等主令指令時,通過內部程序進行運算輸出,控制相應機構的變頻器輸出設置的頻率和電壓,實現對大車運行電機及夾具起升電機的控制;超聲波傳感器用于檢測夾具炭塊在夾起過程中是否有脫落的現象;對于夾具起升電機,還需要在電機后端加裝增量型編碼器,將電機速度反饋至變頻器做速度閉環控制,以提高變頻器的調速精度和響應速度。堆垛天車控制系統拓撲圖如圖2所示。

圖2 堆垛天車控制系統拓撲圖

3 控制系統設計及選型

3.1 PLC及HMI的選型

PLC一般根據系統工藝復雜程度、現場I/O需求數量和代碼量大小等來選擇,本系統選用羅克韋爾Compactlogix系列PLC,CPU采用型號為1769-L33ER模塊,其自帶1個EtherNet/IP網絡接口,2 MB工作存儲器;吊具上遠程子站采用1769-AENTR以太網接口模塊,PLC數字量輸入模塊用于采集司機室主令控制信號、配電設備狀態信號、外部傳感器等信號;數字量輸出模塊用于控制主交流接觸器、聲光報警器等動作。HMI選用羅克韋爾2711P系列10寸屏幕。

3.2 變頻器選型及拖動回路設計

大車運行變頻器及夾具起升變頻器均選用ABB品牌ACS880系列。大車運行變頻器采用一拖二的V/F控制模式,夾具起升變頻器采用帶速度傳感器閉環的DTC控制模式[4],其拖動原理圖如圖3所示。

圖3 夾具起升電機變頻拖動原理圖

采用傳統堆垛天車控制系統時經常會出現夾具下滑或者制動器電源接觸器粘連導致制動失效等問題。夾具出現下滑的情況有兩種:①夾具起升停止抱閘瞬間的下滑,此情況為變頻器停止輸出與制動器的抱閘未配合好,即兩者的控制時序出現了問題;②負載停留在半空時啟動瞬間的下滑,此情況為變頻器啟動輸出與制動器的抱閘未配合好。變頻器具有控制電機零轉速時仍保持負載不下滑的滿轉矩功能,即零速懸停功能,當編碼器反饋電機轉速為零時,變頻器輸出繼電器控制制動器接觸器斷開,此時PLC數字量輸出模塊也控制另一個制動器接觸器斷開,調試時需要注意的是,制動器從斷電到抱閘的動作時間應小于變頻器零速滿轉矩保持時間,即制動器抱閘后變頻器再停止輸出,否則一定會出現夾具下滑。此外,變頻器還具有直流強勵磁功能,即可設定抱閘打開轉矩值,保證電機建立足夠大的力矩維持負載在空中不下滑[5]。為避免制動器電源接觸器粘連可以采用兩個接觸器串聯的形式,當其中一個接觸器出現觸頭粘連不能分開時,另一個接觸器也可以有效地分開,以保證制動器主電源可靠斷開并抱閘。夾具起升電機制動器控制原理如圖4所示。

圖4 夾具起升電機制動器控制原理圖

3.3 超聲波傳感器選型

空夾具下放夾取炭塊時,存在夾具下放到炭塊上夾起炭塊提升的過程中,由于夾具故障等原因出現炭塊掉落或未夾起的現象,此時必須停止上升,需要重新將夾具放下夾取炭塊,但實際操作過程中,司機可能由于視線問題或疲勞問題未發現,故選用探測距離為800 mm的超聲波接近傳感器可以有效判斷并解決此問題。

4 控制系統軟件設計

4.1 PLC程序設計

4.1.1 程序保護策略

空夾具下放夾取炭塊時,夾具落到炭塊上表面后,夾具上的到位開關動作,程序控制變頻器停止輸出,夾具為自重夾具,通過一對對稱的連桿帶動夾具臂完成炭塊夾持,程序控制夾具緩慢上升約400 mm,如每個超聲波傳感器均有輸出,則認為每個夾具已經完成對炭塊的夾持,此時允許夾具起升機構繼續上升到一定高度;如其中有一個或多個超聲波傳感器無輸出,則認為炭塊夾持失敗,需要重新下放夾具完成夾持,并在觸摸屏上顯示具體哪個夾具夾持失敗。夾具起升電機上升控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 夾具起升電機上升控制流程

4.1.2 程序設計調試

羅克韋爾PLC編程平臺為Rslogix5000 V21版本,PLC程序采用模塊化編程方法,根據堆垛天車作業工藝,分別在主程序Main Program下建立Main Routine主例程序塊、大車運行功能子程序塊和夾具起升功能子程序塊;借助Rslogix5000編程平臺靈活的編程功能完成各子程序的編譯;然后在Main Routine主例程序塊中分別調用大車運行功能子程序和夾具起升功能子程序。夾具起升電機控制程序如圖6所示。

圖6 夾具起升電機控制程序

控制程序設計完成后,采用RslogixEmulate5000軟件模擬運行條件進行PLC仿真,仿真效果與設計要求一致,驗證了系統設計的可行性。

4.2 觸摸屏程序設計

采用羅克韋爾10寸2711P系列觸摸屏作為人機交互界面,采用FactoryTalk View Studio觸摸屏開發軟件進行畫面編輯,根據工藝需求一共設置了4個界面:主啟動界面、大車運行監控界面、夾具起升機構監控界面和故障查找界面。夾具起升機構監控界面如圖7所示。

圖7 夾具起升機構監控界面

5 結束語

根據炭塊庫堆垛天車的作業工藝和功能要求,開發了基于Ethernet/IP總線的堆垛天車電氣控制系統,該系統不僅在功能上滿足了炭塊堆垛作業的基本需求,而且在設備安全方面也有很大改善,解決了夾具下滑和炭塊掉落后繼續運行的不安全問題,降低了設備故障率和故障查找時間,提高了生產效率,可為庫房堆垛類應用場景提供設計借鑒。