基于激光测距技术的桥式起重机定位
基于激光测距技术的桥式起重机定位
作者:冷建伟;李涛
当前桥式起重机 (以下简称桥机 ) 定位控制方面研究缺乏从本质上解决定位精度差、效率低、运行过程不平稳等的研究。为此 , 提出采用激光测距仪和条码定位仪作为测距测速传感器 , 将变频器和 PLC相结合 , 实现精确的绝对认址及闭环控制。该系统已成功应用在天津太钢有限公司罩式退火炉 40 t + 10 t桥机上 , 并取得显著的应用效果。
1 桥机定位工作方式
桥机是物料装配系统中的重要设备 , 其结构退水时能上下活动和靠泊时受到冲击引起的平行移动。装配时把轴与钢引桥焊为一体 , 挂放在支座上 , 轴与支座间留有 2~4 mm间隙 , 以缓冲靠泊冲击。另一端搁放在斜坡道平台上 , 中间放置厚100 mm的木方 , 减缓钢引桥平行移动时的冲击。
主要由桥架、大车小车运行机构、起升装置、司机室等部分组成。该定位系统主要是指对起升装置的吊钩进行水平面定位 , 而吊钩水平运动的载体是大小车运行机构 , 故将对吊钩的定位转化为对大小车运行机构的定位。
在生产车间内将起重机作业区域分为以 x、 y、 z等 3个坐标为方向的三维运行空间 , 如图 1 所示。其中起重机的大车运行机构 (下称大车 ) 沿车间两侧上方墙壁铺设的钢轨作横向运行 , 设运行方向为 x; 小车运行机构 (下称小车 ) 在大车上运行 , 相对其作纵向运动 , 设运行方向为 y; 吊钩在垂直方向运动 , 设运行方向作为 z (本定位系统主要针对 x、y方向定位 , 故不对 z方向定位进行阐述 ) 。为了精确快速地检测运行机构的实时运行位置 , 方便操作人员对起重机作业进行控制 , 由分别安装在起重机大车、小车上基于激光技术的测距传感器在 x、y、z三维空间坐标上对起重机运行机构运行位置和吊钩高度进行精确测量 , 并将相应的信号传给上位机处理并显示吊钩的实时坐标以便操作人员监控。
2 桥机定位系统设计
根据桥机总体控制方案以及机械结构的控制要求 , 确定定位系统硬件结构的设计方案 , 系统电气控制的结构框图见图 2。系统硬件电路由主控制器部分、传感器检测单元、变频器执行单元及外围扩展接口设备等部分电路组成。
2.1 定位系统
为解决原有桥机定位不准确、效率低的问题 ,使用基于激光技术的条码定位仪与激光测距器 ,重新设计了定位系统的传感器检测单元。这种基于激光技术的测距方式改变了原有的定位思路 ,是 1种非接触测量方法 , 可实现定位过程中的绝对认址。
激光测距器由电脉冲驱动产生激光束 , 激光束经过安装在大车一端的反射板反射 , 通过接收镜头返回接收元件 , 产生电脉冲再经过计算电脉冲的时间间隔 (发射脉冲及接收脉冲 ) , 通过传感器微处理器处理后 , 输出模拟量信号 ( 4~20 mA或 0~10 VDC输出方式 ) , 得出激光器距放射板的距离 , 即 X方向的坐标。在保证 1 mm重复精度的情况下的测距范围为 30 cm~300 m。
条码定位仪是 1种新型的条码阅读器 , 它集合了激光技术与旋转编码器的优点 , 通过读取行进路线上的条型码带确定准确位置 , 可有效地实现绝对认址甚至曲线定位。条码定位仪由激光条码读取头和条码带组成。工作原理是将条码读取头安装在大车上 , 条型码带全程安装在行走轨道中 , 当大车在轨道上行走时 , 安装在大车上的条码读取头实时地扫描 3个条码 , 利用红色激光从条码带可测定毫米级的位置值 , 附在条码带的信息即可通过条码阅读器读出。最后通过内置的解码器将大车当前的位置信息输出至 PLC。
该定位系统所用的条码定位仪和激光测距器均属激光测距方式 , 为非接触测量。此技术于该定位系统上的优势有 : ①采用绝对认址方式 , 相对于目前采用的编码器 (属相对认址方式 ) 可靠性和精确性更高。②所得数字信号精度高 , 且与上位机通信便捷 , 可实时确定大车、小车的位置 ,易于实时监控。③所获位置信息模拟信号与起重机位置成线性关系 , 进行简单转换可得到起重机大车、小车当前运行的准确速度 , 便于调速和停准。
2.2 控制系统
该定位系统控制部分设计方案在保留原桥机控制系统结构和机械系统结构的基础上 , 采用以工控机 ( IPC ) 作为上位机 , 以可编程控制器( PLC) 作为下位机的控制模式构成。
1) 下位 PLC控制系统
由于 PLC可靠性高、抗干扰能力强、循环周期短、指令集功能强大 , 并且采用模块化、无风扇结构 , 易于实现分布式的配置 , 因此适用于复杂环境和工况条件下的现场控制。
下位机 PLC主要作为 I/O 控制站负责对测距传感器的位置信号进行采集并利用各种数字量、模拟量模块完成实时数据采样、报警信号检测与输出 , 以及对变频器等执行机构进行控制。
2) 上位工控机控制系统
工控机作为上位机能够进行复杂的算法运算和数据处理 , 具有良好的人机界面并能够保存大量数据 , 方便管理控制 , 故选用工控机作为核心 ,对 PLC及现场检测执行设备监控管理并对过程数据进行处理。这样可极大地提高控制系统的可靠性和灵活性 , 增加系统的监控和管理水平 , 便于用户的程序开发和应用。
工控机查询并读取 PLC内部数据通道的数据信息 , 进行数据分析和处理 , 在人机界面实时显示起重机当前运行状态以及位置、高度信息等实时数据 , 并用数据库加以管理和记录。操作人员通过上位机监控界面向现场执行设备发出控制指令 , 控制运行机构准确运行到指定位置。在运行过程中 , 工控机通过预先设定的控制策略 , 根据测距传感器的反馈信号进行处理 , 再实时调整变频器的频率值 , 使机车先以较高速度运行到接近目的地的位置 , 然后再平稳地减速到较低速度运行 , 使起重机能够准确制动 , 并实现其运行位置与速度的闭环控制 , 以便满足桥机作业中高速运行、换速平稳、低速停准的速度控制和准确定位等要求 , 克服桥机变速时的速度曲线拐点所带来的运行不平稳等问题。
213 数据通信
在该系统中 , 工控机、 PLC、输入输出模块、传感器、变频器及光电开关等电气设备之间数据传输采用基于 PROF IBUS - DP的现场总线技术。PROF IBUS - DP现场总线技术利用其开放性 , 可方便快捷地进行自动化系统中控制设备与传动装置及分布式 I/O通信 , 各种自动化设备均可通过同样的接口交换信息 , 取代 4~20 mA 模拟量信号传输。
PROF IBUS - DP 现场总线通信速率为 1912 k ~12 Mbp / s, 通讯数据包为 244字节 , 故其传输速度快、数据量大及可扩展性等优点极大地满足了现场需要。在该系统的数据传输中 , 上位机的控制命令和调度命令必须准确无误地下发到下位机 , 下位机的数据采集终端必须要将采集到的各种在线数据准确、迅速地送到 PLC和工控机 , 例如条码定位仪扫描条码测定位置值 , 通过内置的解码器把大车当前的位置信息由 PROF IBUS - DP总线输出至 PLC。由于起重机出厂时的各项运行参数均保存在下位机 PLC中 , 为了进行上位计算机和下位控制器通讯 , 采用 PROF IBUS - DP现场总线实现数据交换 , 以备系统数据分析、处理与显示。本设计采用 PROF IBUS现场总线技术 , 实现了多个设备之间的数据共享和协调控制。
3 结束语
文中研究了桥机的定位控制系统 , 采用基于激光测距技术的测距传感器 , 与变频器和 PLC相结合实现精确的绝对认址及闭环控制。运行结果表明 , 该定位系统明显提高了对生产工具和原料的定位精度 , 从 ±20 cm提高到 ±3 cm以内 , 达到了桥机更高效平稳运行的目的 , 其完成同样的工作量只需原有时间的三分之一 , 显著提高了运行效率。
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