三维电动平台车自动控制系统

刘新航　张宇

【摘 要】本文基于一种三维电动平台车系统，对该系统的自动化控制的实现，进行设计、软硬件配置及系统功能方面的详细阐述。

【关键词】PLC；自动定位；分段控制；CANOpen

0.前言

在火法冶金工艺中，铝热还原法是最常用的一种自蔓延反应，其反应的特点是速度快，热量高，且不需要外部施加额外的能源，但同时也对如何提高安全性提出了新的课题。目前国际上比较常用的方法是通过破开熔融金属液上表面渣层的方式，将热量适度释放，以降低反应风险。

为了提高产能，并最大限度的保障人身与设备安全，在实际的工业生产过程中，需要将承载刚反应完的熔融金属液的坩埚及时运输到破渣室进行破渣，并马上准备下一个空坩埚进行下一个反应。基于产能与安全的考虑，我们针对铝热还原法在实际工业生产中的工艺要求，设计并制作了具备自动定位功能的轨道式三维电动平台车。该平台车由0.4KV供配电系统、顶升平台系统、东西向大车运行系统以及南北向小车运行系统组成，同时配有人机界面，分权限等级对系统参数进行设置。

轨道式电动车具有运行速度快且稳定、可靠性高、成本低等特点，在现代自动化物流系统领域中得到了越来越广泛的应用，该系统既可作为立体仓库的周边设备，也可作为独立系统[1]。

该系统运行机构定位误差小于5mm，完全满足现场工艺定位的要求。

1.设备构成

1.1系统概要

该电动平台车系统由38个工位组成，包括5个热反应室，3个破渣室，20个冷却工位和10个坩埚暂存工位，轨道上的平台车根据预设自动运行，并将需要的坩埚进行运输，如图1.1所示。

三维电动平台车的一次工作周期由从坩埚暂存区取空坩埚开始，经过运送坩埚加料反应、运送反应后的坩埚进行破渣、运送破渣后的坩埚进行冷却，最后将冷却后的坩埚运送回坩埚暂存区等待渣块分离，每一步骤完成后均需要进行三方向的位置定位与确认，以确保工序的准确和生产的安全。

该电动平台车主要由整车供电系统、整车电气控制系统、大车运行系统、小车运行系统、小车升降系统以及小车拖缆系统组成。

1.2系统描述

1.2.1整车供电系统

为了防止地面沉降和供电线缆直接被高温炙烤，整车供电系统采用恒力矩卷筒电机收放卷筒专用扁电缆的方式进行供电，电缆为3P+N+PE的五芯扁电缆，内置两根钢丝以吸收张力。将扁电缆的一端固定后连接于轨道末端放置的EPS电源柜中，另一端固定在電动平台车卷筒的取电器上。

1.2.2整车电气控制系统

（1）PLC系统。

PLC控制系统采用Schneider公司的M258系列PLC，其具备一个以太网接口，一个CANopen接口和一个串行接口。CANopen接口与5个从站进行数据交换，从站包括大车、小车以及小车电缆卷筒驱动变频器（ABB ACS800系列），大车多圈绝对值编码器（德国Hengstler）和小车拉绳式绝对值编码器（德国Hengstler）；串行接口通过Modbus协议与电动平台车控制柜体上的触摸屏进行通讯；以太网口预留，以便与上级MES进行数据交换 [2][3]。

编程软件为Schneider SoMachine V3.0，触摸屏为Schneider HMISTU855，上位机组态软件采用Schneider Vijeo Designer。

SoMachine是Schneider发布的组态软件，可以实现对Schneider系列PLC的组态并读写PLC的存储区。同时，SoMachine也集成了Vijeo Designer，用以开发触摸屏人机界面，可实现实时监控，人机对话，数据报表，配方发布等功能。本系统的触摸屏的主要功能是参数设定与显示，以及异常状态报警[4]。

（2）控制系统。

控制方式有本地、远程手动与自动三种方式，由安装在车体上的控制柜上的旋钮进行选择。本地控制方式主要用于平台车系统的维修和应急，因此由硬连线的保护装置控制，并且独立于PLC以及所有给PLC发信号的装置。在“远程-手动”模式下，通过遥控器可以对电动平台车的大车、小车以及升降系统分别进行控制，但必须满足系统安全连锁条件。在“远程-自动”方式下，电动平台车的启动、停止、对位等工作均按照操作员的预设方式进行。

“远程-自动”模式是平台车的正常工作状态。操作员需要做的，仅仅是在遥控器端设定目标工位，并使能自动模式，其余所有的工作均由平台车自动完成。为了保障安全，目前阶段，平台车运行的各节点需要操作人二次确认。

（3）驱动系统。

1）大车驱动系统。

大车由一台带电磁抱闸的电机通过减速箱与两个主动轮组成的刚性连接驱动，在长约100m的轨道上行驶，核心驱动单元为一台ABB ACS800变频器。该变频器与PLC以及安装在随动轮上的实时检测大车位置的多圈式绝对值编码器进行CANopen通讯，实时监测大车的位置，通过与目标位置进行比较，可以对大车电机进行无级或者多段位调速，以达到平稳准确对位的目的。

大车的对位精度可以在触摸屏中进行调整，目前的对位精度为5mm，但系统出现波动或者由于惯性过冲时，平台车会自动重新对位，直到在误差范围以内。

2）小车驱动系统

小车的驱动方式与大车类似，运行轨道为南向5.4m，北向3.6m，且必须在大车对位稳定后，方可向对齐的工位运行。其核心驱动单元为一台ABB ACS800变频器，位置检测单元为一台拉绳式编码器，小车供电采用卷盘式取电器配合高强度可拉伸电缆，卷盘电机由一台ABB ACS800变频器控制，以上的两台变频器和一台编码器也都连接在与大车相同的CANopen网络上。当小车运行时，拉绳式编码器实时检测小车的位置，对卷盘电机进行无极调速，保证小车供电电缆的张紧力适度，既不会过于松弛，垂到地面，又不会过于张紧，影响电缆寿命。

小车的对位精度以及电缆张紧力均可以在触摸屏中进行调整，小车到位信号由拉绳式编码器给出，由车载接近开关作为验证。目前的对位精度为10mm，完全满足目前工艺要求。

3）升降系统。

升降系统由一台丝杠电机带动顶部托盘进行上下运动。该电机由正反向接触器控制，配合热继电器进行保护，同时通过接近开关进行上下限位的保护。

2.结束语

大连融德特种材料有限公司的三维电动平台车投产一年多以来，电气供配电系统及自动化控制系统运行稳定可靠，系统抗干扰能力强，故障率低，有效地提高了企业生产和管理的自动化水平，提高了劳动生产率，减轻了工作人员的劳动强度，降低了危险性，取得了十分显著的经济效益，在本行业及其它相关行业具有很高的推广价值。 [科]

【参考文献】

[1]张应强，魏镜弢，王庭有.RGV控制系统设计研究[J].河南科学，2012.

[2]RCAN-01用户使用手册[M].ABB Drives，2008.

[3]SoMachine教程培训手册[M].Schneider-Electric Pty Ltd，2011，2.

[4]SoMachine指令手册[M].Schneider-Electric Pty Ltd，2012，3.