基于Arduino的电解铝多功能天车的防撞系统的设计研究

任强胜

（四川省丝绸工程技术研究中心， 四川成都 610031）

多功能天车是铝电解生产线的关键设备之一，它是现代预焙阳极铝电解生产的关键设备，能满足铝电解车间高熔盐、大电流、强磁场、多粉尘的工作环境。一条电解生产线一般配备多台多功能天车，电解车间的各项日常作业都离不开多功能天车，其主要用于电解车间换极、出铝、抬母线、槽上部结构及电解车间其它重物的吊运等作业［1］。一直以来，因电解车间作业烦杂，且经常存在两台甚至多台多功能天车跨区域交叉作业的情况，致使天车两两相撞的事故时有发生。不但造成了设备修理的直接经济损失，而且还影响了电解正常生产作业，造成了巨大的人力、物力、财力方面的损失。针对这一情况，分析问题存在的原因，主要有两个：①设备存在缺陷，没有电气防撞功能和提示功能，机械限位不能满足高速行驶时的防撞要求；②天车操作工注意力不够集中。

因此，鉴于设备缺陷及人为因素原因，为提高人员、设备的安全，减低财产损失，首先要解决设备存在的缺陷问题，增加天车电气防撞连锁和电气防撞报警，以实现设备的本质化安全。同时解决天车操作工注意力不集中时，提示天车操作工注意天车运行情况。在原有机械式防撞装置的基础上加装一套防撞装置，通过远程测距方式，Arduino数据采集器实时采集运行轨道上的两车距离。将采集的信号送入大车运行控制系统，控制系统发出降速、报警、停车指令。

本文对防撞系统的测距和控制进行了一定的研究，就目前应用较为广泛的几种测距方式进行分析比较，找出最适合铝电解车间复杂工作环境的测距方案，设计一套防撞系统为安全生产提供技术支持。

1 无线测距技术分析

随着光电子的发展，现有测距技术主要以超声波、红外线、激光作为主要方式，以上三种测距技术得到了广泛应用，而且根据环境、功能使用要求的不同，选择不同的测距方式。

1.1 超声波测距

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离［2］。主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。但易受环境影响如温度，风速，粉尘影响。

1.2 红外线测距

红外线测距利用的是红外线传播时的不扩散原理［3］。因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，而红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到，再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。但红外线测距有一个缺点，就是不同的面返回的光线强度不一样，黑色返回的数据要比白色底许多，所以光线强度和距离不一定完全成正比，材料一换，对应的关系也就变了。

1.3 激光测距

激光测距的基本原理是先由激光二极管对准目标每秒发射一百万个脉冲，经目标反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上，激光测距的基本原理如图1所示。工作时，激光器发射激光，光束穿过大气到达目标，经目标反射后返回，并由探测器接收，测出从激光发射到反射光被接收所经历的时间，以此计算出距离值［4］。工业激光测距测量距离在0.5m～3000m左右，精度高（50mm内），受干扰比较小，可以用于精确定位。

图1 激光测距原理框图

综合上述情况在采用激光传感器应用到铝电解生产环境中能保证测距的稳定性，不受电解车间复杂环境的干扰，能有效避免磁场和灰尘的影响。

2 防撞控制系统的研究

2.1 防撞控制系统的总体设计

原有的大车防撞系统主要由终端限位及机械缓冲器组成，如图2所示。只能实现两车相撞后的被动防护功能。因每台天车重达百余吨，基本上是钢性结构件、其大车高速运行时速度为60米/分以上，具有相当大的惯性力。如果一台车在停止过程中或者作业过程中发送碰撞，将产生巨大的冲击力，可能导致减速机构、工具机构及电解槽被撞损变形、无法修复，甚至还会造成人员的伤亡。

图2 机械缓冲器实物示意

通过分析存在的问题，研制一套防撞系统能很好解决以上问题存在的不足。防撞系统结构分为激光传感器和反光板（待测目标），安装时激光传感器安装在被控制的天车（1号车）上，反光板安装在被测的天车（2号车）上，传感器采集与另外2号天车的位置信号，在的测量范围在0～10 m内。由于在轨道上有多台车，所以对天车的左右两侧都要进行实时测量检测，如图3所示。要确保激光传感器发射光与反光板的反光面在角度在85°～95°之间，这样才能保证在两台天车大梁之间的平行情况度不是很高时，不至于检测不到天车的位置。

图3 防撞系统装置安装示意图

设计天车防撞控制功能需要考虑三点问题：

（1）激光传感器的选择。由于电解车间的环境决定选用的激光传感器必须受干扰比较小，运行稳定，我们选用欧姆龙E3Z-LR86的激光传感器，检测距离∶0.2m～10m，入光时ON/遮光时ON切换式，NPN输出,PNP输出方式，工作电压12-24VDC，输出负载0～100MA，配备相应的电源。

（2）激光传感器输出信号与Arduino数据采集器控制系统输入信号的传递。Arduino数据采集器是一款开源的电子原型平台，包含硬件和软件。能通过各种各样的传感器感知周围的环境状态。实现稳定采集传感器数据，通过通讯协议,实现对采集数据的显示、分析、存储［5］。Arduino数据采集器以5VDC开关量输出信号，而多功能天车的PLC控制系统输入信号为110VDC信号，通过继电器将5VDC转化为110VDC的信号，才能输入多功能天车PLC控制系统。

（3）天车控制系统需有两个或两个以上闲置输入点。通过增加控制系统硬件配置而增加输入点数量，能保证一台多功能天车大车行走的两个方向的信号能够输入给PLC控制系统。

通过分析以上三个问题，激光传感器能很好解决电解车间强磁场、多粉尘的测量距离的问题，Arduino数据采集器很容易与激光传感器相连接，运行稳定，搭建结构简单，拓展性能非常高，同时具备标准化的接口很容易与PLC控制系统通信。最终提出多功能天车大车防撞控制功能原理如图4所示。

图4 多功能天车大车防撞控制功能原理图

2.2 系统工作原理分析

激光传感器采集到的位置信号，输入给Arduino数据采集器，通过信号处理计算，以开关量110VDC信号方式发送给天车控制系统，优化天车控制系统程序，使控制系统按实际需求进行输出。编写Arduino数据采集器控制系统程序时，采用ArduinoIDE编写库文件和数据采集程序。同时优化PLC控制系统通过位置信号屏蔽部分大车控制信号，使大车减速或者停车，或者同时输出给报警机构，取消屏蔽时，根据实际情况，选择大车反向运动控制信号取消被屏蔽的部分信号。如在进行槽上部吊装时，需要进行双车联动运行时，只要发出联动信号后，防撞功能自动关闭，优化后的天车PLC控制系统简化程序如下［6］：

2.3 距离测量原理分析

多功能天车运行速度分为高、中、低三种，根据生产现场生产情况设定传感器测定距离为6 m左右，当2号车一旦进入检测范围内的敏感区时，传感器发信号给2号车的Arduino数据采集器，触发大车行走报警，天车操作工要想解除报警和锁定位置信号，只需把大车向相反方向开动。如果两车距离缩小到5.5m时，锁定位置信号，并把天车速度自动限制为低速（0.2m/s），在距离两车0.5 m时强制停止左行，左行方向被锁定，只有向右方向可以行走，距离测量原理如图5所示。

图5 距离测量原理图

2.4 应用情况

研制的基于Arduino铝电解多功能天车防撞系统，通过Arduino数据采集器将其信号接入天车本身的PLC控制系统后，运行稳定。并且充分利用了天车本身PLC控制系统的拓展资源，系统成本低廉，维护方便。完全满足电解车间安全、高效使用多功能天车的需要，真正做到为电解生产稳定运行保驾护航。

3 结论

本文通过对现有主要的无线测距方式对比，分析了电解铝多功能天车防撞系统的原有的防撞结构，给出了防撞系统的控制原理及其现场应用，消除了铝电解多功能天车在作业过程中发生撞击的事故，大车运行安全性能显著提高，有效保护了天车主体结构延长了使用寿命。本设计又便于操作和维修，有着很强的实用性和可操作性。同时由于采用Arduino作为数据采集板，为远程数据采集提供了硬件支持。