煤场巡检机器人电控系统研制

蔡元睿

（北华航天工业学院， 河北 廊坊 065000）

0 引言

本项目的目标是要建立一套完整的数字化煤场系统，煤场轨道巡检机器人（以下简称“煤场轨道设备”）作为煤场检测设备（激光扫描仪、红外热像仪）的载体，在煤场顶部马道下方的轨道上往复运行， 为数字化煤场系统采集煤场的实时堆存及温度数据。

巡检机器人可全天候无间断执行盘煤任务， 减少安全隐患，代替人工巡检。同时为检修人员规避了不必要的风险，全面提高盘煤任务过程中的安全性及可靠性，实现煤场巡检的自动化。

1 电气设计与选型

1.1 电气需求分析

根据技术要求， 煤场轨道设备需要由一个控制器、一套伺服电机和几个电气元件（电气元件根据具体情况加减）控制，可以实现多种运行方式：单一控制和信息系统控制。

设备各轴行程方面， 在设备运行导轨指定位置需安装光电开关、磁感应式限位开关。 光电开关安装在煤场轨道设备上指定位置，防止设备的碰撞。 磁感应式限位开关安装在导轨起始端和末端位置。

安全方面，煤场轨道设备在信息系统控制下，HMI 为锁定状态，以防设备运行时工厂人员误操。 此外，各操作界面均有急停按钮，若设备运行过程中发生意外，可随时让设备停止运行且只能以手动方式返回原点。

图1 总体方案图Fig.1 Overall plan

操作方面，有现场操作以及控制室操作控制。 现场操作用嵌入式触摸屏配合HMI 操作，控制室运用计算机PC端用盘煤仪软件或者煤场信息系统进行操作控制。

根据以上电气需求分析， 制定了电气控制部分的总体方案，以贝克霍夫PLC 及其系列相关模块为控制核心，上位控制为总控制室的PC 和现场嵌入式触摸屏，外围传感器有行程开关等。 信号交互包括煤盘系统和煤场信息系统，执行机构是伺服系统等。 简单做个方案图，后面详细介绍。

1.2 电气设计

该煤场巡检设备的电气设计是为了设计煤场轨道设备的电气控制系统。控制柜放置在煤场轨道设备的尾部，包含24V 供电电源电路（用于给立迈胜伺服供电）和煤场轨道设备控制电路（PLC 及其IO 模块、传感器的输入输出以及控制器对外的信号输出等）。电控系统电气原理图和详细的电气接线图， 交给现场工程师进行电气柜的组装和接线。

电气图纸均采用EPLAN 软件进行设计，EPLAN 是国际上通用的电气设计软件， 相对于AutoCAD 来说，EPLAN 功能更加完整，且更具专业性。

2 设备运动控制系统

2.1 系统概况

设备运动控制系统主要包括了煤场巡检机器人操作控制系统以及与盘煤仪的通讯功能， 是基于Twincat3.1平台采用ST 语言编写而成，操作控制系统程序包括单动和联动下控制的手动和自动运行、设备启停、煤场、状态诊断、系统间信号交互、故障显示等功能。

2.2 设备操作模式的控制

煤场巡检设备运动控制系统中设备操作模式包括单动模式和联动模式。

（五）有利于促进加工业的发展，实现一体化的产业化开发格局 在分散的小规模生产情况下，需加工的商品畜数量、质量得不到保证，产品竞争力弱，加工业的增值空间极为有限。要实现产业化经营，要先有一定的标准化规模化养殖作为基础，保障加工业所需的优质原料供应，才能实现加工业良性发展，才能支持和反哺养殖业，实现良性的产业化发展。

2.3 控制程序简介

煤场巡检设备控制系统的运动控制程序基于Twin-CAT3.1，用ST 语言编写。它采用模块化思想，定期对函数进行分类，并将其写入各自的模块，然后进行检索。 这样写作思路清晰，要实现的功能不会丢失，查找方便，有错误或者需要修改的地方可以快速准确的找到。 采用模块化编程，调试非常方便。 逐个调试函数时，只调用当前需要的函数，操作方便快捷，大大提高了调试效率。

根据设备需求，煤场巡检设备控制系统使用单个NC轴，分别对应机械结构上的伺服电机。

3 上位机控制软件

3.1 Beckhoff HMI 可视化编程简介

倍福的人机界面可视化编程可以在TwinCAT 中直接制作， 在PLC 程序中的VISU 文件夹中新建可视化界面即可开发人机界面。

画面制作简单快捷易懂， 可直接调用当前程序中定义的任何变量，例如数字输出量，数字输入量，不需要建立特殊的Tag。

3.2 HMI 发布至WEB 开发

准备工作： 在需运行样例的电脑和控制器中安装TwinCAT3 软件，需安装TC3 的v3.1.4018.13 及以上版本才可以支持HMI-Web 功能， 以及安装HMI Web 插件包： TF1810-PLC-HMI-Web。 之后将电脑和控制器通过交换机相连，并且接入交换机的LAN 口，以煤场巡检设备为例， 煤场巡检设备与电脑通过无线AP 进行通讯，电脑为发射端，PLC 连接至接收端，设置完成后，添加Web-Visualization，之后激活配置，登入网址：http：// PLC 地址/tc3plchmiweb/port_851/visu/webvisu.htm 即可。

在联动模式下，为了安全考虑，操作员无法从操作界面切换至单动模式，若设备在运动过程中出现故障，则会自动切换至单动下的手动模式，操作员需使用手动操作，将煤场轨道设备移动回原点， 才可继续使用联动以及自动运行的功能。

用户在登入HMI 时，若想对参数进行设置，需要先登入，才可以修改数据。

4 设备调试

4.1 伺服调试

4.1.1 Nimotion Studio 软件调试

伺服采用立迈胜公司的PMM-6020B 集成电机。虽然有几种模型，但调试方法是相同的。参数配置由伺服主机软件尼莫通调试。

4.1.2 Twincat 软件调试

使用Nimotion Studio 软件后，需要使用Twincat 软件配置NC 轴的特定设置。这些设置与Nimotion Studio 软件配置的设置不同。 Twincat NC 轴的配置与特定的工艺流程直接相关。 该项目使用“位置”模式，因此需要调整速度，极限，后向误差等。

4.2 IO 调试

IO 调试是一种逐点测试的方法，在功能测试之前硬件测试是正确的。

硬件测试：通过按钮、指示灯、磁感应开关、陀螺仪、光电传感器等外部硬件。看控制器上IO 模块对应点的指示灯有没有动作。如果所有的响应都是正确的，则意味着该套安全磁感应开关的IO 硬件测试成功，然后再进行其他测试。

功能测试： 功能测试只有在硬件测试正确后才能进行，或者以磁感应开关为例。操作设备认为触发两个磁感应开关后，设备会回到原点，在切断前后启用。 如果两个磁感应开关中有一个没有感应到，设备继续运行，则实现磁感应开关的功能。

4.3 设备整体调试

设备整体调试是项目收尾的前提， 也是整个项目最关键的步骤，设备是否能够成功运行，在此一举。 此煤场巡检设备整体包含三套系统：Twincat 运动控制系统、煤场燃煤信息系统、盘煤仪系统，整体调试就是设备在三套系统相互配合运行，并且能够完成指定的盘煤任务。

设备的整体调试已经卡在系统之间的通信和自动运行的逻辑中一段时间了。 主要问题不是因为技术问题，而是因为通信问题，因为三个系统分别由三家厂商进行。 在设备整体调试之前，我们只是在线交流，没有离线交流。 结果到了现场就出现了问题， 然后面对面沟通了解，最终解决了沟通问题。 自动操作的问题主要在于考虑使用安全。

5 结论

煤场轨道设备是煤场巡视作业中常见的设备，为替代人工实施高风险作业提供了安全的保障。 很荣幸可以参与煤场轨道设备电控系统的开发。 从一开始接到项目时的迷茫，到实验室完成项目的初步调试，到最后设备可以稳定完整的完成煤场的盘煤任务.中间经历了许多曲折，碰到了许多的问题，并一一解决，最后的欢呼声足以掩盖这过程中的困难，让我觉得所有的挑战，委屈，一切都是值得的。