双天车同步控制系统设计

杨政杰

（中信重工开诚智能装备有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

天车是工厂内产品生产、搬运或设备维修过程中必备的设备，在工业厂房中广泛存在，使用频繁。天车往往是在建厂之初进行设计、安装的，其载重量无法改变，天车的价格往往也是随着载重量的提升而升高。伴随着我国工业化的快速发展和生产的产业化、智能化升级，大型化、重型化设备的厂内运输任务逐步增多，对于大型化、重型化设备的厂内运输任务，采用两台天车协同作业的方式[1]可以更好地实现。

传统的双台天车同步吊运往往采用多人协作、人工手动控制方式，将吊装物体固定后，操作人员凭经验同时操控两台天车进行同步运行。运行过程中的安全性、稳定性、精确性存在较大的不确定性。基于工厂内的双天车同步需求，有必要设计一种操控便利、控制精度更高、安全系数更强、效率提升的双天车同步控制系统。

1 硬件系统结构

1.1 硬件系统组成

双天车同步控制系统主要包括操控系统、天车1控制系统及天车2控制系统，其中天车1控制系统（天车2控制系统）包括传感器系统1（传感器系统2）、PLC控制系统1（PLC控制系统2）、起升控制系统1（起升控制系统2）、大车控制系统1（大车控制系统2）及小车控制系统1（小车控制系统2），硬件拓扑结构如图1所示。

图1 硬件系统拓扑结构图

1.2 硬件系统介绍

双天车同步控制系统的PLC控制系统作为控制核心，可接收操控界面系统下发的指令数据，传感器系统采集的距离信息，起升控制系统、大车控制系统和小车控制系统运行状态数据及另外一台天车的运行状态数据，PLC控制系统根据接收到的数据进行分析后，经特定算法运算处理，给出运行结果数据，将对应运行数据下发给起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统，同时PLC控制系统将起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统的运行状态信息反馈给操控界面系统，也将当前天车的运行状态数据发送到另外一台同步控制的天车PLC控制系统。操控界面系统可选择天车工作模式，即天车为单独工作模式或同步工作模式，单独工作模式只可控制选定的天车，同步工作模式可将选定的一台天车作为主天车，另一台天车作为随动对象，跟随主天车的动作运行。传感器系统分别采集起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统运行距离，并将距离信息发送给PLC控制系统，由起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统控制天车运行方向和运行速度。

2 控制系统功能设计

2.1 操控系统

操控系统使用定制遥控器作为整个系统的操作部分，通过设定操控系统界面上的控制方式选择天车为同步运行模式或单车运行模式。如选定双天车同步运行模式，需选定其中一台天车作为主天车，另外一台作为从天车，在设定主、从天车运行时的间隔距离后，如操控主天车运行，此时从天车会随动运行。单车运行模式，即操控其中一台天车运行，可设定单车需要运行的目标距离。操控系统可将发出的指令信号传给PLC模块[2]，同时接收PLC控制系统发送回的天车状态。

2.2 PLC控制系统

PLC控制系统作为核心控制部分，其主要作用包括接收其他系统发来的命令或数据，同时对接收到的数据进行逻辑运算处理，向其他系统发送控制命令及向其他系统发送当前天车运行状态等数据。其中接收其他系统发来的命令或数据主要包括接收操控系统发送的命令，接收传感器系统发送的数据信息，接收另外一台天车系统发来的数据信息，接收起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统发来的数据信息；数据逻辑运算处理主要包括处理接收到的传感器数据信息，对采集数据采用合适的实时数字滤波方法来消除干扰[3]，再通过PID运算得出对应的起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统需要的运行方向和速度，数据逻辑运算处理也包括处理另外一台天车的信息数据，时刻判断另外一台天车的运行状态，保证双天车同步运行的安全性；向其他系统发送控制命令及当前天车运行状态数据，主要包括向操控系统发送天车运行位置及状态信息、传感器系统状态信息及起升控制系统、大车控制系统、小车控制系统状态信息，向起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统发送计算后得出的运行方向和速度，如果是主天车，还会向另外一台天车发送启、停命令及当前天车的运行状态，如果是从天车，则向另外一台天车发送当前天车的运行状态。PLC控制系统会实时判断其他系统的运行状态信息，当其他系统异常时，会及时向操控系统报警，同时根据报警类型选择是否停止天车相关的运行动作。

2.3 传感器系统

传感器系统主要功能为反馈天车当前的实时位置及传感器系统的当前状态，实时位置主要包括起升控制系统主钩位置、大车控制系统大车位置及小车控制系统小车位置。传感器系统会将天车的实时位置及传感器状态信息发送给当前天车的PLC控制系统。

2.4 起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统

起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统主要为天车的行走动力部分，采用变频器控制变频电机的控制模式。PLC与变频器之间通过Profinet现场总线进行通信[4]，变频器运行状态通过通信网络反馈给PLC控制系统，同时接收PLC控制系统发来的启、停命令及对应的运行方向及运行速度。

2.5 通信系统

各个系统之间采用无线和有线系统结合[5]的通信方式，其中PLC控制系统、起升控制系统、大车控制系统、小车控制系统及传感器系统之间采用有线通信，操控系统及双天车之间采用无线通信系统，实现信息共享[6]。PLC控制系统与其他系统之间编制了通信超时判断程序，可判断系统之间通信是否出现故障现象。通信系统原理图如图2所示。

图2 通信系统原理图

3 程序编辑

采用S7-1500系列PLC，结合博途软件[7]进行程序编辑，通过这些程序块完成整个系统的运行逻辑、信息传递及安全保护功能。程序主要包括：控制起升变频器、大车变频器及小车变频器启动、停止、运行方向及运行速度的程序块；采集起升变频器、大车变频器及小车变频器信息状态及传感器反馈距离信息的程序块；对采集数据进行滤波处理运算的程序块；对天车运行状态进行判断处理的程序块；与操控系统信息交互的程序块；与另一台天车运行信息交互的程序块；通信超时判断程序块；手动/自动切换程序块。部分程序如图3所示。

图3 双天车同步控制系统部分程序

4 操作说明

操控系统使用自带系统的手持遥控终端，手持遥控终端主要部件包括处理器、无线终端、天线、显示屏、摇杆、操作按钮及急停等。操控人员可通过手持遥控终端显示屏选择天车的运行模式，可写入起升控制系统、大车控制系统及小车控制系统需要运行的距离，同时显示屏可显示双天车同步控制系统中两台天车的运行状态。无线终端及天线主要作为无线通信的设备，提供与PLC控制系统的通信通道。摇杆、操作按钮及急停为人工手动操控天车的遥控器，在单天车手动运行模式时，操控人员可直接通过操控摇杆控制天车各个方向的运动。

5 实验验证

整个系统设计完成后，进行了现场实验验证，实验过程中，双天车同步控制系统可通过操控系统选择天车的运行模式。单天车自动运行模式时，设定好单天车运行的目标位置后，启动天车，单台天车能够自动运行至目标位置；单天车手动运行模式时，操控人员通过操控摇杆及按钮将天车运行至目标位置；双天车自动运行模式时，两台天车运动至目标位置后，通过操控系统选择双天车同步控制模式，选定主、从天车，将当前双天车的间隔距离作为双天车同步运行时的间隔保持距离。在确认双天车同步控制系统无报警信息后，输入主天车运行目标位置，启动双天车同步控制系统，主天车自动运行，从天车进行跟随运行。

监控数据如图4所示，DATA.LS为主天车大车移动轨迹，DATA.LS_1为从天车大车移动轨迹，DATA.datemp为误差值。实验现象及数据监控表明，双天车运行平稳，同步性能较好。

图4 双天车位置跟随曲线

6 结论

实验过程中，操控系统作为天车的模式选定及指令下发设备，能够正常操控天车模式的切换及对应的运行操作，选定单车运行模式，天车单独工作正常，设定目标距离自动运行后，自动运行定位精度较高；双天车同步运行模式，两台天车在启动、运行及停止过程中，状态平稳，联动效果较好，经过多次测试，两台天车间在三个坐标系内的误差较小，在超出设定误差后能及时报警并停车。实验结果表明，双天车同步控制系统在两台天车的同步控制过程中运行安全、可靠、精度高，在实际现场应用中能提高厂内工作效率，减少人力资源的浪费。