自动化技术与应用
今 日 自 动 化
Automation technology and Application
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2021.2 今日自动化 ｜ 89
2021年第2期
2021 No.2
1 概述
智能无人行车在生产制造领域发挥的作用越来越重要，由于无人行车技术彻底颠覆了传统的行车控制理 念和库区管理理念，通过自动化系统生成调度指令，并根据基础设备的参数自动控制行车运行，不仅可以降低劳动力成本、跟踪库存信息，还可以优化存储方案、减少生产损失、提高生产力，因此在工厂成品库区的应用范围越来越广泛。越来越多的企业对行车进行无人化改造，更换不满足无人化需求的PLC 系统、传动系统、电机以及传感器等。以马钢高线成品智能库区无人行车系统为例，对PLC 系统进行研究。 2 行车PLC 系统
2.1 系统功能描述
行车一级控制系统是能根据智能库管系统下发的工单自动执行相应作业任务的系统，具有作业信息处理、运行模式改变、通信管理、行车位置及速度控制、防摇摆控制以及自我诊断危险状况执行自动停车、行车故障分析等功能，并且能够进行自动避障及路径优化。
在行车电气室内设置一台平板工控机，用于基础自动化系统的编成、调试、诊断和维护行车系统状态，系统网络如图1所示。
远程控
制器
无线
数字信号I/O
远程接收器
主钩编码器
夹钳检测
称重系统限位/接近开关防撞激光器
小车激光器小车变频器起升变
频器
大车变频器大车格雷母线以
太网
防摇系统Profinet
RS-422
行车PLC
图1 行车PLC 系统网络图
系统主要功能如下。
（1）作业信息处理：作业信息处理是无人行车系统的最基本功能，能够接收来自智能库管系统的工单信息，进行作业后自行反馈给智能库管系统工单处理结果信息和当前行车状态信息。（2）通信管理。和各种装置（包括传动变频器、防摇、测距传感器、称重、编码器等）之间的接口通信功能。
（3）吊具防摆控制功能。通过摆角检测仪实时检测出大车及小车移动时的摆角，行车PLC 根据摆角大小及摆动方向计算出补偿加速度和速度，然后叠加到大车及小车的控制加速度和速度上，以此控制行车吊具的摆动。
（4）吊具状态判断功能。该功能主要根据物料高度、吊具高度检测以及称重数据，配合吊具传感器打开/关闭状态，综合判断吊具是否取放物料。
（5）行车XYZ 轴定位控制功能。接收物料库管理系统发送的作业指令，根据XYZ 轴的位置传感器，控制行车驱动部分，实现精准定位。
（6）行车XYZ 轴联动控制功能。控制纵向/横向/高度方向联动，优化行车作业效率。
（7）行车防撞控制功能。通过实时检测行车间距离，调整行车运行速度，实现行车防撞控制。
（8）速度控制与计算停止距离功能。该功能根据成品库管理系统发送的作业指示，计算行车的移动方向（纵向、横向、起升）、移动速度与移动距离决定停止位置。
（9）动态三轴联动功能。该功能通过整合库区所有行车扫描
系统数据信息，根据整个库区物料的高度，建立行车运行时的动态路径规划，实现行车三轴联动功能（如Z 字型、爬坡型等联动运行），并防止与其他设备、线卷之间的碰撞。
（10）周边系统与传感器通信、HMI 及日志功能。该功能主要收集的各种传感器信息与作业信息发送到库区管理系统并保存，
具备查询和数据导出的功能。
（11）自我诊断功能。判断行车是否有故障并发送到库区管理
［摘 要］文章着重介绍了无人行车PLC 系统的功能描述、硬件构成、网络与通信，并为一些控制元器件的选型提供了思路，以供用户在
实际应用过程中进行借鉴。升级改造研究PLC 系统有助于突破智慧制造的关键技术，实行无人行车自动运行，不仅减小了工人的劳动强度，有效延长了设备寿命，同时提高了生产效率，降低了人员安全作业风险。
［关键词］无人行车；
PLC 系统；网络通信；系统结构［中图分类号］TP273 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2021）02–0089–03
Research on PLC System of Unmanned Crane
Ji Ping
［Abstract ］This paper mainly introduces the function description, hardware structure, network and communication of the PLC system of
unmanned crane, and provides some ideas for the selection of control components, so as to provide users with reference in the actual application process. Through the upgrading and transformation of the PLC system and other research, the key technology of intelligent manufacturing is broken through and the automatic operation of unmanned crane is implemented, which not only reduces the
labor intensity of workers, effectively prolongs the life of equipment, but also improves the production efficiency and reduces the risk of safe operation of personnel.
［Keywords ］unmanned crane; PLC system; network communication;system structure 无人行车PLC系统研究
季 萍
（马钢集团招标咨询有限公司，安徽马鞍山 243000
）
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可视化调度系统2021年第2期
2021 No.2
系统，根据行车故障状态修改库区管理系统作业。2.2 行车PLC 系统硬件组成
整车采用西门子公司最新的S7-1500系列PLC 进行控制，S7-1500系列所有的PLC 已经将工业以太网PROFINET 作为标准的通信接口集成在了CPU 上，因此以CPU 为中心，与上位监控计算机组成ETHERNET 网，与分布式I/O 模块和交流变频调速器构成PROFINET 总线网络系统，实现整个电控系统的网络化工作模式。PLC 安装于电气室电控柜内，分布式I/O 模块安装在行车驾驶室，其参数可配置如下。
（1）电源模板6EP1332，为S7-1500机架提供电源。（2）CPU 模板，选用CPU1516模板。
（3）CPU1516通信模板，用于远程站、传动、传感器等的通信。（4）CP541通信模板，用于吊具角度检测传感器通信。（5）以太网通信处理器CP543-1，用于S7-1500主站到库管系统的连接。 （6）PLC_UR2机架。
（7）接口模板IM155-1，用于将ET200 MP 模块化I/O 站连接到PROFINET 网络。
（8）模拟量输入模板，用于模拟量输入，用于连接模拟量信号采集。
（9）数字量输入模板，用于连接称重、行车遥控接收端、操作开关和接近开关等开关量传感器。
（10）数字量输出模板，用于继电器、接触器等负载，输出接口与负载之间设置无源接点隔离。
行车PLC 控制系统配置如表1所示。
表1 系统配置表
序号名称规格型号
数量1柜体800×400×1700W ×D ×H （mm ）
12电源模块6EP1332-4BA0023CPU 6ES7516-3AN01-0AB014内存卡6ES7954-8LE03-0AA015RS-422模块6ES7541-1AB00-0AB016模拟量输入模块6SE7531-7NF00-0AB017以太网通信模板
6GK7543-1AX00-0XE018通信模块6ES7155-5AA00-0AB019D/I 输入模块6ES7521-1BL10-0AB0510D/O 输入模块6ES7522-1BL10-0AB0111PLC 安装导轨6ES7590-1AE80-0AA0212前连接器6
ES7592-1BM00-0XB0113STIOP 电源10A 6EP1334-3BA00114STIOP 电源20A
6EP1336-3BA00115断路器IC65N-C10A/2P 416断路器IC65N-C6A/2P 817断路器IC65N-C4A/1P 2318继电器MY4NJ-DC24V+PYF14A-F
1619端子ST440A 5020端子ST2.531A 50021插座3+2222422接头15针
223
接地铜排
1
2.3 协调控制PLC 系统
设置一套地面协调PLC 也采用西门子S7-1500，协调控制PLC 系统主要负责整个库区的地面部分的数据采集、控制、联锁
以及安全管控。主要负责的内容和功能如下。（1）下线台架精确定位及位置锁定。（2）下线位置线卷长度测量。
（3）安全门禁管控。无人行车作业区域里不允许任何人随意进入，增设安全护栏，出入口设置机械锁定装置，同时设置安全限位开关，行车进入未设置为危险区域等特定情况下不允许人员打开安全门进入。
（4）汽车出入库管控。对于库区内的车位，建设智能库区的过程中，汽车的安全管控涉及该区域的安全，增加检测传感器以及人机交互系统，并与库管系统通信共同实现安全管控。系统配置如表2所示。
表2 智能库区系统配置
序号名称规格型号
数量品牌
1柜体800×400×1700W ×D ×H （mm ）
42电源模块6EP1332-4BA004西门子3CPU 6ES7516-3AN01-0AB01西门子4内存卡6ES7954-8LE03-0AA01西门子5通信模块6ES7155-5AA00-0AB03西门子6D/I 输入模块6ES7521-1BL10-0AB013西门子7D/O 输入模块6ES7522-1BL10-0AB07西门子824V 电源6EP1 334-2BA204西门子9
导轨
6ES7 590-1AE80-0AA0
4
西门子2.4 通信与网络2.4.1 系统结构图
为实现行车控制与库管系统间数据的快速传递，需要在库区建立一个快速无线通信网络，采用无线传输方式将车上控制信号传输到固定无线接入点（无线AP ）中，然后再通过光纤通信方式与中央控制服务器进行通信。
行车的无线控制网络采用点对点的接入方式，通信频段5 GHz 。
手持终端也采用该无线控制网络通过漫游方式连接。无线AP 通过光电转换设备连接到集控室交换机，采用单模千兆光纤通信方式实现，减少在线路传输过程中外部因素对通信信号的干扰，交换机均采用千兆以太网交换机。
行车上的无线客户端安装在电气室内，直接连接到电气室内的交换机上，天线安装到行车外部，连接馈线在5 m 以内。系统结构如图2所示。
系统结构图
图2 系统结构图
2.4.2
工业以太网
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在库区中建立一个有线和无线相组合的工业以太网系统，通过网络将集控室与行车连接，采用无线AP 实现各个系统之间的通信，每个无线AP 配置一台光纤交换机，与以太网上的系统相连。（1）协调控制PLC 。（2）库区管理系统WMS 。（3）编程器PC 。（4）可视化系统、HMI 。（5）其它。2.4.3 现场总线
现场总线采用Profinet ，它是基于工业以太网的一种全新的工业总线形式，并针对分布式智能自动化系统进行了优化，具有很好的实时性，可以直接与现场设备连接，采用SCALANCE 交换机实现设备与PLC 直接连接，避免了老式总线网络存在的问题。连接到Profinet 网络上的设备如下。（1）PLC 可编程控制器。
（2）PLC 的远程I/O 系统ET200MP 。（3）传动系统。
（4）带有Profinet 接口的设备。2.4.4 串行通信接口
串行通信接口是采用了串行通信方式的扩展接口，其特点是通信线路简单可靠，主要用于摆角检测。
3 结束语
绿发展和智慧制造是制造业未来发展的不二选择，智慧制造能较大程度地提高劳动效率、资产效率和管理效率，而基础自动化升级改造、生产系统集中监控是实现智慧制造的重要手段。本文所述的智能无人行车只是智慧制造中的一个缩影，但在国内外均已有成功案例，技术上也将日趋于成熟。
参考文献
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2017（7）：47-48.
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（17）：45-46.
（上接第50页）
此外，考虑到通常行驶过程中可能存在颠簸、尾气冲击等较复杂状况，本产品特别设计一种过滤网缓冲减震结构，该结构由呈环形等距分布的四组导杆53与弹簧54组成。遭到冲击时，过滤板6将沿导杆在弹簧的作用下平稳移动，起到对过滤板中心处过滤网61的保护。过滤板本身采用耐高温缓冲橡胶，并在侧面接有密封套52，另一表面设计有防撞垫55，能够延长产品使用寿命。特殊设计部分，如图3所示。
53
54
52
61
6
53
1A
5551
5
图3 缓冲减震结构
3 工作原理
如图3所示，该新型节能减排装置，包括安装管1，管上设有连接孔11，其一端通过螺纹连接有螺纹套21，且表面固定连接收集盒4，收集盒内设有收集槽41，槽内壁固定连接有喇叭网42，喇叭网的一表面开设有进口43；安装管1的另一端通过螺纹连接有连接盖6，连接盖的外表面固定连接了环形等距分布的导杆53，导杆的表面滑动套接有过滤板5，滤板的中心位置设有过滤网51，用来过滤尾气中的大颗粒杂质，避免排放到空气中污染环境。收集盒4的一表面固定连接有排灰管44，排灰管44的一端通过螺纹连接有密封盖45，在安装时排灰管44与地面垂直，便于过滤出的大颗粒杂质落入收集槽41内；连接盖6的中心位置固定连接有防护网61，用来防止外部杂物进入安装管1内损坏过滤网51等；导杆53的外侧套接有弹簧54，弹簧54在受到过滤板5的挤压时，具有缓冲减震的作用。
在使用过程中，汽车尾气由排气管1进入装置，再由延长管3进入到连接孔11对过滤板进行冲击，滤板在冲击力下沿4个导杆滑动至挤压弹簧，然后回到原位置，而尾气则直接通过过滤网再由管道排放出去，其中大颗粒杂质会被拦截在连接孔中，再由喇
叭网进入收集槽内，槽内累积的杂质可通过排灰管清理出安装管。
4 创意点及应用
本着节能减排的宗旨，该装置在此基础上，联系汽车行驶、装置生产及装置使用这些过程中存在的一些问题，加入了许多“小窍门”使得该装置的寿命更长、实用性及便利性更强。当下这个时代，传统汽车
仍占市场主流，此装置的节能性、易安装性和易维修性让人们离绿高效的生活更近了一步。
考虑到日常生活中存在道路颠簸、汽车尾气冲击等状况，该新型节能减排装置的过滤板将环形等距分布的导杆与弹簧联合使用，过滤板的侧面固定套接有材质为耐高温橡胶的密封套，过滤板的一表面接触连接有防撞垫，密封套和防撞垫可以避免过滤板受到损害。在这些设计的帮助下，该过滤板在移动过程中获得缓冲减震，不易受到触碰撞击，使用寿命更长。本装置针对大颗粒杂质回流，滤出的大颗粒杂质不易清理这一现象在与地面垂直的方向上设计了收集盒。所述收集盒设有内壁固定连接有喇叭网的收集槽。收集盒通过重力作用和喇叭状结构，使被过滤网拦截的
大颗粒杂质自然落入收集盒，而不回流进入安装管中阻碍过滤，清理时只要拧下末端密封盖，即可迅速排出收集的大颗粒杂质。相比于传统装置，本装置在多处（如连接孔、螺纹套和连接盖表面）设有内螺纹或外螺纹，二者配合使用，使安装管、连接盖等部件在前期更容易组装，后期更容易检修与更换。
5 结束语
从整体而言，这个新型节能减排装置相比传统装置，从各个小细节方面进行了调整与设计优化，让其在原节能减排的作用之上拥有更好的便利性，其过滤板配合收集盒的使用可以更好地处理汽车尾气中的固体悬浮微粒。同时解决了节能减排及方便生产者、消费者使用的两大需求，且更加适合传统汽车
仍占市场主流的现代社会。
参考文献
[1] 高银桥.家用新能源电动汽车节能减排效应及发展路径分析[J].
内燃机与配件，2019（11）：190-191
[2] 李娜，张培明.一种汽车尾气处理装置的设计[J].科学技术创新，
2020（5）：176-177.
[3] 谢鹏鹏，陈鹤鹏，李薛伟，等.一种汽车尾气净化处理装置的设
计[J].机电信息，2018（36）：
146-147.
豫公网安备41160202000603
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