基于PLC的气垫悬浮搬运车控制系统设计.pdf

第 4期 总第 1 7 9期 2 0 1 3年 8月 机 械 工 程 与自 动 化 ME CHANI C AL ENGl NEERI NG AUT0MAT1 0N NO． 4 Aug ． 文章编 号 l 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 4 0 1 5 2 - 0 3 基于 P L C的气垫悬浮搬运车控制系统设计 姚 立 柱 ，姚 洁 中国航天科工集 团 北京特种机械研究所 ．北京 1 0 0 1 4 3 摘要 对 气垫悬浮运输车工作原理进行 了介 绍．完成 了一种基于 P L C的气垫悬 浮运输车控 制系统设计 ，并 给出 了软硬 件设计 方案。较理想地 实现 了气垫悬浮运输车 的运行控制。 关键词 气垫悬浮搬运 车；P L C；设计 中图分 类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 气垫悬浮搬运车是利用气体薄膜技术的功效托起 并且移动载荷 ， 该运输车特别适用于不易灵 活移动 的 重型负载以及不能承受振动 、 对平稳性要求很高 的大 型精密设备的搬运[ 1 ] 。尽管气垫承载技术从诞生至今 已经超过 3 O年， 但是其使用范围是随着工业的发展而 逐步得到推广的。目前 ， 国外的气垫悬浮运输车生产企 业历史悠久、 技术比较先进， 他们在 国际上得到了普遍 认可 ， 在欧洲和美国， 气垫承载装置 已经成为工业生产 过程中重要的装备之一。主要有德国的 D E L U、 芬兰的 S O L ⅥNG和美国的 AE R O Go等公司生产气垫承载装 置 。近些年来随着国内装备制造业水平的不断提高 ， 特 别是航天 、 航空、 船舶、 电力、 轨道交通等行业 的高速发 展 ， 国内对气垫承载系统的需求 日益增长 ， 目前 国内的 气垫悬浮运输车主要有北京特种机械研究所研制 的多 个系列产品。本文介绍了一套基于 P L C的气垫悬浮搬 运车控制系统 ， 系统配备了循迹装置、 无线数据传输装 置以及轨道轮装置等， 实现了运输线路上的万向行驶 ， 这套控制系统极大地提高了气垫运输车的工作效率。 1 气垫悬浮搬运车工作原理 气垫悬浮搬运车由主车、 副车、 风管小车和遥控器 等组成 ， 如图 1所示 。 单车均配备气垫装置、 主驱动 、 辅驱动、 轨道轮装 置 、 提升装置 、 内置风管转盘以及循迹系统等 。轨道轮 装置可以保证气垫悬浮搬运车在不具备气垫使用条件 的区域运行。气垫悬浮搬运车的主车和副车的结构和 功能类似， 在两车配套使用时 ， 通常副车在前 ， 主车在 后运行。当气垫悬浮搬运车移动距离超过车内气管长 度时， 可用风管小车作为气源 的转接装置 。单车运行 或两车共同运行时均采用遥控器控制， 在直线行驶时 也可以采用循迹的方式 自动行驶 。在气垫悬浮搬运车 工作中主要实现气浮、 移动、 举升、 刹车、 调平、 循迹行 走及轨道 轮下 压等功能。本文在介绍控制 系统 设计 时 ， 以单车为对象进行描述。 1 一 主 车 } 2一 副车 I 3 一 风 管 小 车 ； 4一遥 控 器 图 l 气 垫悬浮 搬运 车整 车组成 图 2硬件 设计 气垫悬浮搬运车的电气控制系统是整车的核心组 成部分 ， 主要 由供 电模块、 P L C控制模块、 人机交互模 块 、 循迹模块等组成 ， 其控制系统结构如图 2所示 。供 电模块是整车电能的供应源， 负责给车辆用电设备提 供 电能， 主要包括蓄 电池组、 充电机和气动发电机等 ； P L C控制模块是电气控制系统 的核心， 完成车辆运动 控制 、 车辆状态信息采集和车辆故障诊断等功能， 它主 要由 C P U模块 、 数字量扩展模块、 模拟量 扩展模块和 通讯扩展模块等构成 ； 人机交互模块为用户操作提供 主要的操纵接 口， 包括主操作面板 、 辅助操作面板和遥 控器等 ； 循迹模块是气垫悬浮搬运 车 自动导航行走和 精确定位的重要组成部分， 主要包括颜色传感器和精 确定位传感器。 2 ． 1 PLC 系统设 计 本文 中设 计 的 P L C控 制系统采用 西 门子 S 7 一 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 0 1 }修回 日期 2 0 1 3 0 3 0 1 作 者简介 姚立柱 1 9 8 2 - ，男 。山东德州人 ，助理研究员 ，硕士 ，主要从事特种机械 电气设计 与调试工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 4期 姚立柱 ， 等 基 于 P L C的气垫悬浮搬 运车控制 系统设计 1 5 3 2 0 0系列 P L C， C P U型号为 C P U2 2 6 ， 并配备 了一块 8 路数字量输入模块 E M2 2 1 、 三块 8路数字量输 出模 块 E M2 2 2 、 一 块 模 拟 量输 入 输 出模 块 E M2 3 5 ， P L C系统组 成 如 图 3所 示 。 电气控 制系统 供电模块I 1 人机交互模块l l P L C 系统 I l 循迹模块 H 蓄电 池I H 遥控器I H C P U 模块 I H 颜色传感器l H 气 动 发 电 机 l H 主 操 作 面 板 l H 模 拟 量 模 块 l lI 精 确 定 位I 面 u 图 2 气垫 悬浮搬运车控制系统硬件组成 报警输入、压力开关输入、锁紧输入 l主驱动和辅助驱动输出 { I 循 迹和 精 确定 位传 感 器 输入 编 码 母输 入 l EM 22 EM 222 。 { EM22 l E】II2 3 自 由 口 仂 设 l l l l 口 口 l I l l 显 L 示 C D屏 J L遥控器 ．熟 遣 拎 升 刘 车 气 、 负 载 、 控 制 输 出 装 置 输 出 调 平 等 输 出 图 3 PL C 系 统 组 成 图 系统 中 P L C的 C P U 通 过 自由 口协 议接 收遥 控 器 发出的控制指令 ， 并通过 自由口协议将相关报警和显 示信息发送给主操作面板上的显示屏。数字量输入模 块用来采集压力继电器、 压力开关 、 故障检测开关 、 双 车锁紧开关 、 精确定位传感 器、 循迹传感 器等输入信 号 ； 数字量输 出模块用来对主气路 、 空载／ 负载选择、 主 驱动、 辅助驱动、 气管卷盘 、 刹车、 轨道轮等电磁阀的状 态进行控制 ， 并通过控制电磁 阀的开关状态控制气垫 悬浮搬运车做相应 的动作 。模拟量输入主要用来采集 主驱动和气管卷盘的转 向角度， 以保证车的转向角度 和供气管道的安全。 2 ． 2循 迹模 块设 计 气垫悬浮搬运车循迹模块是气垫悬浮搬运车电气 控制系统的重要组成部分 ， 能保证气垫悬浮搬 运车在 自动的情况下按照预先规划好的路径行驶 ， 并能保证 一 定的行走精度。循迹模块主要由地面路径铺设的色 带、 气垫悬浮搬运车上的红外反射式光电传感器、 进入 框架结构使用电磁感应式的定点停车传感器及导航信 号接收设备 P L C信号输入模块 等 4部分组成[ 2 ] 。 气垫悬浮搬运车 的循迹模块 选用抗 干扰能力强、 精度高、 防护等级优 良的红外反射式光电传感器 ， 分两 组分别布置在气垫悬浮搬运车的车头和车尾 ， 每组传 感器为轴对称布置 ， 如图 4所示 。当气垫悬 浮搬运车 前进时利用 A1 ～A3号传感器进行导航 ， 反之， 当该车 后退时利用 A4 ～A6号传 感器进行导航 。Al号、 A3 号传感器骑在引导线两测用于检测是否跑偏 ， A2号传 感器在引导线范围内用于辅助检测， 以确保气垫悬 浮 搬运车随时在以如图 1 所示的状态运行， 传感器信号的 组合状态决定 了气 垫悬浮搬运车下一步 的运行方式。 传感器 A 7和 A 8用于判断气垫悬浮搬运车是否完全进 入框架结构 ， 如果该车全部进入框架 ， 则停止运行。 框架下定位 停车传感器 ， 一 丽 I 翮 ＼车 图 4导 航 传 感 器 安 装 位 置 示 意 图 2 ． 3供 电模块 设计 气垫悬浮搬运车 的主要用电设备有电磁 阀、 P L C 控制器、 继 电器 、 显示屏 和传感器等 ， 供 电模块为其提 供稳定的直流电源 。其 中， 蓄电池为主要的供电电源， 为了增加供电系统的可靠性 ， 还配备了气动发电机作 为备用电源。在紧急情况下蓄电池 出现电量不足时， 可以启动气动发电机 ， 气动发电机为系统供 电的同时 也 可通过 充 电机为 蓄 电池充 电。 2 ． 4人机 交互模 块 人机交互模块为操 作者提供简单 便利的控制平 台。通过遥控器可实现无 线数据传输 ， 通过显示屏可 随时观察气垫悬浮搬运车的状态 ， 实现 了人机的无缝 对接 ， 提高了设备的操作效率。 3软件 设计 利用 S t e p 7 一Mi c r o wl N平台进行软件的开发 ， 采 用模块化设计[ 3 ] ， 实现 了气 垫悬浮搬运 车的气 浮、 移 动、 举升 、 刹车、 自动循迹 、 轨道轮动作 、 调平等功能。 P L C控制软件流程图如图 5所示。 r - _ ] 系统程序 块 O B 1 主 调用主程序模块 调用支撑架起升模块 遥控器解码程序模块 调用导航模块 辅助程序模块 调用无线数据传输模块 调用调平模块 调用轨道轮模块 调用行 走模块 调用 报警模块 I调用中断程序模块I 一一一一一一一一一一一一一一一一一 1 ． ． I 结束I 图 5 P L C控 制软 件流 程图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 4 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 3年笫 4期 P L C控制软件采用了模块化的设计结构 ， 主要包 括 ①系统程序模块 ； ②主程序模块 ； ③中断模块 ； ④遥 控器解码程序模块 ； ⑤辅助程序模块 ； ⑥调平模块； ⑦ 行走程序模块 ； ⑧支撑架起升模块 ； ⑨导航模块 ； ⑩数 据传输程序模块 ； ⑨轨道轮程序模块 ； ⑩报警程序块。 通过该算法程序 ， 实现了气垫悬浮搬运车的纵向、 横 向、 旋转 、 循迹 、 自动停车及支架起升等动作 ， 并保证 了气垫悬浮搬运车在运行过程中的稳定性 、 可靠性和 高效性。 4结语 本文设计了基于 P L C的气 垫悬浮搬运车控制 系 统 ， 实现了气垫悬浮搬运车的手动和 自动运行， 提高了 气垫悬浮运输车的运行效率。该系统 目前已在北京特 种机械研究所生产的气垫悬浮运输车上得到了成功应 用 ， 实现 了良好的经济效益。 参考文献 [ 1 3 刘锡禹． 气 垫悬 浮运 输系 统在变 压器 制造 中的应用 [ J ] ． 变压器 ， 2 0 0 7 ， 4 4 1 2 9 - 3 i ． [ 2 3 王 智 勇 ， 姬 婧嫒 ． AG V 小 车 的 控制 系 统 的设 计 与 开 发 [ J ] ． 机 电技 术应用 ， 2 0 0 7 ， 4 8 4 4 4 4 6 ． [ 3 ] 姚立 柱 ， 刘晋川 ， 杨瑞． R T G节 能系统 的研 究与设计E J ] ． 港 口装卸 ， 2 0 0 9 ， 1 8 6 4 1 8 2 1 ． De s i g n o f Ai r c u s hi o n S u s p e n s i o n Tr a n s p o r t e r Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC YAO Lb z h u，YAO J i e C AS I C，B e i j i n g S p e c i a l Ma c h i n e r y I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 1 4 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e p r i n c i p l e o f t h e a i r c u s h i o n s u s pe n s i o n t r a n s p o r t e r i s i n t r o d u c e d 。t h e c o n t r o l s y s t e m b a s e o n P L C i s d e s i g n e d ．Th e d e s ig n p l a n o f t h e s o f t wa r e a n d h a r d wa r e i s p r e s e n t e d ．B y u s e o f t his c o n t r o l s y s t e m ，b e t t e r c o n t r o l e f f e c t i s r e a l i z ed ． Ke y wo r d s a i r c u s h i o n s u s p e n s i o n t r a n s p o r t e r ；PL C；d e s i g n 上接第 1 5 1页 3 ． 1 ． 4 退出菜单 用于退 出物料跟踪系统服务器。 3 ． 2客 户端 功能 客户端界面主要包括系统登录、 操作界面 、 应用及 帮助菜单 。系统登录用于登录本系统， 并记录相应的 操作人员等信息 ； 操作界面用 于在相应工位录入对钢 管的操作信息， 操作信息主要包含钢管在相应工位 的 工艺参数、 报告结论 、 操作人员和时间等。 应 用 含有查 找 、 对话 、 编 辑功 能 。“ 查 找” 同服务器 端“ 查找” 功能一样 ； “ 对话” 用于 向服务器发送消息和 请求信息 ； “ 编辑” 包含更新 、 录入、 删除、 修改功能。 4结束语 随着信息技术的发展 ， 企业管理 的 自动化与信息 化水平越来越高 ， 在焊管企业的生产信息化实施过程 中， 物料跟踪系统是为其提供管理数据 的基本组成部 分 ， 只有配套完善的物料跟踪系统， 焊管企业的信息化 才能得 以实现， 从而为提高企业管理水平及运营质量 打好基 础 。 参考文献 [ 1 3 丁晓军． 螺旋埋弧焊管技术发展和技术改造设想[ J ] ． 焊 管 ， 2 0 0 0 ， 2 3 3 6 2 8 3 ． [ 2 3 史宏德 。 刘玉文． 企业 信息化 管理 网络在 宝钢股 份 HF W 焊 管厂 的应 用[ J ] ． 钢管 ， 2 0 1 l ， 4 8 4 7 0 - 7 3 ． [ 3 3 陈珊珊 ． 基于 RF I D的物 料跟踪管理系统研究[ J ] ． 技 术与 市 场 ， 2 0 0 9。 3 0 1 3 9 - 4 0 ． I n t r o d u c t i o n t o M a t e r i a l s Tr a c ki ng S y s t e m o f S pi r a l W e l d e d Pi p e Pr o d u c t i o n Li n e CAO Yi - z h o ng Ta i y u a n He a v y I n du s t r y Co ．，Lt d ．，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f e n t e r p r i s e i n f o r ma t i o n i z a t i o n，t h e we l d e d p i p e m a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e i mp r o v e s t h e l e v e l o f ma n a g e me n t a n d o p e r a t i n g e f f i c i e n c y t h r o u g h t h e u s e o f ERP s y s t e m．Th e ma t e r i a l s t r a c k i n g s y s t e m o f t h e we l d e d p i p e f i n i s h i n g p r o d u c t i o n l i n e i s t h e b a s e c o mp o n e n t o f i n f o r ma t i o n i z a t i o n i n t h e we l d e d p i p e ma n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e ． Th e a r t i c l e ma i n l y i n t r o d u c e s t h e c o n f i g u r a t i o n，f u n c t i o n a n d i mp l e me n t a t io n o f t h e ma t e r i a l s t r a c k i n g s y s t e m． Ke y wo r d s i n f o r ma t i o n i z a t i o n；s p i r a l we l d e d p i p e ；ma t e r i a l t r a c k i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m