重载电动单轨自动化输送系统的应用研究

  本项目建立于“工业 4.0”概念的国际大流行的背景下，同时也是处于国家“十三五”规划期间，实施制造强国战略，推进健康中国的建设环境。本文结合项目实际应用，针对 HEMS 在汽车自动化生产中的应用进行详细的介绍，阐明重载电动单轨输送系统的主要结构，轨道系统、小车系统、控制系统的设计方案和具体功能。重载电动单轨系统，电动输送机在单轨系统上行驶，同时带载能力达到或超过 10000kg。单独的驱动器，可在轨道系统内跨道岔和转换站行驶。电能和信号通过滑触线或无线传输。根据具体的任务，同时可以实现如拾取、提升或降下重物等功能。期间，整个设备内的单轨输送机必须自动完成其工作。在系统设计之初，已经考虑了即使是调度系统失灵的情况下也可以保证设备运行的安全性。

1  电动单轨控制系统结构

电动单轨系统主要包括生产控制系统、调度控制系统、吊具控制系统、能源供给及控制、通讯及周围设备等。电动单轨控制系统结构图如图 1 所示。

1.1  生产控制系统

生产控制系统属于上层控制系统，简单说明其主要功能就是负责提供生产数据，管理生产的车型、产量、节拍以及获取设备控制系统的运行状态，实时反馈生产数据、故障信息等。

1.2  调度控制系统

调度控制系统是本案例的重点，也可以称为设备控制系统，采用可编程逻辑控制器，即 PLC 进行控制；国内普遍流行的 PLC 品牌如西门子、三菱、欧姆龙、罗克韦尔等。

1.3  吊具控制系统

吊具控制系统是每台设备的核心。吊具控制系统主要由吊具上的移动控制单元 - 小车控制器和固定端的段控制器组成，另外还有通讯系统，供电系统以及安全系统等。

2  调度控制系统具体构成与描述

调度控制系统主要涉及能源的控制、安全控制、生产控制、输送调度控制、诊断和维修控制等内容。作为调度系统的核心控制元件我们采用可编程逻辑控制器，即 PLC。

2.1  能源控制的主要内容

（1）能源的获取。动力电能源从工厂提供的母线，采用电源插接箱的连接方式，通过 3 相 5 线制动力电缆连接到调度系统电源柜。

（2）能源的分配。由于生产线长度较长，一般会达到 600m 左右，同时对于安全隔离控制等的需要，也不允许滑触线电源一路供电到底，所以对滑触线进行分割成若干小段，分别供电，这样检修方便，同时也不用担心某处故障引起整个滑触线损坏。根据用电设备的功率以及耗能频率，采用断路器加接触器分层分级控制电源供给；不同供电区之间设置隔离段，供电由吊具行走方向的上游供电区提供，同时需要向下增加一层接触器用来单独控制，前后不同供电区、急停区任意区域触发安全；均需断开隔离段供电。

（3）能源的使用与转化。驱动器的控制，电源的转化与分配。吊具采用带有碳刷的集电器，从滑触线获取动力电源，通过现场变频器驱动，行走或升降电机来控制吊具的行走和升降。

（4）供电回路设计。首先，需要获取吊具能源消耗信息：上电电流、启动电流、额定电流、爬坡电流等。满足单个供电段停满吊具时的用电需求，根据工位长度、吊具尺寸及吊具间距计算单个回路（一般国内*大电流为 40A）轨道的长度，进而计算滑触线供电回路数量，从而对滑触线按计算好的长度进行分段切割，分别供电。根据转接站驱动设备及空调插座照明等用电设备功率计算电源分配控制柜用电容量。

2.2  安全控制策略

安全策略主要是针对能源的安全管控，达到在需要紧急停车时能够快速切断动力电源，从而使设备能够当断则断，紧急停止，达到保护人员安全的目的。根据供电回路设计方案以及系统平台制定对应安全策略。重点安全区域划分为上线区、缓存区、工艺段、结合区、分离区、下线区、维修区、诊断区。

2.3  生产控制

（1）MES 系统控制。系统控制数据通过以太网络获取调度控制系统的生产数据，汇总计算管理，下发生产数据信息，例如，当轮胎拧紧工位，设置轮胎安装、螺丝拧紧、机械手归位等工作任务，当吊具到位时，系统会反馈目前工件信息，生产控制系统对任务状态进行监控，当任务完成时，对系统发送放行命令，如任务超时，吊具停止的同时将工位未完成的任务状态显示到线边的生产信息显示大屏进行提示，基于此，信息进行计算工位工作任务完成情况及工作效率，对整个线体的监控进行数据采集监控分析，就可以分析出生产效率瓶颈节点，从而可以有针对性地调整人员工作任务或工艺流程，提高生产效率。

（2）线边控制。线边控制包括本身线体生产需求控制如急停、生产停、质量停，和其他接口设备控制。生产接口控制：结合工位、分离工位、前端、仪表、轮胎、座椅、风挡玻璃、车门等，根据不同的线边设备，一般分为硬接线模式和网络通讯模式 2种进行信号交互。

2.4  调度控制系统的传输控制

调度控制系统 PLC 通过对吊具控制系统发送吊具的启动、停止、行走、轨道的切换命令等，从而可以对吊具的行走、调流、流量等的控制。

上线工位：采用升降机转接站，同时配有读写站，用于对工件信息的读取和传输。通过读取工件信息或读取吊具本身携带信息，提前判定工件型号，升降机通过横移电机调整托臂宽度以适应不同型号的工件，当吊具处于转接升降机后，伸出电机驱动托臂准备接收工件。当升降机接车一切准备就绪后会上升抬高车身，使车身脱离吊具，此时，会有 2 台电机对吊具的吊臂打开装置驱动，使在升降机下行过程中顺畅无干涉；此时，需要相应数量的吊臂打开和关闭到位检查光电传感器，对吊具位置进行检查确认；车身在位光电传感器对车身位置进行检查确认；升降机下降到安全区域后，吊臂关闭，打开吊具夹紧结构放行空吊具，进行下一个循环。

闭锁站：通过电机驱动，拨动吊具定位销上的偏心轮旋转，使工件固定到吊具上的一种方法。配有吊具定位、升降机构或吊具升降运行、闭锁机构、伸缩机构（合并检查功能）。

闭锁检查站：主要是检查吊具是否正确且牢固地固定住工件的检查机构，配有吊具定位、升降机构。

驱动控制：行走、升降；通过发送行走和升降高度变化等的命令，控制吊具的行走和升降功能。

开锁站：工件在下线之前需要将前锁定的吊具支点解锁，一配有吊具定位、升降机构或吊具升降运行、开锁机构。

下线工位：同样采用升降机转接站。

道岔控制：道岔驱动控制方式一般可以采用接触器、现场变频器、道岔控制器等，道岔一般分为 2 位置道岔、3 位置道岔、上线道岔、下线道岔等。

2.5  吊具的诊断和维修控制

PE 检测是采用分段 PE 滑触线通过电流监控继电器对吊具上 PE 线路进行通断检测。

碳刷检测：碳刷检测一般采用压力开关安装到滑触线维修区入口前，当碳刷磨损严重，吊具经过时会反馈碳刷磨损故障信息。

抱闸测试：具备提升功能的吊具需要定期做抱闸测试以保证抱闸的有效性，给吊具发送抱闸测试命令即可，吊具完成抱闸测试后反馈抱闸测试通过或者故障等状态信息。

吊具维修检查站：主要对吊具定位装置和车身定位销的相对距离的调试，对吊具支点，结构以及稳定性的检测检查和调试。

3  吊具控制系统的组成与功能

段控制器是吊具控制系统的控制核心。吊具控制器是每台吊具的核心，段控制器和吊具控制器共同组成了电动单轨系统的灵魂，其在人力和机器有效性和安全性方面起到了至关重要的作用。吊具控制系统主要包括安全控制器、段控制器等。

3.1  段控制器

整个生产线被分成 3 个连续的控制区域，每个区域配备了一台段控制器，生产过程中，吊具会驶入和驶出控制段，当吊具进入当前段时，吊具会注册吊具号到当前段控制器，此时，会接收当前段控制器的控制指令，当吊具离开本控制区域时，吊具会注销吊具号，从而去往下一个段控制区域，此区域段控制器对其不再发送控制命令，其将会接收下一个段控制器的命令。

3.2  安全控制器

固定端的安全控制单元与吊具上的安全控制单元通过安全以太网及波导进行通讯，发送安全控制指令来控制吊具的安全启停。

3.3  吊具构成

（1）取电控制。采用集电器，通过碳刷从滑触线取电的方式，增加相应航空插头固定板，采用维修隔离开关控制单个吊具供电的通断。

（2）吊具通讯。采用波导通讯，在波导曹背部安装无线电波发射信号天线，将西门子基站发射出的无线电波发送至波导槽内部，同时在波导槽两端增加反射器用以减少电磁波损耗，达到增强信号的作用。在吊具的首末端配备波导接收天线，采用相应固定支架，使其能在波导槽中自由滑动，保证始终能够稳定接收到无线控制电波。无接触波导通讯示意图如图 2。

（3）吊具定位。吊具通过安全条码扫描传感器，读取贴在轨道上的安全二维码信息，反馈给安全控制器进行定位。安全功能包括限定安全位置、限定安全速度、限定安全行走方向。

（4）行走驱动。行走驱动采用 SEW 电机，角接形式，配备热敏电阻，采用 4kw 现场变频器，同样为 SEW 品牌。

（5）升降驱动。行走驱动采用 SEW双电机，星接形式，配备热敏电阻和制动电阻，采用 1 台 15kW 现场变频器控制 2 台升降电机，同样为 SEW 品牌。

（6）吊具控制器。移动端的安全控制单元与吊具上固定端的安全控制单元通过安全以太网以及波导进行通讯，发送安全控制指令来控制吊具的安全启动和停止。

移动端的安全控制单元是每个吊具的控制**，也可以说是单个吊具的大脑，用来接收调度指令，收集行走位置信息，升降高度信息，通过控制升降和行走变频器，控制升降和行走电机，完成调度的指令，是一个完全听从上级指挥的前方独立指挥部。

3.4  道岔控制

道岔控制我们可以理解成空中的火车轨道道岔，可见其安全性稳定性的重要。道岔不到位时，控制器将禁止小车在道岔附近区域内动作；小车在道岔时，道岔安全使能被安全 PLC 切断，道岔禁止驱动。

4  重载电动单轨的应用场景及研究意义

采用重载电动单轨系统，即使是大型和重型货物也能更快、更安全、更有效地从 A 运输到 B——即使在不同楼层或不同建筑物之间也可实现。

本文通过对重载电动单轨控制系统的应用研究发现，电动单轨吊具控制系统基于 PLC 作为调度控制系统是目前的主流，对每个吊具控制器进行调度控制。实现货物快速、高效、柔性搬运。在我国工业生产各行各业应用广泛，但同时大多数控制系统，无论是调度控制系统还是吊具控制系统、控制器以及驱动器、通讯设备等关键设备均需要采用进口品牌产品。虽然我国工业化已经扩展到国内范围内各行各业，也已经进入工业化中后期，但单从工业控制技术产品这个方面，我国距离工业现代化的道路还很长，需要我们从应用研究领域不断扩展、深入、提升努力能够达到自主开发生产的水平，从而真正步入各行各业，实现工业现代化水平。