【技术前沿】无人行车精确定位到卷料卷芯位置的方法

行车在冶金工业生产中应用广泛，具有吊运坯料、卷料、辊材等功能，传统行车一般没有自动定位功能，只能由行车司机目测行车位置和吊钩高度进行吊运，工作效率低、人工成本高，存在一定的安全隐患。近年来，由于信息化水平的不断提高和ERP、MES系统的普及应用，无人化行车依靠自动化技术、智能库管系统在库区管理中的应用实现了无人操作、精准定位、自动吊放的功能。其中精准定位到物料的准确位置是自动吊运的前提条件，本文以常见的卷料为例，介绍在三维空间中无人行车如何精确定位到卷料卷芯的位置，以及由于工况环境不同引起的定位不准的解决方案。

01

引言

根据国家智能制造的战略要求，无人化行车在各大钢厂或物流企业开始兴起，本文通过介绍定位方法在无人行车中的应用，通过一段时间的测试运行，此方法精确定位到卷料卷芯位置具有可行性和可靠性。

02

行车位置检测的常用方法

2.1编码定位

格雷母线和编码器都属于编码定位原理，格雷母线扁平状的基准线和地址线电缆与天线箱之间通过电磁耦合产生电流，基准线和地址线电缆中感应电流通过地址编码接收器进行比较，将比较的相位差产生格雷编码。格雷母线检测位置的优点是绝对地址信息稳定可靠、无误码、无积累误差，缺点是安装繁琐，位置检测分辨率较低。

绝对值编码器通过读取码盘上漏光通道形成的明、暗刻线，获得从2的零次方到2的n-1次方的2进制编码（格雷码），将码值通过PLC程序处理得到相应的检测值，编码器安装在大车、小车、起升机构的传动轴处，一般为Profibus_DP或Profinet通讯协议，具有安装简便、稳定可靠的特点，编码器的检测精度与编码器的位数n有关，缺点是用于检测轮轨运动方式时，由于轮子与轨道间会产生打滑现象，或机械精度问题引起测量偏差较大，所以大车、小车方向很少使用编码器用于位置检测，编码器多用于起升机构的位置检测。

2.2激光定位

激光定位基本原理是光反射，具有测量范围大，测量精度高、安装方便、受环境影响小等特点，激光测距仪支持Profibus_DP或Profinet通讯协议，具有状态诊断和速度计算等功能，可满足自动行车在定位过程中的位置反馈精度要求。其中Profinet通讯协议可通过PLC设置1-512ms的高频率扫描周期，将扫描结果用于防摇控制器的防摇和定位功能，扫描频率符合防摇控制器的采样处理周期，能达到理想的防摇效果和定位精度。

03

精确定位的系统组成和方法

无人行车实现精确定位到卷料卷芯位置需要各系统协调统一工作，形成闭环控制，各系统包括：

Ø 智能库管系统；

Ø PLC控制系统；

Ø 防摇和定位控制系统；

Ø 变频驱动控制系统。

闭环控制原理图

3.1智能库管系统

智能库管系统负责将卷芯位置在三维坐标系中的坐标（大车方向x、小车方向y、吊钩高度z）发送给执行机构的PLC控制系统，库管系统给出正确坐标的依据是库区测绘数据。对于双层钢卷的工况，二层钢卷没有固定的物理坐标鞍座，码放在两个钢卷之上，天车调度系统根据二层卷的外径、内径计算卷料放到某个位置是否安全，计算卷料放到该位置后的坐标数据，校验当前坐标从数学层面是否合理，校验当前坐标从工业方面是否符合现场安全规定，是否会对底部卷料产生损坏等。库管系统数据库每次记录吊放钢卷的实际位置数据，在下一次吊运此钢卷时与PLC传感器数据进行双重验证，保证坐标数据的准确性。

3.2PLC控制系统

PLC控制系统图

PLC控制系统是防摇和定位控制系统与变频驱动单元的连接核心，负责将行车的设定位置信息、实际位置信息、公共数据信息发送给Sway control system（具有定位模式），同时Sway control system将定位计算结果通过PLC系统发送给变频驱动控制单元，完成各系统间数据通讯及行车机构主控功能。

3.3防摇和定位控制系统

防摇和定位控制系统是无人行车精确定位的核心设备，本设计方法采用SINOTION C系列运动控制器，SINOTION C是基于SIMATIC S7-300设计的运动控制器，可以使用SIMATIC S7-300系列模块对SIMOTION C进行扩展。用于伺服或矢量驱动的设定值输出，既能实现逻辑和运算控制功能，又能实现PID功能,在消除摇摆角度控制的同时，又能实现行车大车（X方向）、小车（Y方向）的精确定位功能。

SIMOITION C240PN 自动化系统图

3.4变频驱动控制系统

ABB

3.5精确定位的方法

精确定位到卷料的卷芯位置需要同时满足4个方向的精确定位，即大车方向、小车方向、主钩高度方向、吊钩的旋转方向，通过上述智能库管系统、PLC控制系统、防摇和定位系统、变频驱动控制系统的协同运行，可实现大车、小车方向的防摇摆和定位功能。主钩高度方向的精确定位需要配合智能夹具的传感器信号完成，首先，智能库管系统根据卷料的外径信息和坐标测绘数据（或二层卷的计算数据），给出卷芯位置的高度坐标（Z方向），主钩高度编码器和智能夹具上的传感器信号双重判断主钩高度是否合适，通过PLC计算的速度斜坡完成主钩高度方向的卷芯位置精确定位。吊钩旋转一般分为旋转90°和180°，根据库管系统下发的旋转角度指令，由吊钩旋转变频器和角度检测编码器形成闭环控制，完成吊钩旋转方向的精确定位。四个方向定位全部完成后，最终由夹具上的传感器设备验证是否满足夹紧条件，满足条件后可继续完成自动吊运的相关动作。

04

不同工况定位不准的解决方案

对于自动行车而言，物料码放的绝对位置坐标数据是固定的，这就对码放物料的鞍座形式有一定要求，常用的卷料鞍座以橡胶、聚氨酯、钢结构材料为主，但鞍座形式多种多样，对于不能完全卡住卷料的鞍座形式会造成卷料滚动的情况，无法按测绘坐标数据实现准确定位。

无法固定卷料鞍座例图

这种工况下，自动行车需具备自动调节功能，在上述系统设计不变的前提下，由夹具传感器信号判断卷料的滚动方向，根据滚动方向重新调节大车或小车定位，直到夹具传感器信号满足条件，值得注意的是防摇和定位控制器在调节过程中摆长要满足在最大\最小摆长范围内，此解决方案从控制方法上解决了卷料卷芯位置坐标不固定的情况，但从工作效率上增加了再次调节的环节，降低了工作效率，对于工作节奏较快的环境，改造鞍座形式使物料绝对位置坐标固定是更好的解决方案。

05

结束语

行车作业多用在重工业环境，行车操作人员工作环境较差，安全系统较低，行车自动精确定位技术很好的解决了此问题，不再需要操作人员现场操作行车作业，并将信息化技术应用到智能库区管理，提高了行车的工作效率和操作人员的安全系数，近年来，随着无人行车在卷料库或板坯库的广泛应用，此设计方法实现了精准的定位控制，目标位置与实际位置偏差能满足10mm以内，为无人行车的自动稳定运行提供了可靠的保障。

- END -