CN101143686A

CN101143686A - 天车定位系统及定位方法

Info

Publication number: CN101143686A
Application number: CNA2007100612332A
Authority: CN
Inventors: 冷建伟; 杜明星; 姚晓伟; 屈重年; 马中原
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: CN100567130C

Abstract

一种天车定位系统及定位方法。本发明采用工业控制计算机作为核心，将工业控制计算机、数据采集卡、下位机PLC和传感器有机地融合在一起，充分发挥各自的优点。该系统在不影响原天车设计和控制方案的基础上，采用高精度激光传感器和编码器测取天车x、y、z三个方向的距离，经过不同类型的数据采集卡送入工业控制计算机CPU中，同时，采用OPC技术通过现场总线将天车运行的状态实时从下位机PLC读到上位机－工业控制计算机中，然后在工业控制计算机中利用Visual Basic等高级语言编写数据处理和界面显示程序，达到实时显示天车运行位置和状态的目的，从而为天车操作人员提供天车运行的精确数据，同时为实现高精度天车的无人驾驶提供了较雄厚的研究基础。

Description

天车定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种高精度的天车定位系统和定位方法。

背景技术

传统的天车定位有两种方法，其一在天车运行方向的一面墙上，画上不同颜色的彩条，每一种颜色代表着一段距离，天车司机要随时查看墙上的彩条，然后来判断天车所在的位置，每两个彩条之间的距离至少在20cm以上，这样，对天车的定位是不准确的，同时，要求天车操作人员要有较好的记忆和经验，才能知道天车的大概的位置。同时车下还要有一个人指挥，天车才能达到预定的位置，效率极其低下。这种方式对天车操作人员的要求比较高，天车操作人员必须是一个非常有经验的经过专门培训的人担当，无形中增加了生产成本。因此，无法适应现代高速发展的需要。其二是采用在天车轮轴上加装编码器的方式，这种方式的缺点是，在天车制动的过程中，天车的车轮在轨道上打滑，编码器计数不准确，不能达到准确定位的目的。另外，对于工业企业物料和工具位置固定的场合、具有货架结构的仓库、危险或者人不能进入的场合，依靠人来判断天车的位置会存在精度差、效率低、无人身安全保障等缺点。

发明内容

本发明目的是解决现有天车定位存在的上述诸多问题，改善天车的定位精度和提高生产效率，提供一种高精度的天车定位系统，并为天车操作人员提供方便直观的监控界面。

该系统不但能实时地检测出天车大、小车和主、幅钩的位置并显示出来，而且通过操作触摸屏可以观察天车的运行参数，实时了解天车的运行状况，使操作人员较方便地判断天车的运行状态。另外，为了方便天车操作人员操作天车，对现场的环境、重物的位置和特征、天车所处的相对位置进行了动画设计，天车操作人员根据动画的实时显示，可以准确地判断天车运行状态等信息。

本发明提供的天车定位系统，主要包括两大部分：

第一部分：天车定位系统硬件组成。

天车定位系统的硬件组成主要包括：工业控制计算机、激光传感器、编码器、数据采集卡和天车控制器PLC等部分组成。

激光测距传感器：主要用于测量天车的大车运行方向上和小车运行方向上的运行参数，并将该运行参数通过数据采集卡传递给工控计算机；大车和小车的激光测距传感器均安装在天车车身的适当位置上，随着天车一起运动。大车激光测距传感器的反光板安装在厂房钢梁上，而小车激光测距传感器的反光板安装在天车车身的适当位置上。同时，反光板与其所对应的激光测距传感器之间不应有任何障碍物遮挡激光束，保证测量数据的准确性。

编码器：主要用于测量主钩和副钩在高度上的运行参数，并将该运行参数通过数据采集卡传递给工控计算机；主钩和副钩的编码器分别安装在主幅钩拖动电动机的同心轴上，安装应牢固，保证编码器与电动机运行角速度相同。

数据采集卡：主要用于采集激光测距传感器和编码器检测到的运行参数，并将该运行参数传递给工控计算机；对于本发明所设计的定位系统，传感器只用了激光测距传感器和编码器。激光测距传感器输出可选择NPN或PNP开关量输出，也可选0～10V或4～20mA模拟量输出，本系统采用4～20mA模拟量输出，因此选用16为A/D转换器获取高精度的采集数据。编码器信号输出有正弦波(电流或电压)，方波(TTL、HTL)，集电极开路(NPN、PNP)等多种形式。其中TTL为长线差分驱动(对称A，A-；B，B-；Z，Z-)，HTL称推拉式、推挽式输出，编码器的喜好接收设备接口应与编码器对应。本系统采用对称A、A-，B、B-，Z、Z-连接方式，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。本系统采用一个PCI总线形式的4轴积分译码器和计数器板卡采集编码器的测量数值。

工控计算机：工业控制计算机是天车定位系统的核心部件，主要用于接收数据采集卡传递的运行参数，并对相关运行参数进行分析处理，输出系统的实时动画运行界面。工控计算机安装在天车操作室的天车定位系统控制柜中，系统所有采集的信号经过板卡或者OPC技术传送到工控机中。

第二部分：天车定位系统软件部分

天车定位系统软件部分主要包括天车运行参数处理部分、界面设计及动画显示部分、OPC通讯部分等组成。

天车运行参数处理部分：天车主副钩的高度测量是通过安装在拖动电动机同心轴上的编码器测取。1)测取主幅钩高度时应分析处理编码器每个输出脉冲代表的高度值，同时还应考虑主幅钩卷筒产生的偏差，要通过软件对其进行修正，修正的方案要通过反复地实验验证，从而保证足够的测量精度。2)软件能判断出主幅钩的运行方向，即能准确地判断主幅钩处于上升还是下降状态，以及上升与下降的高度。3)对于大车与小车的距离测量，主要通过激光测距传感器来实现。由于激光传感器不存在产生偏差的根源，因此测取数据的处理亦比较简单，只要控制好数据采集卡，就能保证足够的精度。

界面设计及动画显示部分：1)界面部分的设计思路主要是方便操作人员进行准确定位。本系统所设计的定位系统的界面不仅能实时显示天车所处的运行状态，而且还能动画显示天车在厂房内所处的位置和天车吊重物的情况等信息。例如：天车处于厂房的中间位置，那么在显示界面上，天车的位置也是在厂房中间。2)为了保证动画显示部分的精确性，需对厂房内所有的设备的坐标进行定位，并将定位信息存储在Excel表中，以备程序实时读取。3)由于本系统的动画显示部分较精确，因此天车操作人员可以自行搬运重物，勿需地面人员指挥，为实现天车的无人驾驶提供了前提条件。

OPC通讯部分：OPC通讯的目的主要实现将天车系统的运行信息传送到工控机中。本发明专利比较突出的优点之一就是，在不用改变天车系统的原有设计方案的前提下，提高天车定位的精度。在软件编程时，要将Visual Basic语言和OPC技术有机的融合在一起，实现将天车运行参数实时地传送到工控机中。

本发明提出的天车定位方法的思想：

要实现对厂房内不同设备或者货物的准确定位，最好的方法就是将厂房内所有的物体都放到三维坐标系中，对每一个物体给出一个坐标值，例如：坐标(x，y，z)。既然可以将所有的物体放到三维坐标系中进行定位，那么坐标的原点就应该选择在某一固定位置，具体操作可根据实际情况确定。

天车定位方法的具体步骤如下：

第一、确定天车的大车运行方向为x方向，天车的小车运行方向为y方向，确定主钩和副钩在高度上的运行方向为z方向；

第二、采用激光测距传感器分别测出x、y方向的运行参数，包括大车速度和位置，主、副小车速度和位置；

第三、采用编码器测出z方向的运行参数，包括主钩和副钩的运行高度及运行速度；

第四、通过数据采集卡采集激光测距传感器和编码器检测到的运行参数，并将该运行参数传递给工控计算机；

第五、通过工控计算机将数据采集卡采集的x、y、z三维运行参数进行处理，得到各时刻天车的大车、小车，主钩和副钩的具体位置和运行速度。

本发明的优点和积极效果：

本发明采用工业控制计算机作为核心，将工业控制计算机、数据采集卡、下位机PLC和传感器有机地融合在一起，充分发挥各自的优点。采用高精度的激光测距传感器和编码器作为距离和高度测量手段，对天车进行精确定位，在不影响原天车设计和控制方案的基础上，利用OPC技术通过现场总线读取下位机的天车运行参数和故障报警等信息，经过计算机的编程处理，将所有检测的信息通过人机界面显示给操作人员，为天车操作人员提供准确的运行参考数据。同时，动画显示天车吊运货物的状态，为天车操作人员提供更为直观的图面信息。

本发明将工业控制计算机和OPC技术应用到天车系统，即保证了运算速度和强大的编程功能，又不改变天车的原有设计和控制方案，因此可以在天车出厂后视情况添加此系统；利用Visual Basic等高级语言编写人机界面，可以充分利用其强大的编程功能，实现最理想的参数显示画面，对主副钩的高度进行修正。同时，利用Visual Basic的强大编程能力，可以编写动画显示的画面，生动逼真地实时显示天车系统的运行状态，从而使得天车操作人员能很快地对天车进行定位，大大地提高了工作效率。

本发明对于天车定位提出x、y、z三维坐标的方法，即将厂房内所有物体均放置在三维坐标系中，每一个物体均有唯一一个坐标值(x，y，z)。坐标的原点可以视情况定义在某个固定的位置上，x轴定义为天车大车的运行方向，y轴定义为天车小车(包括主小车和副小车)的运行方向，z轴定义为天车主、副钩的运行方向，利用激光测距传感器和编码器很方便地测出天车在分别在xyz三个方向的运行距离，因此该方法能较容易地实现对天车系统的精确定位。

本发明选择高精度的激光测距传感器和编码器作为距离和高度的测量手段。根据一般厂房的建筑结构与天车的结构和安装方法，本发明选用高精度的激光测距传感器测量天车大小车与原点的距离，选用编码器测量主副钩的高度，通过定位系统的软件程序修正，能实现对天车的精确定位，系统的定位精度在±3cm以内。

本发明的完成，大大缩短了天车的定位时间，提高了天车的工作效率，降低了天车操作人员的工作量。同时，还为实现高精度的天车无人驾驶系统提供了较雄厚的研究基础。

附图说明

图1为天车定位系统位置布置图。

图2为天车三维坐标系设定位置图。

图3为天车定位系统数据采集与显示系统结构图。

图4为工控机与PLC的OPC通讯结构图。

图5为系统定位程序流程图。

图6为系统人机主界面。

图7为1号炉台定位参数显示界面。

其中：1、天车运行轨道；2、天车；3、天车大车x方向运行距离；4、天车主小车y方向运行距离；5、天车副小车y方向运行距离；6、天车主钩z方向运行高度；7、天车副钩z方向运行高度；8、天车主小车；9、天车副小车；10、天车主钩；11、天车副钩；12、厂房；13、三位坐标；14、1#内罩；15、1#加热罩；16、顶部导流板；17、加热钢卷；18、中间导流板。

具体实施方式

实施例1

在图1中，给出了天车位置定位的布置图。从图1可以看出，天车由大车、主副小车、主副钩等部分组成，如天车要吊起某重物，首先应开动大车运行至重物所在位置的正上方，其次调节主副小车的位置，使得吊钩位于重物的正上方，最后调节主幅钩的高度实现对重物的吊起。从这个过程可以得到天车定位的坐标，即天车大车运行方向为x，天车主小车和副小车运行方向为y，主、副钩运行的方向定为z。通过这个坐标就可以精确地定位所调货物的位置。

图2给出了天车定位系统的坐标系设定位置图。图中方向规定符合常规，即上北下南左西右东的原则。从图中可以看出，在本发明中，将天车定位系统的定位坐标原点定在厂房的东南角处，天车大车向西行使的方向为x值增大的方向，天车小车向北行使的方向为y值增大的方向，天车主幅钩上升的方向为z值增大的方向。

在图3中，给出了天车定位系统数据采集与显示系统结构图。从图1和2中可以看出，本发明采用激光传感器检测天车大车、小车的位置，在x方向安装大车运行距离检测传感器，在y方向安装小车运行距离检测传感器，且主小车和副小车各自安装一个激光传感器。在主、幅钩的z运行方向安装编码器，通过编码器记录电动机的转数，通过计算修正最终得到主、幅钩的高度，主幅钩各自安装一个编码器。通过激光传感器和编码器测取的数据经电缆直接送入工业控制计算机的数据采集卡中，数据采集卡将数据送入计算机的CPU进行编程运算。对于天车的其他详细运行参数，天车生产厂家已将这些数据送入下位机PLC中。本发明利用OPC技术，将下位机PLC中的各项参数上传至工业控制计算机中。最后系统将计算完毕的位置信息和天车的各项运行参数，实时地输出到人机界面，方便天车操作人员操作与查询。

图4给出了工控机与PLC的OPC通讯结构图。下位机由西门子S7-300PLC、扩展I/O单元、ET200M远程I/0模块和变频器组成，CPU选用315-2DP。上位机为研华工业控制计算机。上位机主要负责显示天车在运动过程中的位置，包括三个方向，设为x、y、z。x为天车大车的运动方向，y为天车的小车的运动方向，z为吊钩的垂直运动方向。分别采用高精度的激光测距传感器和编码器采集上述各个数据。同时，为了采集大车，主小车，副小车，主钩，副钩的速度和电流，以及报警信号等，需要从PLC中将这些数据读取到上位机上。由于上位机采用VB编程实现数据采集，因此，上位机与下位PLC的通讯连接决定采用OPC方式。

OPC通讯方式采用客户/服务器模式。在本发明中，系统上位机安装了SIMATIC NET6.0软件。SIMATIC NET是西门子在工业控制层面上提供的一个开放的，多元的通讯系统。它意味着能将工业现场的PLC、主机、工作站和个人电脑联网通讯，为了适应自动化工程中的种类多样性，SIMATIC NET推出了多种不同的通讯网络以因地制宜。

SIMATIC NET软件提供了OPC服务器接口，使得OPC客户应用程序可以通过一个标准、开放的多供应商接口，与OPC服务器进行通讯。客户端VB与SIMATIC NET的连接采用OPC服务器提供的自动化接口实现。

图5给出了系统定位程序流程图，Excel表中保存了系统的初始化参数，系统分别读取激光传感器和编码器检测的数值。程序中对所采集的数据进行分析计算，并对主幅钩的高度进行修正，最后将参数输出至人机界面。

图6给出了系统的人机主界面，该界面画出了某个生产车间的物料和设施的布置图，这些物料和设施的相对位置是固定的。天车大小车移动时界面中深色的方块也会随之移动，用以示意天车的位置。界面右下方给出了系统主要监视的参数-天车位置的数值显示。同时，点击‘天车速度’、‘报警画面’和‘参数设定’按钮，系统将显示天车的运行速度信息、故障报警信息和参数设定画面。另外，点击主画面的设施示意图可以进入其相关画面，显示更加详细的信息。例如，点击主界面中的‘1#炉台’，则系统弹出图7所示画面。

图7给出了1#炉台监控画面，当1#炉台的顶部导流板被取走时，系统的坐标参数将发生变化，同时，画面右侧图中也将没有顶部导流板的显示；当最上面的钢卷被取走时，系统的坐标参数也相应地变化，同时，画面右侧图中也将没有最上面钢卷的显示，依此类推。画面左侧的坐标显示表示主幅钩距离被吊钢卷或导流板的距离，如果吊钩刚好吊到导流板或者钢卷，那么这些坐标的数值应该均为零。

Claims

1.一种天车定位系统，其特征是该定位系统包括激光测距传感器、编码器、数据采集卡、工控计算机：

激光测距传感器：主要用于测量天车的大车运行方向上和小车运行方向上的运行参数，并将该运行参数通过数据采集卡传递给工控计算机；大车和小车的激光测距传感器均安装在天车车身上，随着天车一起运动；大车激光测距传感器的反光板安装在厂房钢梁上，小车激光测距传感器的反光板安装在天车车身上；

编码器：主要用于测量主钩和副钩在高度上的运行参数，并将该运行参数通过数据采集卡传递给工控计算机；主钩和副钩的编码器分别安装在主幅钩拖动电动机的同心轴上，安装应牢固，保证编码器与电动机运行角速度相同；

数据采集卡：用于采集激光测距传感器和编码器检测到的运行参数，并将该运行参数传递给工控计算机；

工控计算机：用于接收数据采集卡传递的运行参数，并对相关运行参数进行分析处理。

2.一种天车定位方法，其特征是该方法包括以下步骤：

第四、采用数据采集卡采集激光测距传感器和编码器检测到的运行参数，并将该运行参数传递给工控计算机；

第五、采用工控计算机将数据采集卡采集的x、y、z三维运行参数进行处理，得到各时刻天车的大车、小车，主钩和副钩的具体位置和运行速度。