CN102608943B - 基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统及控制方法；该系统包括夹钳晃动检测系统和保温炉边缘干涉预警系统；该检测系统包括激光传感器和可将该传感器所发射信号反射回的反光装置；该传感器至少具有据其是否接收到反射信号以输出不同信号的输出接口，该接口连接控制器；传感器设于吊车的相对静止位，反光装置设于夹钳的相对静止位；而预警系统包括另一组激光传感器和反光装置；相应地该传感器和反光装置设于保温炉入口相对侧，并在中间无遮挡时反光装置可将该传感器所发射信号反射回，其传感器至少具有据其是否接收到反射信号以输出不同信号的输出接口，该接口连接另一控制器。

Description

基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统与控制方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于钢厂板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统与控制方法。

背景技术

保温炉作为钢厂板坯库中的一种常见设备，一般为了实现保温炉的高效低耗，在设计保温炉时保温炉的设计尺寸会遵循空间利用最大化的原则，这样会使得保温炉中的板坯垛位间的尺寸比地面上的板坯垛位间的尺寸要小。出于板坯要经常进出保温炉的实际，虽然在进行人工吊运时，可以靠吊车操作工肉眼进行判断，以防止板坯与保温炉壁发生擦碰和损坏保温材料。但是由于视线、保温炉尺寸等各方面的原因，实际操作中与保温炉壁发生擦碰再所难免。

在工业控制高度自动化的今天，板坯库吊车已有采用无人化的趋势，特别是其安全性与可靠性是整个系统首先需要考虑的。当采用无人控制吊车进行自动吊运时，虽然吊车的定位精度比人工定位精度要高得多，以国内大多数钢厂的板坯库入库方式为例，其入库方式多种多样，而各种方式均无法保证入库时所有板坯中心点的对中。因此在需要夹取板坯进入保温炉前，由于夹取时没有进行中心定位，以及非正常情况下的夹钳晃动都会造成板坯在升降过程中的非预期晃动；这进一步造成了在进出保温炉时所吊板坯会对保温炉壁造成擦碰，轻则造成保温炉侧壁保温材料的损坏，影响保温炉的保温效果，重则造成掉坯损坏设备等重大事故。

因此需要一套保护系统，保证板坯库吊车在自动控制模式下能够安全可靠地在保温炉区域进行作业。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种在吊车自动控制模式下，板坯库保温炉内板坯吊运作业的控制系统，以用来保证自动控制模式下吊车吊运板坯的安全性，进而提高生产操作的准确性和可靠性，避免板坯入库时与炉壁发生擦碰等事故。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，包括：

一夹钳晃动检测系统；所述夹钳晃动检测系统包括一第一激光传感器和一在夹钳相对于吊车偏移设定的角度范围内，可将所述第一激光传感器所发射激光信号反射回第一激光传感器的第一反光装置；所述第一激光传感器至少具有一依据其是否接收到所述第一反光装置所反射激光信号以输出不同电信号的信号输出接口，所述信号输出接口连接一第一控制器的I/O接口；所述第一激光传感器设于吊车的相对静止位，所述第一反光装置设于夹钳的相对静止位；以及

一保温炉边缘干涉预警系统；所述保温炉边缘干涉预警系统包括至少两组分别设于保温炉入口横向位和纵向位的第二激光传感器和第二反光装置；相应地任意一组所述第二激光传感器和第二反光装置分别设于保温炉内板坯入口的相对一侧，并保持在所述第二激光传感器和第二反光装置间无遮挡时所述第二反光装置可将所述第二激光传感器所发射激光信号反射回第二激光传感器，所述第二激光传感器至少具有一依据其是否接收到所述第二反光装置所反射激光信号以输出不同电信号的信号输出接口，所述信号输出接口连接一第二控制器的I/O接口。

作为本技术方案的进一步改进，所述第一反光装置包括一反光板。

也作为本技术方案的进一步改进，所述第二反光装置包括一反光板。

作为本技术方案的更进一步改进，前述反光板为耐高温反光板，该耐高温反光板的耐热温度与所述板坯库保温炉炉内温度相适应(这里的耐高温反光板指能耐受工作现场温度环境并具有反光性能的板材或具有反光面的其它形状的材料)。

还作为本技术方案的进一步改进，所述第一激光传感器安设于吊车底部，所述第一反光装置安设于夹钳上方。

另外，所述保温炉边缘干涉预警系统还包括一例如为PLC控制系统的地面控制系统以及连接所述地面控制系统与吊车的信号传输网络。

其中，所述信号传输网络最好为无线传输网络。

进一步，所述地面控制系统包括：

第二激光传感器输出信号的采集监控模块；该模块依据所述第二控制器所接收的信号监控所吊运板坯是否遮挡第二激光传感器所发射激光信号，或者监控第二激光传感器可能出现的故障，并在出现故障时置位一个故障位；和

目标筛选模块；该模块依据所置位的故障位，判断出现状况的保温炉区域；以及

危险示警处理模块；该模块将目标筛选模块的筛选结果发送到吊车或地面控制系统。

同样，本发明提供的该控制系统还可以包括保温炉打开/关闭到位检测的传感器，所述传感器的信号输出端与地面控制系统相连。

又作为本技术方案的进一步改进，所述的至少两组第二传感器与第二反光装置，其组与组之间呈上下层排列，上下层间间距不大于板坯库所存放板坯的最小厚度。

此外，横向或纵向相邻排列的一个以上保温炉共用一组横向位或纵向位置放的所述第二激光传感器和第二反光装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种采用上述控制系统进行板坯库保温炉内板坯安全吊运的控制方法，其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种采用前述控制系统进行板坯吊运的控制方法，包括以下步骤：

(1)、依据夹钳晃动检测系统中第一激光传感器所输出的电信号判断夹钳的晃动情况，参照此信号，吊车控制系统控制夹钳的起升/下降速度与停止时间；

(2)、依据保温炉边缘干涉预警系统中各第二激光传感器所输出的电信号判断板坯与保温炉炉口的中心定位对中情况，参照此信号，吊车控制系统控制作出进一步下放或停止下放板坯的操作。

作为该控制方法的进一步改进，依据保温炉边缘干涉预警系统中各第二激光传感器所输出的电信号判断板坯与保温炉炉口的中心定位对中情况时，采用以下步骤：

(1)、判断各第二激光传感器所输出的信号是否正常；

(2)、判断出现异常情况的第二激光传感器所处的保温炉区域；

(3)、确定是否有吊车在此保温炉区域进行作业；并依据该结果选择向地面控制室发送危险警示电文以进行人工干预，或者向该吊车发送危险警示电文以阻止吊车继续作业。

也作为该控制方法的进一步改进，吊车在完成板坯下放时还包括判断保温炉盖是否打开到位的步骤。

采用上述技术方案的基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统和控制方法，可提高板坯库吊车在自动控制模式下所涉及保温炉作业时的安全性与可靠性，解决因板坯夹取位置误差所造成的安全可靠性问题，提高整个板坯库吊车自动作业区的安全等级。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作一详细说明。

图1为本发明所述控制系统中夹钳晃动检测装置的结构示意图；

图2为本发明所述控制系统中夹钳晃动检测装置的变化状态结构示意图；

图3为行车起升/下降时的工作流程图；

图4表示吊车吊运板坯入保温炉位置示意图；

图5为本发明所述保温炉边缘干涉预警系统的结构框图；

图6为本发明所述激光传感器检测系统的结构示意图；

图7为单个保温炉炉口信号发射反馈系统安装结构示意图；

图8为连排多个保温炉炉口信号发射反馈系统安装结构示意图；

图9为本发明所述地面控制PLC系统的作业流程图。

图中：1——保温炉  2、3——保温炉盖  4、41——激光传感器  5、51——耐高温反光板/反射板  6——PLC控制器  7——激光  9——板坯  10——地平面  11——板坯库吊车  8、12——夹钳

具体实施方式

本发明提供了一种板坯库吊车在自动控制模式下吊运板坯进出保温炉时的保护系统与控制方法。此系统包含三个部分：

(1)、夹钳晃动检测装置；

(2)、保温炉边缘干涉预警系统；

(3)、保温炉打开/关闭到位检测与联锁解锁系统。

下面将对这几个部分进行详细的阐述。

(1)夹钳晃动检测装置。

为了防止夹钳在起升/下降过程中晃动太大，造成对保温炉壁的擦碰，吊车上具备一套夹钳晃动检测装置。此装置工作原理如下。

此检测装置如图1所示，图中4为一激光传感器，5为一耐高温反光板。激光传感器4安装于小车底部，与安装于夹钳12(吊具)上方的耐高温反光板5构成一套信号发射反馈系统。激光传感器产生的激光在夹钳晃动角度小于设计值时，经过反光板的反射被激光传感器接收，输出高电平信号。

若夹钳12的晃动角度大于设计值时，激光传感器4产生的激光无法射在反光板上，造成激光传感器无法接收所射出的激光射线，输出低电平信号，如图2箭头所示。

吊车控制系统根据此信号在夹钳12起升/下降时，若检测到夹钳晃动幅度太大，将控制夹钳的下放速度与停止时间，以减小夹钳晃动的角度，当夹钳晃动的角度在允许范围之内时，再继续控制夹钳的起升/下降，避免与保温炉壁发生碰撞，提高安全性。

同时，这套装置可防止吊车吊运板坯时在下降过程中摆动幅度过大，进一步提高堆垛的整齐度。行车起升/下降时的工作流程如图3所示。

(2)保温炉边缘干涉预警系统。

具备了夹钳晃动检测装置，这只能检测夹钳在起升/下降过程中夹钳的晃动程度，但是无法防止由于非正常原因造成了板坯中心定位不准确，吊车在把板坯吊入保温炉前可能造成的与保温炉的碰撞的情况，如图4所示。图中11表示板坯库吊车，9表示吊车所吊的板坯，1表示板坯库的保温炉，10表示地平面。当吊车从其他垛位起吊板坯时，如果原垛位上的板坯发生偏移，吊车起吊时夹钳夹取位置不在板坯的中心，由于板坯超出了保温炉的入口范围，因此在吊车把板坯吊入保温炉时由于吊车采用自动控制无司机操作，无法发现此危险隐患，在下放过程中将发生板坯与保温炉碰撞的事故。

为了防止此现象的发生，设计了一套保温炉边缘干涉预警系统。

保温炉边缘干涉预警系统由保温炉边缘检测传感器、PLC系统、无线网络系统构成。其系统构成如图5所示。无线网络系统构成了吊车与地面控制系统之间数据的通讯媒介。

另外在保温炉的边沿增设激光传感器检测系统，此检测系统的主要构成如图6所示，主要由激光传感器4，反射板5，PLC控制器6组成。

另外，图6中的1为保温炉，2与3为保温炉盖。8为吊车的夹钳，9为吊车所吊板坯。7表示激光传感器发射的激光。10表示地平面。

激光传感器4与反射板5构成一套信号发射反馈系统。激光传感器发射的激光信号(激光7)通过反射板5的反射由激光传感器4接收。激光传感器4本身具备数字量输出接口，根据是否接收到反射板5所反射的激光信号输出不同的状态。假设，激光传感器接收到反射板发射的激光信号，输出信号为1；若激光传感器发射的激光信号受其他物体阻挡，无法通过反射板反射，则激光传感器输出信号为0。

若所吊板坯在下放过程中遮挡了激光传感器的信号，激光传感器信号输出为低电平，说明板坯将会与保温炉壁发生擦碰，需要紧急停止，人工干预，若激光传感器信号输出为高电平，则表明为正常状态，可正常下放。吊车在自动运行到保温炉内目标垛位后，以最高速度下放，在距离激光传感器检测系统距离为h时，以一档速度下放，在以低速通过S距离后，若所处区域的激光传感器的信号没有发生变化，即没有发生板坯遮挡激光传感器的情况，板坯可正常下放，如图6所示。

另外图6中，激光传感器4与反射板(耐高温反光板)5设置成上下两层，两层之间的间距应略小于板坯库板坯的最小厚度，主要是为了防止行车在下降/起升过程中因夹钳高度编码器的误差造成的板坯停止位置的偏移，以致于错过了激光传感器的检测范围，造成遗漏。同时为了防止其他因素的干扰，因此安装有两套激光传感器，呈上下两层放置。

一般来说，由于保温炉炉壁有4面，而要对此4面保温炉炉壁进行保护，就需要多套此激光传感器与反射板组成的信号发射反馈系统，如图7所示。图中为保温炉及保护装置安装位置俯视图。41所示的三角形同样表示激光传感器，51所示的圆形表示激光传感器反射板，共有4套。

激光传感器的输出信号接至PLC控制器的I/O接口。PLC控制器根据此激光传感器的输出信号判断激光传感器的激光信号是否受到阻挡。

实际在有多个保温炉需要保护时，可采用如图7所示的方法，每个保温炉安装4个激光传感器与4个反射板，形成对保温炉4面壁的保护。但是考虑到保温炉一般采用集中布置，按顺序排列，而且同一跨中的一台吊车只能同时对一个保温炉进行作业，为节省设备的安装数量，可采取设备共用的形式，如图8所示。图8为保温炉及保护装置安装位置俯视图。图中41所示的三角形表示激光传感器，51所示的圆形表示激光传感器反射板。7个保温炉中每个保温炉有两面壁处于同一直线上，因此，这两面壁统一安装2台激光传感器和2个反射板。另外，需要注意的是，激光传感器41的布置还需要考虑所选用的激光传感器的有效作用距离。假设每个保温炉的尺寸为15m×12m，如果所选用的激光传感器41的作用距离只有20m，那么必须按照如图7所示的情况为每个保温炉安装4个激光传感器与4个反射板。

地面控制PLC系统，主要实现保温炉边缘检测传感器信号的接收与计算，以及将检测结果通过无线网络发送给行车。其包含以下几个功能模块：

1)、传感器信号的采集监控模块，地面控制PLC系统实时监控保温炉周围传感器的信号状态，一旦发现有激光传感器信号缺失，即发生板坯遮挡激光信号的情形，或者传感器出现故障，置位一个故障位。

2)、目标筛选模块，地面控制PLC根据置位的故障位，判断出现状况的保温炉区域。

3)、危险示警处理模块，地面控制PLC根据从上位机取得的吊车的工作状态，判断当前是否有吊车在此保温炉区域进行作业，若有，则向此吊车发送一个危险警示电文，阻止吊车进一步进行作业。若当前在此保温炉区域没有吊车进行作业，则可认为发生了非预期的状态，向地面控制室发送一个危险警示电文，提示值班人员。

其作业流程如图9所示。

(3)保温炉打开/关闭到位检测与联锁解锁系统。

另外，为了防止在吊车运行时，因保温炉盖打开不到位，以及在板坯进出保温炉时由于误信号或者人为因素造成保温炉盖动作所引起的事故，需要一套保温炉打开/关闭到位检测与联锁解锁系统。

一般保温炉在建造时已具备保温炉打开到位的判断传感器，因此在这里只需要把这些传感器信号接入地面控制PLC系统。

而吊车与保温炉之间的联锁与解锁系统的工作原理如下。

当吊车自动执行指令前会先根据地面控制PLC系统的信号判断保温炉盖是否打开到位。如果已打开到位，吊车才能执行指令。当吊车自动运行到接近保温炉的位置时，通过无线网络发送一条联锁电文至地面控制PLC系统，地面控制PLC系统输出联锁信号给地面联锁控制PLC，地面联锁控制PLC在地面设备联锁完毕后，发送一个地面设备状态变更电文(联锁反馈)给地面控制PLC系统，地面控制PLC系统将此电文转发至吊车，吊车在接收到此联锁反馈电文后，才能继续作业，以此实现吊车与地面设备的联锁控制。在联锁控制状态，其他吊车或者地面控制人员无法进行保温炉盖的操作。

当吊车离开保温炉连锁区域定义的起点与终点区域范围，则为退出连锁区域。退出连锁区域时，吊车自动向地面控制PLC系统发送退出连锁区域信息电文，地面控制PLC系统取消向地面联锁控制PLC发出的联锁信号。

系统的工作流程如下描述。吊车在锁定保温炉后，在把板坯吊入保温炉时，会根据夹钳高度编码器的信号使夹钳下放到距保温炉边缘干涉预警系统中上一层激光传感器h的地方，减速，以低速通过激光传感器的检测区域，在保温炉边缘干涉预警系统中下一层激光传感器下方h的地方停止。

在此过程中，地面控制PLC实时接收激光传感器的信号并计算各保温炉的安全状态，若发现激光传感器信号的缺失，将立即向作业吊车或地面控制室发送一条危险警示电文。吊车若接收到此危险警示电文，将停止下降，由人工进行干预。若在此过程中，吊车没有接收到地面控制PLC系统发出的危险警示电文，吊车在通过激光传感器检测范围停止后，将发送一条保温炉安全状态查询电文至地面控制PLC。地面控制PLC接收到此电文后将返回一条保温炉安全状态电文至吊车。吊车根据接收到的安全状态电文判断是否继续进行下放作业。若不安全，将产生一个报警信号，进行人工干预。

在判定安全后，吊车将完成后续的板坯下放作业，在板坯放置完成，完成起升后，吊车将向地面控制PLC系统发送一条解锁电文，解锁保温炉炉盖。

上述的高度h一般根据吊车起升/下降控制过程中所能达到的精度进行确定，一般定为吊车升降控制精度的2～3倍即可。如吊车的升降精度为±20mm，则h可定位为40～60mm。

其中，本发明中提到的控制器或控制系统不仅局限于PLC控制器，也可以采用其它形式的控制器或控制系统进行替代；例如：继电器控制回路、订制开发的单片控制系统等。

另外，本发明中耐高温反光板的耐高温程度及材质可以根据保温炉内的温度以及反光板安装位置的环境温度进行选择，因为保温炉内的温度不是一定的，不同的钢厂保温内的温度针对不同的钢种应该是不同的。

本发明提供的板坯库吊车在自动控制模式下吊运板坯进出保温炉时的保护系统与控制方法，解决了在无人控制情况下因板坯夹取位置误差所造成的与保温炉发生碰撞、擦碰的安全可靠性问题，提高整个板坯库吊车自动作业区的安全等级。

Claims (14)

1.一种基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，包括：

一夹钳晃动检测系统；所述夹钳晃动检测系统包括一第一激光传感器和一在夹钳相对于吊车偏移设定的角度范围内，可将所述第一激光传感器所发射激光信号反射回第一激光传感器的第一反光装置；所述第一激光传感器至少具有一依据其是否接收到所述第一反光装置所反射激光信号以输出不同电信号的信号输出接口，所述信号输出接口连接一第一控制器的I/O接口；所述第一激光传感器设于吊车的相对静止位，所述第一反光装置设于夹钳的相对静止位；以及

一保温炉边缘干涉预警系统；所述保温炉边缘干涉预警系统包括至少四组分别设于保温炉入口横向位和纵向位的第二激光传感器和第二反光装置；相应地任意一组所述第二激光传感器和第二反光装置分别设于保温炉内板坯入口的相对一侧，并保持在所述第二激光传感器和第二反光装置间无遮挡时所述第二反光装置可将所述第二激光传感器所发射激光信号反射回第二激光传感器，所述第二激光传感器至少具有一依据其是否接收到所述第二反光装置所反射激光信号以输出不同电信号的信号输出接口，所述信号输出接口连接一第二控制器的I/O接口。

2.根据权利要求1所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述第一反光装置包括一反光板。

3.根据权利要求1所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述第二反光装置包括一反光板。

4.根据权利要求2或3所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述反光板为耐高温反光板，该耐高温反光板的耐热温度与所述板坯库保温炉炉内温度相适应。

5.根据权利要求1所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述第一激光传感器安设于吊车底部，所述第一反光装置安设于夹钳上方。

6.根据权利要求1所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述保温炉边缘干涉预警系统还包括一地面控制系统以及连接所述地面控制系统与吊车的信号传输网络。

7.根据权利要求6所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述信号传输网络为无线传输网络。

8.根据权利要求6或7所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述地面控制系统包括：

第二激光传感器输出信号的采集监控模块；该模块依据所述第二控制器所接收的信号监控所吊运板坯是否遮挡第二激光传感器所发射激光信号，或者监控第二激光传感器可能出现的故障，并在出现故障时置位一个故障位；和

目标筛选模块；该模块依据所置位的故障位，判断出现状况的保温炉区域；以及

危险示警处理模块；该模块将目标筛选模块的筛选结果发送到吊车或地面控制系统。

9.根据权利要求6或7所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，该控制系统还包括保温炉打开/关闭到位检测的传感器，所述传感器的信号输出端与地面控制系统相连。

10.根据权利要求1所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，所述的至少四组第二传感器与第二反光装置，每组包含两层的传感器与反光装置，呈上下层排列，上下层间间距不大于板坯库所存放板坯的最小厚度。

11.根据权利要求1所述基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制系统，其特征在于，横向或纵向相邻排列的一个以上保温炉共用一组横向位或纵向位置放的所述第二激光传感器和第二反光装置。

12.一种基于板坯库保温炉内板坯吊运的控制方法，系采用权利要求1所述控制系统进行板坯吊运的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、依据夹钳晃动检测系统中第一激光传感器所输出的电信号判断夹钳的晃动情况，参照此信号，吊车控制系统控制夹钳的起升/下降速度与停止时间；

（2）、依据保温炉边缘干涉预警系统中各第二激光传感器所输出的电信号判断板坯与保温炉炉口的中心定位对中情况，参照此信号，吊车控制系统控制作出进一步下放或停止下放板坯的操作。

13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，依据保温炉边缘干涉预警系统中各第二激光传感器所输出的电信号判断板坯与保温炉炉口的中心定位对中情况时，采用以下步骤：

（1）、判断各第二激光传感器所输出的信号是否正常；

（2）、判断出现异常情况的第二激光传感器所处的保温炉区域；

（3）、确定是否有吊车在此保温炉区域进行作业；并依据该结果选择向地面控制室发送危险警示电文以进行人工干预，或者向该吊车发送危险警示电文以阻止吊车继续作业。

14.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，吊车在完成板坯下放时还包括判断保温炉盖是否打开到位的步骤。

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