CN111498695A - 无人天车自动取料控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人天车自动取料控制系统及方法，本发明可以在任何时刻天车意外停止，重新启动后不会出现漏抓、重抓情况，抓取过程跳过料位低于设定值的取料单元，优先抓取料面高的单元，大大提高了抓取效率；并可根据实际情况改为手动抓取模式，抓取手动模式下定义的取料单元，切换抓取模式时不停机，实现无扰动切换；同时在画面设置管理员权限，有权限的可根据具体情况微调数据表中每层抓取的单元位置坐标，因此本发明具有控制精度高、控制迅速的特点。

Description

无人天车自动取料控制系统及方法

技术领域

本专利申请属于天车自动控制技术领域，更具体地说，是涉及一种无人天车自动取料控制系统及方法。

背景技术

天车作为一种重物的运输工具，已广泛应用于车间、码头、厂库等场所。像高炉水渣、垃圾发电、石灰厂等高温、水汽、粉尘，恶臭环境，天车操作人员很难长期在这种环境下工作，且影响操作人员正常操作，容易发生事故。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种无人天车自动取料控制系统及方法，实现取料、放料的无人自动化控制，便于人员正常操作，提升操作效率，有效解决背景中存在的问题。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种无人天车自动取料控制系统及方法，该方法具体包括如下步骤：

1.1.将料堆在横向、纵向分为N=i×j个取料单元，以料堆左上角为绝对零点建立坐标系，每个取料单元的中心坐标为该取料单元的位置坐标；

1.2.对上述取料单元建立N个元素的一维数组，元素属性包括每个取料单元的横坐标、纵坐标、单元料厚、取料次数、取完标志；将一维数组下标定义为取料指针；建立手动定义的取料单元，根据取料单元的单元料厚做M个数据表，对应第1-M层每个取料单元的位置坐标，此位置坐标的坐标值在调试时根据现场抓取情况动态调整，调试完成正常运行后，有管理权限的操作员可动态微调每层各取料单元的位置坐标；

1.3.在本料堆取完重新放料或天车移动到另一料堆后，根据三维扫描仪是否投入使用，采取以下两种方案：

1.3.1a.投入使用：根据三维扫描仪给出的数据计算每个取料单元的取料次数，按取料次数将各取料单元降序排序，并将取料指针指向排序后第一个取料单元，优先抓取取料次数多的取料单元，以保证取料效率最高；

1.3.2b.未投入使用：将料堆所有取料单元的取料次数赋1，并将所有取料单元的取完标志复位；将取料单元按坐标横向优先排序，并将取料指针指向排序后第一个取料单元，按坐标位置顺序取料；

1.4.在完成步骤1.3或天车由于故障及其它原因停机，人为启动天车，系统发出天车启动命令；

1.5.发出天车启动命令后，先遍历本料堆所有取料单元，如所有的取料单元的取完标志都为真，则将天车停止不启动天车，结束本料堆取料，等待下次取料命令；否则根据天车状态执行以下3种动作：

1.5.1a.如天车抓斗有料且处于准备好状态，则将放料位置的坐标赋于天车，天车执行放料动作，同时将循环取料标志置位；其中循环取料标志为布尔型变量，程序运行时占用固定的内存地址；

1.5.2b.如天车抓斗无料且处于准备好状态，则判断当前目标取料单元的取完标志是否为真，为真则将取料指针移到下一取料单元，直到目标取料单元取完标志为假为止，将目标取料单元坐标赋于天车，天车执行取料动作，同时将循环取料标志置位；

1.5.3c.天车未处于准备好状态，天车执行初始化动作，动作完成后天车停止，根据天车处于停止状态时抓斗有没有料，决定天车处于1.5.1a或1.5.2b的状态，同时发出启动命令；

1.6.判断循环取料标志是否为真，如为假则停止天车，取料结束，否则进入取放料循环；

1.7.判断三维扫描仪是否投入使用，如投入使用则在抓斗抓完料提升到一定高度后，根据三维扫描仪数据重新给每个取料单元给定取料次数；如未投入使用，在抓斗接触到料面时根据抓斗下降高度判断料面剩余厚度是否大于最小取料厚度，如小于最小取料厚度，则不执行抓取动作直接提升抓斗，取下一取料单元，避免由于料面厚度不够，抓斗将地面抓坏，同时将本取料单元的取料次数赋零、取完标志置位，下一循环不再取本取料单元；如大于最小取料厚度，则在抓取动作完成后，根据抓斗下降高度计算料面剩余厚度，根据剩余厚度对该取料单元取料次数重新赋值，剩余厚度小于设定值的取料单元取料次数赋零；

1.8.判断是否为手动抓取模式，如为手动抓取模式，选择手动抓取模式的第一个系统扫描周期将选中取料单元的取完标志复位，未选中取料单元取完标志置位；运行过程中只遍历选中的取料单元，取料次数大于零的取料单元的取完标志复位，小于等于零的取料单元的取完标志置位，在完成当前取放循环后只循环抓取手动定义取料单元，如为自动模式，执行1.9；

1.9.遍历料堆所有取料单元，取料次数大于零的取料单元的取完标志复位，小于等于零的取料单元的取完标志置位，取完标志为真的取料单元代表料已取完，下次循环跳过，此举可提高抓取效率，可以对料堆堆放进行动态监控，在取放料过程中由于外力导致料堆增加减少，天车可动态适应；

2.0.取料完毕天车执行放料动作，同时判断当前取料单元是否为最后一个，如为假则将取料指针移至下一取料单元，如取料指针指向的该取料单元的取完标志不为真，则在天车完成放料后将本取料单元坐标赋于天车，天车执行完放料动作后抓取该取料单元；如取料指针指向的该取料单元的取完标志为真，循环执行2.0，直到取料单元的取完标志为假；如当前取料单元为最后一个取料单元，则遍历料堆所有取料单元，判断是否所有取料单元的取完标志都为真，如都为真，则在天车执行完本取放循环后将天车停止，料堆取完；否则根据各取料单元的取料次数将取料单元降序排序，取料指针指向排序后第一个取料单元，开启下一层取料；

2.1.在三维扫描仪未投入使用的情况下，第一层取料完成后，取料单元按取料次数降序排序，先抓取取料次数多（也就是最多）的取料单元，天车实现除第一层按坐标位置顺序取料外，以后各层优化取料，以保证取料效率最高。

本发明技术方案的进一步改进在于：1.5.3c中，准备好状态为：抓斗处于天车安全移动高度，如抓斗有料则处于带载准备好状态，如抓斗无料则处于空载准备好状态，只有天车处于准备好状态才接收初始化以外的其它动作命令；

天车初始化动作是指：天车接受初始化命令后，如抓斗有料，则提升抓斗至安全移动高度后天车停止；如抓斗无料，则首先将抓斗张开到目标开度，然后将其提升至安全移动高度，天车停止。

本发明技术方案的进一步改进在于：1.8中，手动抓取模式的系统扫描是通过PLC实现的，手动抓取模式的一个扫描周期是指：PLC程序为循环执行，一个循环即为一个扫描周期，一个扫描周期为3-5毫秒；手动抓取模式的一个扫描周期即为PLC检测到手动抓取模式信号的当前周期执行1.8中的选中的取料单元的取完标志复位，未选中的取料单元取完标志置位操作，在下一个周期则不再执行，只是检测选中的取料单元取料次数是否大于零。

本发明技术方案的进一步改进在于：循环取料标志、取完标志的标志置位和标志复位是指：循环取料标志、取完标志都设有标志位，标志位为定义好的布尔型变量，标志置位为将值真赋予此变量，标志复位为将值假赋予此变量。

该无人天车自动取料控制系统，用于实现上述的控制方法，包括主控制系统、动力系统、变频器，主控制系统包括通过网关连接的CPU和分布式IO，动力系统包括用于分别控制天车大车、天车小车、抓斗升降和抓斗开闭的四台变频电机，以及与四台变频电机连接的变频器；四台变频器通过网关和CPU以及分布式IO组成环网；同时在天车大车、天车小车、抓斗升降和抓斗开闭的变频电机上均安装编码器，所有的编码器与分布式IO连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：CPU为西门子1500 CPU，网关为Profinet网关，编码器为绝对值编码器。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：按照以上逻辑在任何时刻天车意外停止，重新启动后不会出现漏抓、重抓情况。抓取过程跳过料位低于设定值单元，优先抓料面高的单元，大大提高了抓取效率；可根据实际情况改为手动抓取模式，抓取手动定义的单元，切换抓取模式不停机，实现无扰动切换；在画面设置管理员权限，有权限的可根据具体情况微调数据表中每层抓取的单元位置坐标。

附图说明

图1是本发明方法的程序控制流程细节图；

图2是本发明方法的程序控制流程简图；

图3是本发明系统的连接框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明公开了一种无人天车自动取料控制方法，参见图1-图2，具体步骤为：

1.1.将料堆在横向、纵向分为N=i×j个取料单元，以料堆左上角为绝对零点建立坐标系，每个取料单元的中心坐标为该取料单元的位置坐标。

1.2. 建立N个元素一维数组，元素属性包括X，Y，Z，COUNT，FLAG；其中，X：单元横坐标，Y：单元纵坐标，Z：单元料厚，COUNT：单元取料次数，FLAG：单元取完标志。

1.3.在本料堆取完重新放料或天车移动到另一料堆后，如三维扫描仪投入使用执行1.4，否则执行1.5。

1.4根据三维扫描仪给出数据计算每个取料单元取料次数，如取料次数小于等于零则该取料单元取完标志置位，反之复位；按取料次数将各取料单元降序排序，并将取料指针指向排序后第一个取料单元。

1.5.将料堆所有取料单元取料次数赋1，所有取料单元的取完标志复位；将取料单元按坐标横向优先排序，并将取料指针指向排序后第一个取料单元。

1.6.完成排序或天车由于故障及其它原因停机后人为启动，系统发出天车启动命令。

1.7.遍历本料堆所有取料单元，如取完标志均为真，则本料堆已取料完成，剩余料量在许可范围内，将天车停止，结束本料堆取料，等待下次取料命令；否则执行1.8。

1.8.判断天车是否处于带负载准备好状态，如为真，将放料坐标赋于天车，循环取料标志置位，天车执行放料动作，执行3.1，否则执行1.9。

1.9.判断天车是否处于空载准备好状态，如为真执行2.0，否则执行2.3。

2.0.判断目标取料单元取料完成标志是否为真，如为真执行2.1，否则执行2.2。

2.1.将取料指针移至下一取料单元，重复执行2.0。

2.2.将取料单元位置坐标赋于天车，循环取料标志置位，天车执行取料动作，执行2.4。

2.3.天车执行初始化动作，将抓斗提升至安全移动高度，完成初始化动作后系统发出天车启动命令执行1.7。

2.4.判断循环取料标志是否为真，如为真执行2.5，否则停止天车，结束取料。

2.5.判断三维扫描仪是否投入使用，如投入使用则待抓斗抓完料提升到一定高度后，根据扫描数值将所有取料单元取料次数重新赋值，执行2.8，否则执行2.6。

2.6.抓斗下降接触到料面后，根据抓斗升降编码器值计算料面剩余厚度，如厚度小于设定值，可能造成抓斗损坏地面或抓斗自身损坏等意外情况发生，故不执行取料动作，直接提升至安全移动高度并将该取料单元取料次数赋零，取完标志置位，执行3.1，否则执行2.7。

2.7.取料动作完成后，根据抓斗下降高度计算该取料单元料厚，根据料厚计算取料次数。

2.8.判断是否为手动抓取模式，如为手动抓取模式，在完成当前取放循环后，执行手动定义的取料单元；在选择手动抓取模式的第一个扫描周期将选中的取料单元取完标志复位，未选中取料单元置位；运行过程中只遍历选中的取料单元，取料次数大于零的取料单元的取完标志复位，小于等于零的取料单元的取完标志置位，只循环抓取手动定义的取料单元，执行3.0；如为自动模式，执行2.9。

手动抓取模式的系统扫描是通过PLC实现的，手动抓取模式的一个扫描周期是指：PLC程序为循环执行，一个循环即为一个扫描周期，一个扫描周期为3-5毫秒；手动抓取模式的一个扫描周期即为PLC检测到手动抓取模式信号的当前周期执行2.8中的选中的取料单元的取完标志复位，未选中的取料单元取完标志置位操作，在下一个周期则不再执行，只是检测选中的取料单元取料次数是否大于零。

2.9.遍历料堆所有取料单元，取料次数大于零的取料单元取完标志复位，取料次数小于等于零的取料单元的取完标志置位。

3.0.将放料位置坐标赋于天车，天车执行放料动作。

3.1.判断该取料单元是否为料堆最后一取料单元，如为真执行3.4，否则将取料指针移至下一取料单元。

3.2.判断该取料单元取完标志是否为真，如为真执行3.1，否则执行3.3。

3.3.完成放料后将该取料单元位置坐标赋于天车，待天车放料动作完成后抓取该取料单元，执行2.4。

3.4.判断料堆所有取料单元取完标志是否都为真，如为真执行3.6，否则执行3.5。

3.5.根据取料次数将取料单元降序排序，将取料指针移至排序后第一取料单元，执行2.4。

3.6.循环取料标志复位，料堆取料完毕，将取料单元按坐标横向优先排序。

3.7．判断放料动作是否完成，如为真，系统发出天车停止命令，否则执行2.4。

循环取料标志、取完标志的标志置位和标志复位是指：循环取料标志、取完标志都设有标志位，标志位为定义好的布尔型变量，标志置位为将值真赋予此变量，标志复位为将值假赋予此变量。

在图2的程序控制流程简图中也可以看出，程序控制流程为：

首先判断料堆取完后是否重新放料或天车是否移动到另一料堆，如果否，则程序结束，否则执行下一步骤；

接着判断是否为故障停机后人为启动，如果是则执行天车启动命令，否则程序结束；

然后判断三维扫描仪是否投入使用，如果否，则将料堆所有取料单元取料次数赋1，取完标志复位；并将取料单元按坐标横向优先排序，将取料指针指向第一个取料单元，接着执行天车启动命令；否则执行下一步骤；

然后根据三维扫描仪给出的数据计算得出的每一取料单元取料次数，如取料次数≤0，则该取料单元的取完标志置位，反之复位；接着按取料次数将各取料单元取料顺序降序排序，将取料指针指向排序后第一个取料单元，并执行天车启动命令，最终程序结束。

一种无人天车自动取料控制系统，参见图3，用于实现上述的控制方法，该无人天车自动取料控制包括主控制系统、动力系统、变频器，主控制系统包括通过网关连接的CPU和分布式IO（即分布式IO模块）；动力系统包括用于分别控制天车大车、天车小车、抓斗升降和抓斗开闭的四台变频电机，以及与四台变频电机连接的变频器；四台变频器通过网关和CPU以及分布式IO组成环网；同时在天车大车、天车小车、抓斗升降和抓斗开闭的变频电机上均安装编码器，所有的编码器与分布式IO连接。其中的CPU为西门子1500 CPU，网关为Profinet网关，编码器为绝对值编码器。

利用该系统和方法，可以在任何时刻天车意外停止，重新启动后不会出现漏抓、重抓情况。抓取过程跳过料位低于设定值单元，优先抓料面高的单元，大大提高了抓取效率。可根据实际情况改为手动抓取模式，抓取手动定义的单元，切换抓取模式不停机，实现无扰动切换；在画面设置管理员权限，有权限的可根据具体情况微调数据表中每层抓取的单元位置坐标，具有控制精度高、控制迅速的特点。

Claims (6)

1.一种无人天车自动取料控制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

1.1.将料堆在横向、纵向分为N=i×j个取料单元，以料堆左上角为绝对零点建立坐标系，每个取料单元的中心坐标为该取料单元的位置坐标；

1.2.对上述取料单元建立N个元素的一维数组，元素属性包括每个取料单元的横坐标、纵坐标、单元料厚、取料次数、取完标志；将一维数组下标定义为取料指针；建立手动定义的取料单元，根据取料单元的单元料厚做M个数据表，对应第1-M层每个取料单元的位置坐标，此位置坐标的坐标值在调试时根据现场抓取情况动态调整，调试完成正常运行后，有管理权限的操作员可动态微调每层各取料单元的位置坐标；

1.3.在本料堆取完重新放料或天车移动到另一料堆后根据三维扫描仪是否投入使用，采取以下两种方案：

1.3.1a.投入使用：根据三维扫描仪给出的数据计算每个取料单元的取料次数，按取料次数将各取料单元降序排序，并将取料指针指向排序后第一个取料单元，优先抓取取料次数多的取料单元，以保证取料效率最高；

1.3.2b.未投入使用：将料堆所有取料单元的取料次数赋1，并将所有取料单元的取完标志复位；将取料单元按坐标横向优先排序，并将取料指针指向排序后第一个取料单元，按坐标位置顺序取料；

1.4.在完成步骤1.3或天车由于故障及其它原因停机，人为启动天车，系统发出天车启动命令；

1.5.发出天车启动命令后，先遍历本料堆所有取料单元，如所有取料单元的取完标志都为真，则将天车停止，不启动天车，结束本料堆取料，等待下次取料命令；否则根据天车状态执行以下3种动作：

1.5.1a.如天车抓斗有料且处于准备好状态，则将放料位置的坐标赋于天车，天车执行放料动作，同时将循环取料标志置位；其中循环取料标志为布尔型变量，程序运行时占用固定的内存地址；

1.5.2b.如天车抓斗无料且处于准备好状态，则判断当前目标取料单元的取完标志是否为真，为真则将取料指针移到下一取料单元，直到目标取料单元取完标志为假为止，将目标取料单元坐标赋于天车，天车执行取料动作，同时将循环取料标志置位；

1.5.3c.天车未处于准备好状态，天车执行初始化动作，动作完成后天车停止，根据天车处于停止状态时抓斗有没有料，决定天车处于1.5.1a或1.5.2b的状态，同时发出启动命令；

1.6.判断循环取料标志是否为真，如为假则停止天车，取料结束，否则进入取放料循环；

1.7.判断三维扫描仪是否投入使用，如投入使用则在抓斗抓完料提升到一定高度后，根据三维扫描仪数据重新给每个取料单元给定取料次数；如未投入使用，在抓斗接触到料面时根据抓斗下降高度判断料面剩余厚度是否大于最小取料厚度，如小于最小取料厚度，则不执行抓取动作直接提升抓斗，取下一取料单元，避免由于料面厚度不够，抓斗将地面抓坏，同时将本取料单元的取料次数赋零、取完标志置位，下一循环不再取本取料单元；如大于最小取料厚度，则在抓取动作完成后，根据抓斗下降高度计算料面剩余厚度，根据剩余厚度对该取料单元取料次数重新赋值，剩余厚度小于设定值的取料单元取料次数赋零；

1.8.判断是否为手动抓取模式，如为手动抓取模式，选择手动抓取模式的第一个系统扫描周期将选中取料单元的取完标志复位，未选中取料单元的取完标志置位；运行过程中只遍历选中的取料单元，取料次数大于零的取料单元取完标志复位，小于等于零的取料单元的取完标志置位，在完成当前取放循环后只循环抓取手动定义取料单元，如为自动模式，执行1.9；

1.9.遍历料堆所有取料单元，取料次数大于零的取料单元的取完标志复位，小于等于零的取料单元的取完标志置位，取完标志为真的取料单元代表料已取完，下次循环跳过；

2.0.取料完毕天车执行放料动作，同时判断当前取料单元是否为最后一个，如为假则将取料指针移至下一取料单元，如取料指针指向的该取料单元的取完标志不为真，则在天车完成放料后将本取料单元坐标赋于天车，天车执行完放料动作后抓取该取料单元；如取料指针指向的该取料单元的取完标志为真，循环执行2.0，直到取料单元的取完标志为假；如当前取料单元为最后一个取料单元，则遍历料堆所有取料单元，判断是否所有取料单元的取完标志都为真，如都为真，则在天车执行完本取放循环后将天车停止，料堆取完；否则根据各取料单元取料次数将取料单元降序排序，取料指针指向排序后第一个取料单元，开启下一层取料；

2.1.在三维扫描仪未投入使用的情况下，第一层取料完成后，取料单元按取料次数降序排序，先抓取取料次数多的取料单元，天车实现除第一层按坐标位置顺序取料外，以后各层优化取料，以保证取料效率最高。

2.根据权利要求1所述的无人天车自动取料控制方法，其特征在于：1.5.3c中，准备好状态为：抓斗处于天车安全移动高度，如抓斗有料则处于带载准备好状态，如抓斗无料则处于空载准备好状态，只有天车处于准备好状态才接收初始化以外的其它动作命令；

天车初始化动作是指：天车接受初始化命令后，如抓斗有料，则提升抓斗至安全移动高度后天车停止；如抓斗无料，则首先将抓斗张开到目标开度，然后将其提升至安全移动高度，天车停止。

3.根据权利要求2所述的无人天车自动取料控制方法，其特征在于：1.8中，手动抓取模式的系统扫描是通过PLC实现的，手动抓取模式的一个扫描周期是指：PLC程序为循环执行，一个循环即为一个扫描周期，一个扫描周期为3-5毫秒；手动抓取模式的一个扫描周期即为PLC检测到手动抓取模式信号的当前周期执行1.8中的选中的取料单元的取完标志复位，未选中的取料单元取完标志置位操作，在下一个周期则不再执行，只是检测选中的取料单元取料次数是否大于零。

4.根据权利要求3所述的无人天车自动取料控制方法，其特征在于：循环取料标志、取完标志的标志置位和标志复位是指：循环取料标志、取完标志都设有标志位，标志位为定义好的布尔型变量，标志置位为将值真赋予此变量，标志复位为将值假赋予此变量。

5.一种无人天车自动取料控制系统，其特征在于：用于实现上述权利要求1所述的方法，包括主控制系统、动力系统、变频器，主控制系统包括通过网关连接的CPU和分布式IO；动力系统包括用于分别控制天车大车、天车小车、抓斗升降和抓斗开闭的四台变频电机，以及与四台变频电机连接的变频器；四台变频器通过网关和CPU以及分布式IO组成环网；同时在天车大车、天车小车、抓斗升降和抓斗开闭的变频电机上均安装编码器，所有的编码器与分布式IO连接。

6.根据权利要求5所述的无人天车自动取料控制系统，其特征在于：CPU为西门子1500CPU，网关为Profinet网关，编码器为绝对值编码器。

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