一种用于钢卷吊运智能化夹钳控制设备的制作方法

本实用新型属于自动化控制技术领域，涉及一种用于钢卷吊运智能化夹钳控制设备。

背景技术：

近两年国内正掀起一场自动化改造的热潮，主要目前人力成本越来越高，安全事故带来的损失也越来越高，而在钢铁行业尤其如此。自动化程度越高，配备的人员越少，甚至可以实现无人化生产。目前在宝钢内部正在普及自动化改造，起重机自动化改造是最先要求进行的改造项目。而起重机自动化改造，离不开吊具的自动化改造，因为起重机需要依靠吊具来实现钢制品的原料和产品的搬运工作，所以对于自动化起重机来讲，吊具的自动化程度、稳定性将直接决定起重机整体的自动化程度。目前在钢卷吊运的作业中采用的都是夹钳吊具，具有开闭限位检测功能，多数夹钳不具备安全保护检测功能，所以无法实现自动化，从而影响了起重机整体自动化的实施。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本专利提供一种有效地解决方案，实现一种智能化钢卷夹钳控制设备，用于起重机自动化的改造。吊具的控制系统与起重机的控制系统将相互独立，具有独立的CPU，可以自动检测夹钳的各个部位的安全状态和运行情况，可以安全的前提下执行起重机下达的工作指令，吊具的自动化程度，安全性能和工作稳定性将大幅度提高，同时可以完成多种复杂的工艺动作，实现了传统夹钳无法实现的工艺流程，有效降低起重机的PLC的计算工作量。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

该钢卷吊运智能化夹钳控制设备包括CPU、夹紧限位、顶部防撞限位、底部防撞限位、开闭极限限位、对中限位、载荷检测限位、旋转极限限位、钳爪打开限位、钳爪收起限位、状态指示灯、钳腿开闭电动机、夹钳旋转电动机、钳爪收放电动机、接触器、高速计数模块、IO模块、通讯模块、开度检测编码器、旋转角度检测编码器；夹紧限位、顶部防撞限位、底部防撞限位、开闭极限限位、钳爪打开限位、钳爪收起限位、对中限位、载荷检测限位、旋转极限限位、接触器、状态指示灯与IO模块相连；开度检测编码器、旋转角度检测编码器与高速计数模块线路连接；通讯模块与起重机PLC连接；开闭电动机、旋转电动机、钳爪收放电动机和接触器连接；高速计数模块、IO模块、通讯模块与CPU连接。

夹紧限位有两个，分别为左侧夹紧限位和右侧夹紧限位。顶部防撞限位有1个安装于钳腿顶部。底部防撞限位有四个，每个钳腿布置两个分别为内部防撞和外部防撞。开闭极限限位有两个，分别为开极限和闭极限。对中限位有4个，只有同时动作才表示吊具已经对中心。载荷检测限位有两个，每个钳爪上布置一个。旋转极限限位有两个，分别是左旋转极限和右旋转极限。钳爪收放限位有四个，每个钳爪分别布置一个收起极限和一个打开极限。状态指示灯分为两组分别布置在夹钳的两侧，可以保证夹钳旋转在任何角度都能正常看到状态指示灯，两组指示灯功能相同，分别为夹紧指示、带载指示、对中指示、钳爪收起指示、故障指示。开闭电动机1个可以控制夹钳打开和关闭。旋转电动机1个，可以控制夹钳的左旋转和右旋转。钳爪收放电动机两个，分别控制两条钳腿上的钳爪的收放。接触器有6个分别为夹钳打开接触器、夹钳关闭接触器、夹钳左旋接触器、夹钳右旋接触器、钳爪收起接触器、钳爪打开接触器。高数计数模块1个，具有两路编码器检测功能，可以连接开度检测编码器和旋转角度检测编码器。IO模块有两个，分别为1个输入模块和1个输出模块。通讯模块一个负责与起重机PLC通讯。CPU模块1个负责整个夹钳系统的智能控制。

系统组成还包括断路器、变压器、电源模块、中间继电器等等，均为常规配置。

传统的夹钳基本都是只具有开极限、闭极限、夹紧限位、载荷限位、对中心检测这几种功能，状态指示只有夹钳夹紧、夹钳带载、夹钳对中三种状态指示。在无人化起重机中要求夹钳具有更多的功能和状态指示，需要夹钳具有自身具有智能管理功能，包括可以提供自身的故障诊断、自身的保护功能；能够对中控PLC发出的指令进行纠错和甄别。同时为了适应现场的工况要求，提高库区存储容量，需要夹钳的钳爪可以自由收放，能够自由左右旋转到指定的角度位置，能够自由开关到指定的开度位置等一些特殊功能。这些功能在传统夹钳上是无法实现的。而且传统夹钳的对中心限位通常由两个或三个限位来实现，这在人工操作的情况下没有任何问题，但在无人化起重机上就不能100％保证夹钳对中心的可靠性，在起重机对位出现偏差时，将无法实现对中，从而导致无人化动作流程中断，只能由人工来处理。本专利将完全解决上述问题，满足了无人化起重机的功能需求，不仅实现了上述的功能要求，同时也提供了丰富的保护功能。在夹钳对中心方面做了较大改进，采用4个对中心限位实现对中心检测功能，分别布置于钳爪四周，不仅更大程度提高对中的可靠性，同时根据4个限位的状态还可以判断出起重机是否定位出现偏差，是往哪个方向出现了偏差，将偏差信息反馈给主控CPU，主控CPU就可以根据这些信息重新调整起重机的对位姿态，从而保证了100％的对中率。起重机的主控CPU只需要关心无人化流程工艺，对夹钳发布相关指令和对夹钳的反馈信息进行处理即可，无需关心夹钳的自身动作的实施和功能保护的实现，大幅度减低了主控CPU的工作量。

本专利的工作流程为：在CPU接受到起重机PLC的控制指令后，将分析该指令的动作要求，然后结合目前吊具上的检测设备的反馈信息，判断指令的合法性，如果指令合法将开始执行该指令，否则将忽略该指令反馈错误信息。吊具可以接受的指令包括“打开”、“关闭”、“左旋”、“右旋”、“钳爪收”、“钳爪开”。吊具可以反馈给起重机PLC的信息包括“打开极限”、“关闭极限”、“夹紧”、“左旋极限”、“右旋极限”、“钳爪收起”、“钳爪打开”、“夹钳开度”、“旋转角度”、“对中心”、“对中心上偏差”、“对中心下偏差”、“对中心前偏差”、“对中心后偏差”、“钳爪收起”、“钳爪打开”、“顶部碰撞”、“底部碰撞”、“有载荷”、“故障”、“指令错误”。吊具CPU根据目前吊具的状态，控制IO模块输出到指示灯进行吊具状态显示，可以显示的状态包括“夹紧”、“对中”、“带载”、“收起”、“故障”等五个信号，由于在夹钳前后各放置一排信号指示灯，所以可以保证无论是现场观察、远距离观察、摄像机观察都能全方位了解夹钳的当前状态。

CPU可以通过开度检测编码器、旋转角度检测编码器配合高速计数模块计算出夹钳的开度和旋转角度。在接收到主控CPU的夹钳开闭和夹钳旋转命令时可以根据通讯命令中的具体定位位置作出相应的动作，并运行到指定位置。

本专利的有益效果是实现了吊具智能化和模块化的控制，能够实现多种自动保护措施，实现无人化起重机对夹钳的特殊要求，有效降低起重机实现自动化工作时PLC的工作负荷，大幅度提高了吊具运行可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本专利电气系统图。

图2是本专利夹钳控制设备布置图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本专利的具体实施例。

实施例：

目前普通钢卷夹钳只具有夹紧检测、载荷检测、对中检测功能，不具备自动化条件，所以要实现自动化改造，需要增加多种检测功能、保护功能和增加PLC系统实现夹钳的自动化和智能化。

本专利采用西门子的S7-300系列PLC实现钢卷夹钳的智能化控制设备。为夹钳增加夹紧限位、顶部防撞限位、底部防撞限位、开闭极限限位、对中限位、载荷检测限位、旋转极限限位、钳爪收放极限限位、状态指示灯、开闭电动机、旋转电动机、钳爪翻转电动机、接触器、开度检测编码器、旋转角度检测编码器，以及PLC系统的CPU、IO模块、通讯模块、高速计数模块。

图1是本专利的电控系统图，Q01的电源断路器，380V交流电源通过Q01为整个夹钳提供电源，Q11是开闭电动机(M01)的保护断路器，Q12旋转电动机(M02)的保护断路器，Q13钳爪翻转电动机(M03)的保护断路器，T01是电源变压器，负责将380VAC变为220VAC提供控制电源，为PLC和接触器、指示灯供电。A11是电源模块将220VAC变为24VDC负责为PLC模块、编码器和检测限位供电。A12是CPU，采用西门子S7-300的314CPU，负责整个夹钳控制系统的智能控制。A13是输入模块，负责采集所有限位的信息，A14是输出模块，负责控制接触器和指示灯，A15是高数计数模块，负责对旋转编码器(B11)和开度检测编码器(B12)的数据进行检测，CPU将该数据进行换算可以得到夹钳的旋转角度和夹钳开度值。S11～S29是检测限位，包括夹紧限位、顶部防撞限位、底部防撞限位、开闭极限限位、钳爪收起限位、钳爪打开限位、对中限位、载荷检测限位、旋转极限限位。K11～K16是电机控制接触器，H11～H26是状态指示灯。

图2是本专利控制设备的布置图

①是状态指示灯，包括“夹紧”、“对中”、“带载”、“收起”、“故障”，分别布置在夹钳的两侧，可以保证在任何角度都可以观测到夹钳的工作状态。

②是旋转电动机，负责夹钳的“左旋”和“右旋”动作。

③是左旋极限限位，为感应限位，负责提供左旋到达极限的信息。

④是旋转角度检测编码器，为增量式脉冲编码器，通过PLC的高数计数模块可以实现夹钳的旋转角度的检测。

⑤是右旋极限限位，为感应限位，负责提供右旋到达极限的信息。

⑥是开闭电动机，负责夹钳的“打开”和“关闭”动作。

⑦是开度检测编码器，为增量式脉冲编码器，通过PLC的高数计数模块可以实现夹钳的开度的检测。

⑧是夹钳闭极限的检测限位，为感应限位，负责提供关闭到达极限的信息。

⑨是控制箱，PLC系统、接触器、断路器等控制设备均安装在控制箱内。

⑩是夹钳开极限的检测限位，为感应限位，负责提供打开到达极限的信息。

是夹紧检测限位，为对射式光电开关，共两对，每个钳腿侧布置一对，当该限位被遮挡时，则表示夹钳已经夹紧。图中的箭头线路表示可该限位的光路路径。

是顶部防撞检测限位，为对射式光电开关，共1对，当该限位被遮挡时，则表示钢卷已经到达夹钳顶部，将通过CPU向起重机PLC发出“顶部碰撞”的信号，起重机将禁止起升机构的下降动作。图中的箭头线路表示可该限位的光路路径。

是载荷检测限位，为感应开关，共两个，当该限位动作时，则表示夹钳已经吊运钢卷，通知CPU禁止夹钳的“打开”和“关闭”动作。

是对中心检测限位，为对射式光电开关，共4对，当该限位被遮挡时，则表示夹钳的钳爪未能与钢卷的中心孔对齐，将通过CPU禁止夹钳的“关闭”动作的执行。图中的箭头线路表示可该限位的光路路径。其中虚线圈中是夹钳对中检测限位的正面布置图，四个限位构成一个矩形区域，只有在该区域处于钢卷中心孔中时，才能保证夹钳的安全夹紧。

是底部防撞检测限位，为漫反射式光电开关，当光电开关被遮挡时，如果距离小于500毫米时，会动作，CPU在接收到该信号后，将向起重机PLC发出“底部碰撞”的信息，起重机PLC将禁止起升机构执行下降的动作。

是钳爪收起检测限位，每个钳爪布置1个，当钳爪收起到位时该限位闭合，CPU在收到两个限位都动作的信息后，停止钳爪的收起动作。

是钳爪打开检测限位，每个钳爪布置1个，当钳爪打开到位时该限位闭合，CPU在收到两个限位都动作的信息后，停止钳爪的打开动作。

是钳爪控制电动机,负责钳爪的收起和打开的动作的实现。

整个系统的工作原理是，由起重机PLC控制设备通过通讯模块向吊具CPU发出指令，吊具在接收到起重机的指令后进行判断，通过限位、编码器等检查设备的状态来判断指令是否可以执行，如果可以执行则执行起重机PLC要求执行的动作，否则忽略起重机的动作指令。在运行过程中如果检测到出现故障信息，则停止动作的执行，并向起重机PLC发出故障信息。

吊具的工作流程如下：

1.打开动作

在CPU通过通讯模块接收到起重机的“打开”指令后，CPU将根据打开极限限位、载荷限位和开度编码器的数据判断是否可以安全进行“打开”动作。在吊具处于带载状态、到达打开极限、编码器开度值超过最大开度时不允许进行“打开”动作，否则CPU通过IO模块控制接触器，驱动开闭电动机执行“打开”动作，在动作执行过程中，仍然实时检测“打开极限限位”和“开度编码器”的数据进行条件判断，当到达打开极限或编码器开度值超过最大开度值时则停止“打开”动作。并向起重机PLC发出到达“打开极限”的信息。

2.关闭动作

在CPU通过通讯模块接收到起重机的“关闭”指令后，CPU将根据关闭极限限位、加紧限位、载荷限位、对中限位和开度编码器的数据判断是否可以安全进行“关闭”动作。在吊具处于带载状态、到达关闭极限、夹紧限位已动作、对中限位未全部动作或编码器开度值小于最小开度时不允许进行“关闭”动作，否则CPU通过IO模块控制接触器，驱动开闭电动机执行“关闭”动作，在动作执行过程中，仍然实时检测“关闭极限限位”、“夹紧限位”、“开度编码器”的数据进行条件判断，当到达关闭极限、夹紧限位动作或编码器开度值小于最小开度值时，则停止“关闭”动作。并向起重机PLC发出到达“关闭极限”的信息，如果“夹紧限位”动作则还将向起重机PLC发出“夹紧”的信息，同时控制“夹紧指示灯”点亮。

3.左旋转动作

在CPU通过通讯模块接收到起重机的“左旋”指令后，CPU将根据左旋极限限位和旋转编码器的数据判断是否可以安全进行“左旋”动作。在吊具到达左旋极限或旋转编码器角度值超过最大旋转角度时不允许进行“左旋”动作，否则CPU通过IO模块控制接触器，驱动旋转电动机执行“左旋”动作，在动作执行过程中，仍然实时检测“左旋极限限位”和“旋转编码器”的数据进行条件判断，当到达左旋极限或编码器角度值超过最大角度时，则停止“左旋”动作。并向起重机PLC发出到达“左旋极限”的信息。

4.右旋转动作

在CPU通过通讯模块接收到起重机的“右旋”指令后，CPU将根据右旋极限限位和旋转编码器的数据判断是否可以安全进行“右旋”动作。在吊具到达右旋极限或旋转编码器角度值小于最小旋转角度时不允许进行“右旋”动作，否则CPU通过IO模块控制接触器，驱动旋转电动机执行“右旋”动作，在动作执行过程中，仍然实时检测“右旋极限限位”和“旋转编码器”的数据进行条件判断，当到达右旋极限或编码器角度值小于最小角度时，则停止“右旋”动作。并向起重机PLC发出到达“右旋极限”的信息。

5.钳爪收起动作

在CPU通过通讯模块接收到起重机的“钳爪收起”指令后，CPU将根据钳爪收起极限限位的状态判断是否可以安全进行“钳爪收起”动作。在吊具到达钳爪收起极限时不允许进行“钳爪收起”动作。否则CPU通过IO模块控制接触器，驱动钳爪电动机执行“钳爪收起”动作，在动作执行过程中，仍然实时检测“钳爪收起极限限位”的状态，当到达钳爪收起极限时，则停止“钳爪收起”动作。并向起重机PLC发出到达“钳爪收起”的信息。

6.钳爪打开动作

在CPU通过通讯模块接收到起重机的“钳爪打开”指令后，CPU将根据钳爪打开极限限位的状态判断是否可以安全进行“钳爪打开”动作。在吊具到达钳爪打开极限时不允许进行“钳爪打开”动作。否则CPU通过IO模块控制接触器，驱动钳爪电动机执行“钳爪打开”动作，在动作执行过程中，仍然实时检测“钳爪打开极限限位”的状态，当到达钳爪打开极限时，则停止“钳爪打开”动作。并向起重机PLC发出到达“钳爪打开”的信息。

CPU同时在实时检测保护限位的状态：

当“夹紧限位”动作时将点亮“夹紧”指示灯，同时向起重机PLC发出“夹紧”信息。

当“顶部防撞限位”动作时，将向起重机PLC发出“顶部碰撞”信息。

当“底部防撞限位”动作时，将向起重机PLC发出“底部碰撞”的信息。底部防撞限位每个钳腿布置两个，分别布置于钳腿的内侧和外侧。内侧防撞将保证夹钳下降过程中不会碰到钢卷外缘，从而避免因为起重机对位误差导致夹钳撞到钢卷外缘造成损伤的事故发生。外侧防撞将保证夹钳下降过程中不会碰到目标钢卷意外的障碍物外缘，从而避免因为起重机对位误差或现场出现意外障碍导致夹钳撞到障碍的事故发生。

当“开极限限位”动作时，将停止夹钳的“打开”动作，并向起重机PLC发出“打开极限”的信息。

当”关闭极限限位“动作时，将停止夹钳的“关闭”动作，并向起重机PLC发出“关闭极限”的信息。

当“载荷检测限位”动作时，将禁止夹钳的“打开”和“关闭”动作，并向起重机PLC发出“有载荷”的信息。

当“左极限限位”动作时，将停止夹钳的“左旋”动作，并向起重机PLC发出“左旋极限”的信息。

当“右极限限位”动作时，将停止夹钳的“右旋”动作，并向起重机PLC发出“右旋极限”的信息。

当“夹钳开度”大于“最大开度”时将停止夹钳的“打开”动作，并向起重机PLC发出“打开极限”的信息。

当“夹钳开度”小于“最小开度”时将停止夹钳的“关闭”动作，并向起重机PLC发出“关闭极限”的信息。

当“旋转角度”大于“最大角度”时将停止夹钳的“左旋”动作，并向起重机PLC发出“左旋极限”的信息。

当“旋转角度”小于“最小角度”时将停止夹钳的“右旋”动作，并向起重机PLC发出“右旋极限”的信息。

当CPU检测到编码器、IO模块、高数计数模块的故障信息以及电动机的故障信息是将停止夹钳的任何动作，并向起重机PLC发出“故障”的信息。