32t門式起重機(jī)大車糾偏改造

錢董武，姜 維，蔡曉峰

（上海外高橋造船有限公司 工務(wù)保障部， 上海 200137）

32t門式起重機(jī)大車糾偏改造

錢董武，姜 維，蔡曉峰

（上海外高橋造船有限公司 工務(wù)保障部， 上海 200137）

32t門式起重機(jī)大車糾偏系統(tǒng)改造采用了速度跟隨和位置檢測(cè)雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)以及固定的磁釘檢測(cè)來(lái)消除誤差，提高了自動(dòng)糾偏功能的穩(wěn)定性。通過(guò)此次改造實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)糾偏功能的可靠運(yùn)行，確保了門式起重機(jī)運(yùn)行的安全。

龍門起重機(jī)；糾偏；改造

0 引言

造船企業(yè)作為一個(gè)重工業(yè)行業(yè)，船體分段的搬運(yùn)與搭載都需要大型起重機(jī)來(lái)完成。公司現(xiàn)有32t以上的門式起重機(jī)近20臺(tái)，這些起重機(jī)跨度各不相同，最小的跨度也有48m，最大的跨度達(dá)185m。如此大的跨度在起重機(jī)行走時(shí)必須安全，其中大車行走的糾偏功能就是很重要的一項(xiàng)安全措施。當(dāng)剛、柔腿出現(xiàn)偏斜時(shí)，自動(dòng)糾偏功能動(dòng)作，使大車自動(dòng)減小偏斜，直至達(dá)到合理范圍內(nèi)停止自動(dòng)糾偏，這樣才能保證起重機(jī)的行車安全。

1 門式起重機(jī)大車改造前的糾偏系統(tǒng)

1.1 門式起重機(jī)原糾偏系統(tǒng)

32t龍門式起重機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)分為剛性腿與柔性腿，剛性腿與大梁直接焊接成一個(gè)剛性的整體，柔性腿通過(guò)大梁底部的柔性鉸與大梁連接。大車行走控制系統(tǒng)采用三菱PLC與安川系列變頻器組成。當(dāng)駕駛室手柄輸出運(yùn)行命令時(shí)，PLC的遠(yuǎn)程輸入輸出點(diǎn)通過(guò)開關(guān)量來(lái)控制變頻器的左行與右行，再由安川變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)剛性腿與柔性腿的變頻電機(jī)同步運(yùn)行。在大車剛、柔腿運(yùn)行機(jī)構(gòu)的檢測(cè)輪上各有一套編碼器，檢測(cè)兩側(cè)行程的相對(duì)量，當(dāng)行走偏差在跨度的1‰～3‰范圍內(nèi)時(shí)，由PLC控制進(jìn)行自動(dòng)糾偏。當(dāng)偏差超過(guò)3‰時(shí)起重機(jī)停車，由司機(jī)進(jìn)行手動(dòng)操作糾偏調(diào)整并達(dá)到1‰范圍內(nèi)后，再啟動(dòng)大車行走機(jī)構(gòu)，則行走機(jī)構(gòu)即可正常工作[1]。

1.2 原糾偏系統(tǒng)存在的問(wèn)題

32t龍門式起重機(jī)改造前的大車自動(dòng)糾偏依靠的是安裝在剛、柔腿水平檢測(cè)輪上的絕對(duì)值編碼器。理論上，剛、柔腿的檢測(cè)輪分別在軌道上進(jìn)行純滾動(dòng)，并將滾動(dòng)的圈數(shù)信號(hào)通過(guò)編碼器輸送到PLC處理器。當(dāng)兩支腿下的行走機(jī)構(gòu)在相同的時(shí)間內(nèi)的行走距離有差值時(shí)，兩個(gè)檢測(cè)輪在相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)就有差值，PLC檢測(cè)到差值超出設(shè)定范圍，啟動(dòng)糾偏程序。但在現(xiàn)實(shí)的使用過(guò)程中出現(xiàn)了編碼器差值反應(yīng)不出實(shí)際剛、柔腿的偏差，造成越糾越偏，最后致使起重機(jī)急停，嚴(yán)重影響起重機(jī)的使用。這些都給起重機(jī)的安全帶來(lái)較大隱患。通過(guò)多次觀察，發(fā)現(xiàn)造成編碼器讀數(shù)不準(zhǔn)的主要問(wèn)題如下：

1)由于軌道的高低不平，造成水平檢測(cè)輪有偶爾跳動(dòng)的情況，只要檢測(cè)輪跳動(dòng)，編碼器讀數(shù)就會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致糾偏數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

2)原糾偏系統(tǒng)中，SSI編碼器數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，起重機(jī)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)講機(jī)、電焊機(jī)等使用頻繁，會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致編碼器數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬時(shí)跳動(dòng)，影響了糾偏數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

3)編碼器本身也有少許誤差，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)，誤差會(huì)越積越大，嚴(yán)重影響了糾偏數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

由于安裝在水平檢測(cè)輪上的編碼器存在這些問(wèn)題，導(dǎo)致糾偏數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響了起重機(jī)行車的安全，所以需要對(duì)起重機(jī)現(xiàn)有的糾偏系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 門式起重機(jī)糾偏系統(tǒng)的改造

2.1 門式起重機(jī)改造方案

針對(duì)原糾偏系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，我們采用速度跟隨與位置檢測(cè)相結(jié)合的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方案(見(jiàn)圖 1)，以下稱之為“大車行走控制系統(tǒng)”。該系統(tǒng)需要獲取大車兩側(cè)的速度以及位置信息，電機(jī)的速度可以從驅(qū)動(dòng)器中采樣獲得，位置信息從安裝在大車側(cè)的絕對(duì)值編碼器獲得[2]。在司機(jī)給定速度指令后，速度給定值經(jīng)過(guò)PLC處理后，送到驅(qū)動(dòng)器；然后比較兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的速度反饋，降低或提高驅(qū)動(dòng)器2(柔性腿)的速度，以跟隨驅(qū)動(dòng)器1(剛性腿)，保證大車柔性腿和剛性腿行走距離一致，即位置信息近似零偏差。除大車行走控制系統(tǒng)外，還將在兩條軌道旁各加裝一排的磁釘，每個(gè)磁釘?shù)拈g隔10m，剛、柔腿相對(duì)位置的磁釘也相同。通過(guò)固定的磁釘位置來(lái)核對(duì)從絕對(duì)值編碼器讀出來(lái)的位置偏差。“大車行走控制系統(tǒng)”從原系統(tǒng)主站中獲取指令，并綜合處理編碼器、磁釘?shù)鹊臄?shù)據(jù)，來(lái)獲取變頻器輸出，從而有效控制大車兩側(cè)的行走距離和速度。

圖1 糾偏系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)改造內(nèi)容

該門式起重機(jī)原有的電控系統(tǒng)是三菱 FX-2N系列PLC和安川G7系列變頻器。FX-2N是小型PLC，數(shù)據(jù)處理能力有限，難以應(yīng)付編碼器、變頻器等D/A、A/D轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)處理，不便于控制算法的編程實(shí)現(xiàn)。為了達(dá)到速度與位置雙重跟隨，我們采用西門子 313C-2DP作為“大車行走控制系統(tǒng)”核心數(shù)據(jù)處理單元，與編碼器、G7變頻器組成了大車控制系統(tǒng)，與原有的電控系統(tǒng)之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接(見(jiàn)圖2)。編碼器采用DP通訊交換數(shù)據(jù)。DP總線采用雙絞線雙屏蔽層，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定，速度可達(dá)12Mbit/s，遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)也能達(dá)到187.5kbit/s，丟包率近似為0。

圖2 糾偏系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理圖

1)主站FX-2N獲取司機(jī)室的大車行走命令后，將原有的給定到變頻器的多段速信號(hào)切斷，保留運(yùn)行；FX-2N將司機(jī)室手柄等通過(guò) IO控制信號(hào)傳送給“大車行走控制系統(tǒng)”的西門子S7-300 PLC[3]。

2)大車行走控制系統(tǒng)”獲取FX-2N發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理，將大車速度模擬量信號(hào)給定到大車變頻器中，西門子PLC只負(fù)責(zé)兩個(gè)大車變頻器的速度控制和糾偏的故障診斷。

3)大車剛、柔腿兩側(cè)的檢測(cè)輪上安裝DP通信接口的絕對(duì)值編碼器，“大車行走控制系統(tǒng)”對(duì)編碼器進(jìn)行采樣獲得兩側(cè)大車的位置數(shù)據(jù)，從變頻器獲得速度反饋信號(hào)(模擬量信號(hào))，對(duì)起重機(jī)的大車糾偏進(jìn)行雙閉環(huán)控制，即速度閉環(huán)與位置閉環(huán)。

4)“大車行走控制系統(tǒng)”從外部獲取大車位置檢測(cè)信號(hào)等，即每隔10m一個(gè)磁釘?shù)臋z測(cè)信號(hào)，以判定編碼器是否需要清零、復(fù)位等。

5)司機(jī)室安裝觸摸屏，觸摸屏采用MPI通信接口，用來(lái)監(jiān)測(cè)“大車行走控制系統(tǒng)”的運(yùn)行狀況，并且可以使用觸摸屏來(lái)對(duì)編碼器進(jìn)行清零復(fù)位、對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行故障修復(fù)等。

2.3 系統(tǒng)改造所需硬件配置

系統(tǒng)改造所需硬件配置見(jiàn)表1所示。

表1 系統(tǒng)改造硬件配置

3 門式起重機(jī)糾偏系統(tǒng)的算法及說(shuō)明

3.1 糾偏算法的描述

其具體的工作過(guò)程描述為：在起重機(jī)剛、柔腿側(cè)各安裝一套絕對(duì)值位置編碼器，實(shí)時(shí)精確測(cè)量龍門吊大車位置的偏差距離，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)DP通訊模塊傳送到西門子PLC，在PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)控制器的設(shè)計(jì)輸出控制量傳送給兩個(gè)變頻器，變頻器再分別驅(qū)動(dòng)剛、柔腿異步電機(jī)動(dòng)作，當(dāng)給定剛、柔腿異步電機(jī)不同控制量時(shí)就達(dá)到了相應(yīng)的糾偏效果。

圖3為自動(dòng)糾偏的控制框圖，Reference為參考中心線上對(duì)應(yīng)的四個(gè)參考坐標(biāo)，其減去通過(guò)傳感器反饋回來(lái)得到的數(shù)據(jù)處理后的四個(gè)當(dāng)前坐標(biāo)，即得到四個(gè)誤差量，經(jīng)過(guò)再次數(shù)據(jù)處理后得到當(dāng)前大車的位置誤差與方向偏差，再通過(guò)控制器的設(shè)計(jì)得到兩個(gè)給變頻器的期望速度量輸入，最后實(shí)現(xiàn)良好的糾偏效果。

3.2 程序說(shuō)明

3.2.1 編碼器說(shuō)明

1)編碼器選用型號(hào)是：PVM58N-011AGR0BN-1213。在接線盒中可設(shè)置編碼器地址和切換終端電阻；剛腿地址為6，柔腿地址為16，終端電阻都為ON；編碼器地址必須和PLC硬件組態(tài)地址一樣(見(jiàn)圖4)。

圖3 自動(dòng)糾偏控制框圖

圖4 編碼器設(shè)置圖

2)編碼器電氣連接和參數(shù)： Profibus串行輸出接口；DP線和編碼器的連接為：B接紅，A接綠；(+)接24V正，(-)接24V零；接好的端口必須密封，以免編碼器進(jìn)水(見(jiàn)表2)。

表2 編碼器接線一覽表

3)數(shù)據(jù)傳輸原理：編碼器的數(shù)據(jù)中前面7位為狀態(tài)位，后25位為位置數(shù)據(jù)位(如表3所示)。

表3 編碼器的數(shù)據(jù)位置

4)編碼器數(shù)據(jù)處理

PLC采集到編碼器32位數(shù)據(jù)后，要處理掉高7位的狀態(tài)位，后面25位數(shù)據(jù)是可以用于計(jì)算的位置信息。①記錄零位時(shí)編碼器數(shù)據(jù)Step 0；②大車運(yùn)行一段距離D，記錄編碼器數(shù)據(jù)StepD。根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出大車運(yùn)行位置和編碼器脈沖數(shù)的比例關(guān)系：

在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，Scale是通過(guò)多次測(cè)量取平均值得到。Step0是在零位時(shí)編碼器的脈沖數(shù)，那初始位置偏差Offset就是Step0。

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，可以直接計(jì)算出大車的實(shí)際位置：

大車剛性腿和柔性腿的位置偏差為：

3.2.2 磁釘檢測(cè)說(shuō)明

1)磁釘位置記錄。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，大車兩側(cè)零位分別定在距離第一個(gè)磁釘中心左側(cè) 1.60m 處(剛腿)和左側(cè)1.42m處(柔腿)；每?jī)蓚€(gè)磁釘之間的距離是10m，可以計(jì)算出每個(gè)磁釘位置對(duì)應(yīng)的編碼器位置值，編碼器在沒(méi)有任何誤差和錯(cuò)誤的情況下測(cè)量到此處的值應(yīng)該和此對(duì)應(yīng)位置值相等，所以磁釘對(duì)應(yīng)的位置值可以作為糾正編碼器位置的依據(jù)。

2)磁釘校驗(yàn)位置。因?yàn)橛芯幋a器連接的檢測(cè)輪在實(shí)際工作中會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的打滑現(xiàn)象，所以根據(jù)編碼器計(jì)算出來(lái)的位置信息和位置偏差就會(huì)有誤，因此必須用固定不變的磁釘位置信息去校驗(yàn)有誤的位置信息。

3.3 大車糾偏的狀態(tài)說(shuō)明

改造的32t門式起重機(jī)跨距為64m，其自動(dòng)糾偏的范圍為64 mm～192 mm。故大車糾偏分為3種工況：

1)當(dāng)剛、柔性腿的位置偏差小于64 mm時(shí)，糾偏系統(tǒng)認(rèn)為是在可接受的范圍，糾偏程序不工作。

2)當(dāng)剛、柔性腿的位置偏差在64～192mm時(shí)，糾偏系統(tǒng)認(rèn)為是進(jìn)入了危險(xiǎn)范圍，糾偏程序自動(dòng)開始工作，直到位置偏差重新回到64mm以內(nèi)。這類情況下的糾偏動(dòng)作分兩種情況：①若剛性腿在某一方向上超前柔性腿時(shí)，PLC會(huì)控制柔性腿加速，剛性腿仍然保持原速度，這樣兩者之間的偏差將逐漸變小，直到兩者位置偏差重新回到64mm以內(nèi)，然后柔性腿的速度重新回到手柄設(shè)定的和剛性腿一樣的速度。②若剛性腿在某一方向上落后柔性腿時(shí)，PLC會(huì)控制柔性腿減速，剛性腿仍然保持原速度，這樣兩者之間的偏差將逐漸變小，直到兩者位置偏差重新回到64mm以內(nèi)，然后柔性腿的速度重新回到手柄設(shè)定的和剛性腿一樣的速度。

3)當(dāng)剛、柔性腿的位置偏差大于192mm時(shí)，大車就自動(dòng)停車。這種情況必須進(jìn)行手動(dòng)糾偏，司機(jī)在駕駛室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上一邊控制柔性腿單動(dòng)，一邊觀察觸摸屏上的偏差，使兩者之間偏差回到64mm內(nèi)后，大車才可以正常動(dòng)作。

4 總結(jié)

僅采用一套編碼器的位置反饋精確許多，而且改造所選用的編碼器抗干擾能力更強(qiáng)。通過(guò)此次改造實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)糾偏功能可靠運(yùn)行，確保起重機(jī)運(yùn)行的安全。

[1] GB/T3811-2008, 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版, 2008.

[2] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[3] 吉順平, 孫承志, 路 明. 西門子 PLC 與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

唯特利隆重推出經(jīng)認(rèn)證的船舶即按即連系統(tǒng)

2013年12月3日至6日，全球領(lǐng)先的機(jī)械管道連接系統(tǒng)制造商唯特利將在上海新國(guó)際博覽中心隆重推出Vic-Press?壓合系統(tǒng)，該小口徑不銹鋼管道連接系統(tǒng)已獲得國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)IACS認(rèn)證。

用于10S壁厚管道的即按即連Vicpress?壓合系統(tǒng)已獲得IACS會(huì)員機(jī)構(gòu)德國(guó)勞埃德船級(jí)社Germanischer Lloyd的“型式認(rèn)可”認(rèn)證。該系統(tǒng)能夠快速、簡(jiǎn)便、清潔并可靠地連接尺寸為15 – 50mm (?– 2")的316/316L型不銹鋼管，旨在大幅提升船舶建造、翻新與維修的效率。

用于10S壁厚管道的Vicpress?壓合系統(tǒng)無(wú)需熔焊或電弧焊，且不像法蘭連接需要切削油，現(xiàn)場(chǎng)也不會(huì)產(chǎn)生碎屑，更無(wú)需任何準(zhǔn)備時(shí)間。該系統(tǒng)可應(yīng)用于市售符合ASTM A-312標(biāo)準(zhǔn)的10S壁厚316型不銹鋼管道（全球許多供應(yīng)商均有供貨），從而確保用戶不會(huì)局限于單一的特定管道供應(yīng)商。

迅速便捷地實(shí)現(xiàn)可靠連接：對(duì)管道進(jìn)行定長(zhǎng)切割，將其插入接頭/管件，隨后對(duì)接頭/管件進(jìn)行壓合，就能在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)形成有效的永久機(jī)械連接。通過(guò)專業(yè)的便攜式工具對(duì)管件周圍進(jìn)行嚙合，就可確保各管件可靠且齊整地與管道相連接。

該壓合系統(tǒng)憑借其卓越的設(shè)計(jì)特性提供了極佳的可靠性。管件內(nèi)部具有獨(dú)特設(shè)計(jì)的管端止檔槽，以及貼合密封圈的槽體可有效確保壓合期間的密封性。而且，Vicpress?密封圈為進(jìn)一步簡(jiǎn)化安裝流程已進(jìn)行了預(yù)潤(rùn)滑處理，系統(tǒng)連接時(shí)無(wú)需對(duì)管件/管道進(jìn)行額外潤(rùn)滑。在安裝之前，安裝人員可標(biāo)識(shí)一個(gè)“參考記號(hào)”，該記號(hào)將標(biāo)識(shí)于管道表面正確位置，從而確保能夠以簡(jiǎn)單目測(cè)的方式，確保管道已完全插入。已申請(qǐng)專利的壓合檢測(cè)技術(shù)使安裝人員能夠在填充和檢測(cè)管道系統(tǒng)時(shí)，快速區(qū)分所有未經(jīng)壓合的接頭。

獲得認(rèn)證的產(chǎn)品包括接頭、三通、彎頭、異徑管、盲板與適配器。Vicpress?壓合接頭與管件的額定壓力高達(dá)16 bar/232 psi（1600 kPa）。此類產(chǎn)品具有卓越的耐火性，建議用于符合以下條件的流體應(yīng)用： HNBR密封墊圈可應(yīng)用于最高溫度至98°C (208°F)的工況；EPDM密封墊圈可應(yīng)用于最高溫度至121°C (250°F)的工況。

Vic-Press?壓合系統(tǒng)還可與標(biāo)準(zhǔn)唯特利溝槽系統(tǒng)搭配使用，更增強(qiáng)了系統(tǒng)維護(hù)的簡(jiǎn)易性。該系統(tǒng)也將在展會(huì)上展示。

唯特利中國(guó)區(qū)船舶市場(chǎng)經(jīng)理蔣鵬先生表示：“Vicpress?壓合系統(tǒng)已達(dá)到航海業(yè)所要求的最為嚴(yán)格的IACS認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此我們深感欣慰。該系統(tǒng)經(jīng)久耐用，防腐性能極強(qiáng)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于采礦、發(fā)電、石油、天然氣和化工以及商業(yè)建筑等領(lǐng)域，幫助用戶以快于其他同類系統(tǒng)5倍的速度進(jìn)行管道連接，同時(shí)確保工作場(chǎng)所的清潔與安全。可喜可賀的是，我們?nèi)缃褚严蛟齑瑥S供應(yīng)Vicpress?壓合系統(tǒng)，從而使其也能夠信心十足的享受該系統(tǒng)所帶來(lái)的諸多裨益。”

Skew Rectifying Reform of 32t Gantry Crane

QIAN Dong-wu, JINAG Wei, CAI Xiao-feng
(Public Security Ministry, Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

Tracking speed and position detection of double closed loop feedback control system as well as the fixed magnetic nail detection are adopted in skew rectifying system reform of 32t gantry crane to eliminate the error. The stability of automatic correction function is greatly improved. Through this reform, the automatic correction function reliable operation is realized. Gantry crane operation safety is ensured.

gantry crane;skew rectifying;reform

TH215

A

錢董武（1983-），男，本科。研究方向：起重機(jī)控制系統(tǒng)。