一種折臂式起重機吊鉤測量系統

□戴 煉

海工折臂式起重機是海工工程機械重要的起重機械，是人類探索海洋資源的重要工具。隨著我國對海洋的開發力度逐漸加大，海洋工程機械也變得炙手可熱，但我國深海工程機械和國際先進水平的生產工藝還有一定的差距。海工折臂吊鉤高度計算是實現海工吊波浪補償的基礎，是實時監控海工起重機作業的重要參數;海工折臂式起重機臂長的伸展半徑關乎起重機最大負載重量的直接參數［1］。如何準確地檢測計算折臂式起重機吊鉤高度以及起重機臂長伸出半徑就顯得尤為重要。本文根據折臂式起重機結構特點，仿真折臂式起重機運動軌跡，通過絕對值編碼器檢測起重機臂伸張角度，建立吊鉤運動軌跡模型，從而實現折臂式起重機吊鉤端高度以及起重機臂頂點實時測量。為了實現折臂式起重機吊鉤高度測量及起重機臂端測量，折臂式起重機的主臂和副臂上采用單圈絕對值編碼器檢測主臂及副臂伸張角度，從而得出起重機臂伸出半徑;使用多圈編碼器測量主絞車編碼器伸縮鋼絲繩吊鉤的位置［2］，通過PLC 的處理器計算吊鉤位置與臂端頂點垂直方向的位移偏差量之和。

一、折臂式起重機吊鉤測量系統的構成

從折臂式起重機的結構上來看，主要劃分為基座、塔身、絞車、主臂以及副臂，電氣檢測元件也主要根據這些機構的特點進行安裝，圖1 是電氣檢測元件及PLC 安裝分布圖。圖1 種主要電氣元件的功能如下:絞車編碼器——檢測絞車卷揚伸縮鋼絲的長度。主臂編碼器——檢測主臂仰俯的角度。副臂編碼器——檢測副臂仰俯的角度。PLC 編程控制器——收集各傳感裝置信號，并根據程序內折臂式起重機模型處理各傳感器數據，從而計算出吊鉤的位置值。中央監控顯示單元——接收PLC 處理數據，并將其顯示在界面上便于駕駛人員觀察。

圖1 折臂式起重機高度及臂長半徑檢測系統元件示意圖

二、折臂式起重機的數學模型

如圖2 所示，以O 點(基座原點)水平面作為0 米面，P 點為主臂與塔身銜接點，α 為主臂與水平方向的夾角。β 為主臂與副臂之間的夾角，主臂長度為L1，副臂長度為L2，主臂頂端M到絞車P 點的垂直距離為S1，主臂頂端M 到副臂頂點N 的垂直距離為S2，h1 為基座原點O 點到P 點水平面的距離，h1 為基座高度與塔身高度之和。

在此數學模型中，N 點到0 米水平線的距離H 即為折臂式起重機副臂頂端的高度。

則—(1)

其中:

—(2)

在式(2)中，0≤α ＜90。

—(3)

式(3)0 ＜＜180°。

由式(2)和(3)中可以看出在此模型中，只需求得角度α 和角度β，就可以得出此模型中折臂式起重機副臂頂點N 距離0米面的高度。在折臂式起重機初始狀態下，即主臂位于水平方向，主臂與水平方向的夾角α 等于0°，主副臂處于合攏狀態，此時主副臂之間的夾角β 為最小值βmin，由公式(1)，(2)，(3)可求得折臂式起重機副臂頂端的初始高度值為:

—(4)

折臂式起重機副臂頂端在運動過程中的差值:

—(5)

同樣在此模型中，認為敷設在主臂上及副臂上的鋼絲繩長度不會改變，絞車鋼絲繩伸出的長度為Lwinch，在折臂式起重機初始狀態下，標定絞車鋼絲繩伸出長度到達0 米基準線的值為0，吊鉤從0 米基準面上升時編碼器值增加，Lwinch ＞0;吊鉤從0 米基準面下降時，Lwinch ＜0。如圖3 所示。

圖2 折臂式起重機副臂頂端高度分析

圖3 折臂式起重機初始狀態下絞車鋼絲繩長度標定

折臂式起重機吊鉤高度Hhook 等于絞車鋼絲繩長度Lwinch 與折臂起重機副臂頂端高度差值H△標量之和，即:

—(6)

由此模型可求得折臂式起重機吊鉤實時高度值Hhook。

由圖2 同樣可以計算出臂長伸出半徑R(折臂式起重頂點N 到起重機塔身中心線OP 的距離)為:

—(7)

其中式(7)中，0≤α ＜90，0 ＜＜180°。

三、控制器程序設計

折臂式起重機整體的電氣控制系統的設計，折臂式起重機電氣系統內部所使用的傳感器類型包括:溫度傳感器、壓力傳感器、離散量傳感器等，且帶有分布式遠程I/0 站點。根據以上特征折臂式起重控制器選用西門子STEP7 -300 系列，含有標準Profibus-DP 協議的PLC。主臂及副臂測量角度裝置均選用單圈絕對值編碼器，帶有Profibus -DP 接口。測量絞車鋼絲繩伸縮長度的裝置選用多圈編碼器，帶有Profibus-DP 接口。

如圖4 折臂式起重機高度計算程序流程圖所示，PLC 啟動后，絞車及主副臂編碼器開始檢測，由編碼器脈沖分別得到絞車鋼絲繩伸縮長度Lwinch，及主副臂仰俯角度α 和β，通過主副臂頂點高度位移差計算出副臂頂端距離0 米面的高度H，并計算出當前副臂頂端高度與副臂頂端初始高度的偏差值H△，此時吊鉤的高度Hhook 等于絞車鋼絲繩伸縮長度Lwinch 與副臂頂端高度偏差值H△之和。注:在此計算過程中，絞車鋼絲繩長度所選的標定面與副臂頂端的0 米面高度一致;且絞車鋼絲繩長度的標量方向與副臂頂端的高度偏差值一致。

由于現場使用環境惡劣、電氣管線布局不合理、通訊電纜使用老化等問題，都會造成通訊網絡干擾的現象，這些因素將嚴重影響折臂式起重機上的高度實時更新，以及波浪補償位移的補償精度，甚至可能引起起重機嚴重超載事故。因此有必要在程序中做一個中斷程序保證起重機通訊的連續性。在此我們調用西門子SFC51 模塊診斷各子站的通訊狀態［3］;對于子站和機架組態的編程，在設計編程中可調用OB86 或者調用FB125 塊，此處編程只作參考。

首先，在S7 -300 的主程序OB1 中調用系統功能塊SFC51，并插入數據儲存區DP51、DP61，SFC51 提供了豐富的功能，可以用來讀取CPU 的指示燈狀態，Profibus DP 從站，CPU 硬件的序列號、存儲卡序列號等等功能，此功能塊設計旨在讀取子站的狀態，監控PLC 讀取數據是否正常，選擇使能信號激活REQ，并用十六進制寫入通訊協議代碼，在DP61 數據儲存塊中，最終反映了各子站的連接狀態，讀取DP61 的狀態可判斷當前子站的通斷情況。程序的調用功能見圖4。

圖4 Profibus 子站診斷

四、應用效果

該測量系統的特點:一是該系統仿真折臂式起重機結構特點，所有參數基本成線性特征，傳感器采集數據成連續性，較激光測距、雷達測距等傳感器適用范圍更為廣泛，測試數據更接近真實性。二是該系統主副臂角度測量編碼器采用了冗余設計，保證角度測量準確性，防止單個編碼器采集數據失真而造成的測量不準確。目前，此套測量系統在折臂式起重機上應用良好，部分產品已交付客戶使用。

五、結語

由此系統的結構特點不難看出，無論是海工單臂式起重機，還是折臂式起重機，該系統都能很好地對吊鉤進行測量，并可以在門座式起重機進行推廣，提高駕駛人員對吊鉤的監控，保證操作安全性，提高起重機械作業效率。

［1］J?rg Neupert，Tobias Mahl，Bertrand Haessig，Oliver Sawodny，Klaus Schneider． A Heave Compensation Approach for Offshore Cranes［J］．American Control Conference Westin Seattle Hotel，Seattle，Washington，USA，2008，6(11 ～13):538

［2］Rainbow - cargotec． Technical Description of control system of offshore［Z］．2014，7

［3］廖常初．西門子工業通信網絡組態編程與故障診斷［M］．北京:機械工業出版社，2009:235 ～236