基于磁釘?shù)淖詣?dòng)化軌道吊大車(chē)定位系統(tǒng)

江灝 黃曉輝

摘 要：常規(guī)軌道吊大車(chē)位置檢測(cè)精度較差，驅(qū)動(dòng)方式死板，是制約軌道吊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化升級(jí)的重要因素之一。針對(duì)以上問(wèn)題，采用全新的基于磁釘?shù)拇筌?chē)定位系統(tǒng)，大幅提升了軌道吊大車(chē)位置的精度，同時(shí)其具備大車(chē)姿態(tài)調(diào)整的能力，為軌道吊的自動(dòng)化升級(jí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化軌道吊;大車(chē)定位;磁釘

Abstract： It is one of the important factors restricting the automatic upgrading of track crane that the position detection accuracy of conventional track crane is poor and the driving mode is rigid. In view of the above problems， a new positioning system based on magnetic nails is adopted to greatly improve the positioning accuracy of the rail crane， and at the same time， it has the ability to adjust the attitude of the rail crane， which lays a solid foundation for the automation upgrade of the rail crane.

Keywords： automatic track crane;cart positioning;the magnetic nail

隨著自動(dòng)化技術(shù)在港口的不斷應(yīng)用，自動(dòng)化軌道吊成為各大自動(dòng)化碼頭堆場(chǎng)內(nèi)的主力裝卸設(shè)備。在軌道吊自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程中，大車(chē)機(jī)構(gòu)的定位精度將直接影響系統(tǒng)自動(dòng)堆取箱的精度和效率。而實(shí)現(xiàn)精確定位的基礎(chǔ)是獲取準(zhǔn)確可靠的大車(chē)位置信息。本文介紹了一種基于磁釘?shù)能壍赖醮筌?chē)定位系統(tǒng)。

1 常規(guī)軌道吊解決方案

1.1 常規(guī)軌道吊大車(chē)位置檢測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)軌道吊作業(yè)過(guò)程中，司機(jī)主要是依靠視覺(jué)和主觀判斷進(jìn)行大車(chē)作業(yè)位的定位，對(duì)大車(chē)位置的精度要求不高，通常是在大車(chē)一側(cè)的從動(dòng)輪上安裝絕對(duì)式光電編碼器作為大車(chē)位置的檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置存在較大缺陷，導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)化作業(yè)對(duì)位置精度的需求。第一，編碼器安裝在大車(chē)車(chē)輪上，通過(guò)檢測(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)來(lái)計(jì)算大車(chē)的位移。在運(yùn)行過(guò)程中，特別是雨雪天氣或者緊急停車(chē)時(shí)，車(chē)輪會(huì)出現(xiàn)打滑的情況，從而產(chǎn)生較大誤差。第二，在大車(chē)運(yùn)行過(guò)程中并未對(duì)編碼器檢測(cè)到的位置進(jìn)行校正，導(dǎo)致編碼器的累積誤差不斷增加，精度無(wú)法得到有效保證。第三，軌道吊跨距可達(dá)20 m以上，沒(méi)有安裝編碼器一側(cè)的大車(chē)位置未知，最終導(dǎo)致軌道吊的姿態(tài)無(wú)法預(yù)知，給自動(dòng)化作業(yè)帶來(lái)困難[1]。

1.2 常規(guī)大車(chē)驅(qū)動(dòng)控制方案

軌道吊大車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由8個(gè)電機(jī)組成，由2個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)。常規(guī)的軌道吊由于對(duì)大車(chē)的定位精度要求不高，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器所驅(qū)動(dòng)的4個(gè)電機(jī)在機(jī)器上呈“Z”字排布。

這種驅(qū)動(dòng)方式最大的優(yōu)點(diǎn)是控制比較簡(jiǎn)單，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器給定同樣的速度，靠電機(jī)的特性自行進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證大車(chē)沿軌道行駛。另外，當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，只要把該驅(qū)動(dòng)器控制的電機(jī)的制動(dòng)器打開(kāi)，靠另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)4個(gè)電機(jī)降速運(yùn)行。

這種驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn)也較為明顯。由于軌道吊負(fù)載不斷變化，一段時(shí)間后，大車(chē)運(yùn)行姿態(tài)會(huì)發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)，從而造成導(dǎo)向輪、軌道磨損，即產(chǎn)生“啃軌”現(xiàn)象。“啃軌”現(xiàn)象一旦產(chǎn)生，依靠現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)方式將無(wú)法實(shí)現(xiàn)大車(chē)姿態(tài)的調(diào)節(jié)，給后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)帶來(lái)較大難度。

2 自動(dòng)化軌道吊解決方案

針對(duì)常規(guī)軌道吊大車(chē)定位系統(tǒng)存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化軌道吊大車(chē)定位系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地定位軌道吊大車(chē)位置，并且通過(guò)同步控制算法保證軌道吊大車(chē)的運(yùn)行姿態(tài)符合自動(dòng)化作業(yè)的需求。

2.1 基于磁釘?shù)淖詣?dòng)化軌道吊大車(chē)位置檢測(cè)系統(tǒng)

基于磁釘?shù)淖詣?dòng)化軌道吊大車(chē)位置檢測(cè)系統(tǒng)主要由磁釘系統(tǒng)、主控制器、增量式編碼器以及變頻驅(qū)動(dòng)器組成[2]。

2.1.1 磁釘系統(tǒng)。磁釘系統(tǒng)由安裝于機(jī)器上的天線(xiàn)以及安裝于地面的磁釘組成。當(dāng)天線(xiàn)中心線(xiàn)經(jīng)過(guò)磁釘上方時(shí)，會(huì)向主控制器輸出一個(gè)上升沿的脈沖以及所經(jīng)過(guò)的磁釘?shù)木幪?hào)。在項(xiàng)目建設(shè)初期，需要在軌道吊兩側(cè)地面上沿軌道方向安裝一定數(shù)量的磁釘，最好采用均勻分布，間隔距離以8～10 m為宜。安裝完成后，須對(duì)每一個(gè)磁釘進(jìn)行獨(dú)立編號(hào)，并使用專(zhuān)業(yè)的測(cè)繪設(shè)備對(duì)每個(gè)磁釘?shù)奈恢眠M(jìn)行測(cè)量。

2.1.2 增量式編碼器和變頻驅(qū)動(dòng)器。增量式編碼器安裝在電機(jī)的后端，將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)送至變頻驅(qū)動(dòng)器，變頻驅(qū)動(dòng)器通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)即可得到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，進(jìn)而得到大車(chē)的位移值。其計(jì)算公式如下（編碼器選用1024線(xiàn)）[3]：

2.1.3 主控制器。系統(tǒng)選用西門(mén)子300系列PLC作為主控制器，對(duì)來(lái)自磁釘天線(xiàn)和驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到軌道吊大車(chē)的最終位置。

對(duì)于測(cè)量獲得的磁釘位置信息，可在主控制器中建立數(shù)據(jù)表單以供查詢(xún)。當(dāng)主控制器接收到磁釘天線(xiàn)發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)和磁釘編號(hào)后，通過(guò)查詢(xún)磁釘編號(hào)獲得當(dāng)前磁釘?shù)奈恢茫⑵渥鳛楫?dāng)前大車(chē)的基準(zhǔn)位置，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)器累計(jì)的脈沖數(shù)清零，使其重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。此時(shí)，依據(jù)驅(qū)動(dòng)器脈沖數(shù)計(jì)算所得的位移值即大車(chē)相對(duì)于磁釘基準(zhǔn)位置所產(chǎn)生的值。同時(shí)，還需要考慮磁釘信息傳輸?shù)街骺刂破魃纤璧耐ㄐ叛訒r(shí)產(chǎn)生的影響。最終，軌道吊大車(chē)的實(shí)際位置可由公式（2）計(jì)算所得：

2.2 新型自動(dòng)化軌道吊大車(chē)驅(qū)動(dòng)控制方案

在獲得了軌道吊海陸兩側(cè)的精確位置之后，系統(tǒng)可以對(duì)軌道吊的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但是采用常規(guī)“Z”字排布驅(qū)動(dòng)的方式，并不具備對(duì)軌道吊的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力。新的大車(chē)同步控制算法將基于新的大車(chē)驅(qū)動(dòng)方式（如圖2所示）。

新的驅(qū)動(dòng)方式使用2個(gè)大車(chē)驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)海陸兩側(cè)的4個(gè)電機(jī)，最大優(yōu)點(diǎn)是使軌道吊具備了海陸兩側(cè)獨(dú)立控制、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的能力，使軌道吊的控制更加靈活。其缺點(diǎn)在于一個(gè)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障后，需要一套切換裝置使幸存的驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)控制8個(gè)大車(chē)電機(jī)降速運(yùn)行。

3 軌道吊大車(chē)海陸側(cè)同步控制算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用位置控制與力矩控制相結(jié)合的變參數(shù)PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道吊大車(chē)海陸側(cè)的位置同步控制。

3.1 變參數(shù)PID控制器

在實(shí)際工程中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例（Proportion）、積分（Integral）、微分（Derivative）控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。其以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、穩(wěn)定性好、參數(shù)調(diào)整方便而成為工業(yè)控制領(lǐng)域最常見(jiàn)的控制器。其在時(shí)域的表達(dá)式為：

3.2 控制器設(shè)計(jì)

整個(gè)控制器由位置控制器和力矩控制器兩部分組成，以位置控制器為主。

3.2.1 位置控制器。為實(shí)現(xiàn)海陸兩側(cè)大車(chē)位置的同步控制，以陸側(cè)大車(chē)位置[PLS]作為參考量，海側(cè)大車(chē)位置[PSS]作為跟隨量，將海陸側(cè)大車(chē)位置的偏差值作為位置PID控制器的輸入，輸出為大車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)量[ΔREF]。在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要考慮偏差值對(duì)控制器參數(shù)的影響，總體原則是：當(dāng)偏差較大時(shí)，增大[Kp]的值，使偏差迅速收斂;而當(dāng)偏差較小時(shí)，則需要減小[Kp]的值，使調(diào)節(jié)更加平穩(wěn)，避免出現(xiàn)超調(diào)。

3.2.2 力矩控制器。當(dāng)利用位置控制器對(duì)海陸側(cè)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，偏差值并未迅速收斂甚至還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)時(shí)，為了保護(hù)軌道吊的機(jī)械結(jié)構(gòu)不受損壞，將切斷位置的控制器改為使用力矩控制器對(duì)海陸側(cè)大車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。由于軌道吊設(shè)計(jì)負(fù)載基本是均勻分布的，控制左右兩側(cè)電機(jī)輸出力矩相同，基本可以保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、安全，方便用戶(hù)將有問(wèn)題的機(jī)器移出作業(yè)位，便于設(shè)備的維修。力矩控制器以陸側(cè)大車(chē)驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩[FLS]作為參考量，海側(cè)大車(chē)驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩[FSS]作為跟隨量，兩者的偏差值作為力矩PID控制器的輸入，大車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量[ΔREF]為輸出。

4 試驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在某用戶(hù)碼頭自動(dòng)化軌道吊上進(jìn)行了大車(chē)位置精度及海陸側(cè)大車(chē)位置同步性能的測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，自動(dòng)化軌道吊以固定速度移動(dòng)一段距離，然后使用專(zhuān)業(yè)的測(cè)距設(shè)備對(duì)實(shí)際的移動(dòng)距離進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算所得的位移量與實(shí)際監(jiān)測(cè)量進(jìn)行對(duì)比，得出大車(chē)位置測(cè)量系統(tǒng)所輸出的位置精度，然后通過(guò)海陸兩側(cè)位移數(shù)據(jù)的對(duì)比得出兩側(cè)大車(chē)位置同步算法的性能。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，基于磁釘?shù)淖詣?dòng)化軌道吊大車(chē)定位系統(tǒng)，位置檢測(cè)及同步控制的偏差均在0.1%以下，最終效果完全符合自動(dòng)化控制的需求。

5 結(jié)論

相較于常規(guī)的軌道吊大車(chē)定位系統(tǒng)，基于磁釘?shù)亩ㄎ幌到y(tǒng)具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)。

第一，軌道吊兩側(cè)均安裝了位置檢測(cè)設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控軌道吊大車(chē)的姿態(tài)，并且可以對(duì)機(jī)器的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，設(shè)備運(yùn)行更加穩(wěn)定，基本消除了“啃軌”現(xiàn)象。

第二，每經(jīng)過(guò)一段距離就會(huì)對(duì)當(dāng)前的大車(chē)位置進(jìn)行校正，大幅提升了大車(chē)位置數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，為軌道吊自動(dòng)化作業(yè)精度和效率的提升打下良好的基礎(chǔ)。

第三，系統(tǒng)硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單，只需要在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套磁釘檢測(cè)設(shè)備即可，為老舊軌道吊的自動(dòng)化升級(jí)改造提供了可能。

參考文獻(xiàn)：

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