摘要：造船龍門(mén)起重機隨著(zhù)造船業(yè)的迅速發(fā)展也跟著(zhù)快速發(fā)展起來(lái)。在大車(chē)行走過(guò)程中，由于龍門(mén)起重機的剛腿和柔腿之間的跨距較大，因此要求剛腿和柔腿的位移要始終保持一致，如果偏差過(guò)大則會(huì )造成大車(chē)偏斜運行等嚴重后果。本文結合軟硬件的設計，詳細介紹了大車(chē)糾偏控制系統從位置檢測到位置閉環(huán)控制是如何實(shí)現大車(chē)的實(shí)時(shí)糾偏。

   關(guān)鍵詞：造船龍門(mén)起重機；位置檢測；位置閉環(huán)控制；糾偏控制

    Abstract: With the rapid development of shipbuilding industry, the shipbuilding Goliath gantry crane equipment has made great progress. Due to the distance between the fix leg and flex leg of gantry crane is long, the two legs must keep moving synchronously all the time when the gantry is moving. If the deviation of gantry is too large, it will result in serious consequences. According to the design of hardware and software, the paper introduces the gantry skew control system in details based on the position detection and position close-loop control.

    Key words: Shipyard goliath gantry crane; Position detection; Position close-loop control; Gantry skew control

    1　引言

    隨著(zhù)我國船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，造船業(yè)市場(chǎng)呈現興旺勢頭，所建船舶的噸位越來(lái)越大，各地船廠(chǎng)也大都由船臺造船向船塢造船發(fā)展，船塢的主要配置設備——大型造船廠(chǎng)龍門(mén)起重機的需求也快速增長(cháng)，起重機的提升能力從600噸增加到1200噸甚至1800噸，跨度也從170米增大到239米。造船龍門(mén)起重機由于跨度長(cháng)、起升高度高等特點(diǎn)，大車(chē)兩側的剛腿和柔腿運行一段時(shí)間后，會(huì )出現行走速度和行走距離不同、大車(chē)軌道高低、平行偏差和車(chē)輪直徑的偏差、載荷分布不均引起運行阻力的不同、電動(dòng)機轉速的偏差等情況，因此經(jīng)常會(huì )導致大車(chē)偏斜運行現象的發(fā)生。偏斜運行主要表現在剛性腿側大車(chē)與柔性腿側大車(chē)運行不一致使主體部分偏向大車(chē)一側，造成輪緣啃軌。一旦偏斜運行現象嚴重，起重機就會(huì )失去平衡，使之無(wú)法向前開(kāi)動(dòng)，同時(shí)將會(huì )導致造船龍門(mén)起重機的鋼結構承受附加載荷而發(fā)生側翻等安全事故，給駕駛員的人身安全帶來(lái)一定的威脅，同時(shí)也給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失。因此，只有采用合理的技術(shù)手段，才能避免大車(chē)偏斜運行，保證造船龍門(mén)起重機安全穩定的工作。

    2　幾種常用糾偏措施

    為了避免起重機大車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中偏斜運行導致啃軌現象的發(fā)生，通常采用糾偏技術(shù)，將大車(chē)在運行過(guò)程中，兩側偏斜量的值控制在一定的范圍內。在現有的糾偏技術(shù)中，為了保持兩側大車(chē)運行速度和位置在造船龍門(mén)起重機運行過(guò)程中同步運行，采用的糾偏措施雖然不同，但其基本原理是一致的：將編碼器、感應開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)或傳感器等采集到的信號，通過(guò)控制系統輸入到PLC中，進(jìn)行自動(dòng)糾偏或手動(dòng)糾偏。下面是幾種常用的糾偏措施：

    2.1　采用增量型編碼器

    隨著(zhù)變頻驅動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調速控制廣泛應用于造船龍門(mén)起重機的大車(chē)運行，在剛性腿側和柔性腿側的大車(chē)對應的電動(dòng)機上設置增量型編碼器，測量與比較兩側的實(shí)際速度，當這兩臺電動(dòng)機平均轉速相差一定數值時(shí)，根據編碼器輸入PLC的脈沖數量進(jìn)行糾偏。

    2.2　采用絕對值編碼器

    檢測輪安裝在剛性腿側和柔性腿側的大車(chē)上，在檢測輪上安裝絕對值編碼器（也可以將編碼器安裝在無(wú)輪緣的被動(dòng)車(chē)輪上），編碼器的轉數輸入到PLC中，比較剛腿側大車(chē)和柔腿側大車(chē)實(shí)際位置位移量進(jìn)行糾偏。

    2.3　采用磁感應開(kāi)關(guān)和磁塊硬件校驗

    平行安裝一些感應磁塊在剛性腿側和柔性腿側的大車(chē)軌道旁，兩側的大車(chē)上各安裝一套磁感應開(kāi)關(guān)，通過(guò)電控系統測量出剛性腿側和柔性腿側的磁感應開(kāi)關(guān)動(dòng)作的先后，并輸入到PLC中進(jìn)行糾偏。

    2.4　采用位移傳感器或限位開(kāi)關(guān)

    當剛性腿側和柔性腿側的大車(chē)偏斜運行時(shí)，主梁與柔性腿的夾角將發(fā)生改變。將位移傳感器或限位開(kāi)關(guān)安裝在柔性腿頂部，通過(guò)傳感器或限位開(kāi)關(guān)輸出的信號進(jìn)行糾偏。

    3　大車(chē)糾偏控制系統功能設計

    造船龍門(mén)起重機的大車(chē)跨距(大車(chē)剛腿與柔腿之間的距離)一般在200米左右，跨距非常大。大車(chē)的剛腿與主梁是剛性聯(lián)結，柔腿與主梁的聯(lián)結可以有小范圍的旋轉，以保證大車(chē)運行時(shí)如有偏差不會(huì )導致鋼結構受到擠壓而損壞。但大車(chē)高速行走時(shí)剛腿與柔腿之間的位置偏差不能超過(guò)1米，如果超過(guò)好幾米，柔腿將被扭斷，整臺龍門(mén)起重機將倒塌，從而發(fā)生安全事故。

    大車(chē)的糾偏有2種方式：

    自動(dòng)糾偏：在PLC程序里通過(guò)位置環(huán)控制，自動(dòng)實(shí)現，是正常運行時(shí)的糾偏模式；

    手動(dòng)糾偏：通過(guò)單邊動(dòng)作（只低速移動(dòng)剛腿或柔腿）來(lái)糾正偏離，非正常狀態(tài)時(shí)使用。

    3.1　位置檢測和位置閉環(huán)控制

    3.1.1　位置檢測

    從功能上來(lái)看，PLC獲取的位置值是否精確是位置控制能否達到要求的關(guān)鍵因素，因為位置值是通過(guò)傳感器測量，位置環(huán)控制都是在PLC程序里面實(shí)現，而PLC程序出錯的概率非常低，因此大車(chē)位置的測量非常重要。

    為了確保測量的位置值準確反映大車(chē)的位置值，在PLC程序中采用2種方法同時(shí)計算位置值：

    （1）絕對值編碼器

    分別在大車(chē)剛腿、大車(chē)柔腿安裝絕對值編碼器，方便剛腿側和柔腿側位置值的測量。

    （2）高速計數模塊

    高速計數模塊 FM450-1/FM350-1接收大車(chē)剛性腿和柔性腿電機的脈沖（增量）編碼器信號，通過(guò)高速計數模塊計算脈沖編碼器的脈沖數，來(lái)計算各自的位置。其原理是：電動(dòng)機每旋轉一圈，對應機構的移動(dòng)距離是固定的，而電機轉一圈，脈沖編碼器發(fā)出1024個(gè)脈沖，這樣每個(gè)脈沖就對應于一個(gè)固定的機構移動(dòng)距離。

    在PLC程序中對以上2種方法測量的位置值進(jìn)行比較，如沒(méi)有偏差，則位置計算正確；如有偏差，則位置測量有誤，不允許大車(chē)同步操作。 

    同時(shí)為了進(jìn)一步確保位置值的精確，還設計了位置限位開(kāi)關(guān)對位置值進(jìn)行設置和檢測，具體為：

    在大車(chē)軌道旁邊每隔25米安裝一塊磁鐵，大車(chē)鋼結構上相應位置安裝一塊磁力開(kāi)關(guān)。調試時(shí)先將這些磁力開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)當前大車(chē)的位置值記錄在rPOS_X中（X表示第幾個(gè)開(kāi)關(guān)），運行時(shí)當大車(chē)通過(guò)這些時(shí)，將PLC程序計算的位置值POS與rPOS_X 相比較：POS - rPOS_X = Pdif

    當 Pdif < 1000mm ，將偏差Pdif 補償到POS

    當   Pdif ≥ 1000mm，大車(chē)停止，進(jìn)行低速單邊動(dòng)作（只移動(dòng)剛腿或柔腿），手動(dòng)糾偏，將位置偏差消除，然后才能繼續行走大車(chē)。這樣大車(chē)每行走25米，位置值以及偏差可以校正一次，從而保證大車(chē)兩側行走一致。

    標準程序功能塊如下：
     

    通過(guò)上面的2種測量方法和一種檢測方法，獲取的位置值非常精確，保證同步操作的準確和安全。圖1所示為位置檢測過(guò)程的程序框圖。

    3.1.2　位置環(huán)閉環(huán)控制

    大車(chē)剛腿和柔腿在同步操作時(shí)位置偏差的允許范圍是：剛腿和柔腿車(chē)之間< 1000 mm。如果位置偏差太大，將導致柔腿的扭斷從而使整個(gè)起重機倒塌。

                          
                                            圖1位置檢測的程序框圖

    為了達到位置同步，需要增加位置控制。在速度環(huán)之外增加一個(gè)位置閉環(huán)控制，即大車(chē)柔腿有三個(gè)閉環(huán)控制：驅動(dòng)器里面的電流環(huán)和速度閉環(huán)控制，PLC程序的位置環(huán)閉環(huán)控制，具體為：

    （1）計算運行前大車(chē)剛腿和大車(chē)柔腿的位置偏差值ΔS。

    （2）以大車(chē)剛腿為主，大車(chē)柔腿為從，組成主從控制，大車(chē)剛腿只有電流環(huán)和速度環(huán)閉環(huán)控制，大車(chē)柔腿速度閉環(huán)外還有位置環(huán)控制。

    （3）當運行時(shí)，將同樣大小的速度給定Vset發(fā)送給大車(chē)剛腿和大車(chē)柔腿，大車(chē)剛腿以這個(gè)速度給定運行，大車(chē)柔腿側的速度給定是（Vset+Vadd ）。

    （4）在運行過(guò)程中計算大車(chē)剛腿和大車(chē)柔腿的位置偏差值ΔS1。

    （5）運行過(guò)程中計算Vadd= F*（ΔS1-ΔS），即運行中位置偏差值折算成一個(gè)附加速度給定值給大車(chē)柔腿，使大車(chē)柔腿和大車(chē)剛腿之間沒(méi)有相對運動(dòng)，動(dòng)態(tài)調節位置偏差，達到ΔS1=ΔS。

    （6）系數F的取值：根據經(jīng)驗值，大車(chē)柔腿取0.85，為經(jīng)驗值，根據響應速度適當調整 。

    （7）F和Vadd 需要在現場(chǎng)調試時(shí)取一個(gè)合適的值，即不要太靈敏也不要太遲鈍；即運行過(guò)程位置偏差在允許范圍內，同時(shí)從動(dòng)機構的運行速度不要頻繁大范圍波動(dòng)。

    （8）從動(dòng)機構的故障和停止信號對主從都起作用，確保同時(shí)運行或停止。vvvvvvvv圖2所示為位置閉環(huán)控制的程序框圖。

                    
                                    圖2 位置閉環(huán)控制的程序框圖

    3.2　機械限位保護

    在柔腿和主梁聯(lián)結處安裝位置偏離限位開(kāi)關(guān)共6個(gè)，做硬件偏差保護；限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作順序如下：

    （1）前偏離急停：柔腿往前偏離>1000mm，大車(chē)停止，必須手動(dòng)糾偏。

    （2）前偏離停止：柔腿往前偏離>500mm，大車(chē)停止，必須手動(dòng)糾偏。

    （3）前偏離減速：柔腿往前偏離>300mm，大車(chē)只能低速運行，可以自動(dòng)糾偏。

    （4）后偏離急停：柔腿往后偏離>1000mm，大車(chē)停止，必須手動(dòng)糾偏。

    （5）后偏離停止：柔腿往后偏離>500mm，大車(chē)停止，必須手動(dòng)糾偏。

    （6）后偏離減速：柔腿往后偏離>300mm，大車(chē)只能低速運行，可以自動(dòng)糾偏。

    限位開(kāi)關(guān)的設置與PLC程序一起，達到硬件和軟件的雙重保護，確保安全。

    3.3　糾偏控制程序

    大車(chē)糾偏控制的程序框圖如圖3所示：

    其中，大車(chē)運行速度給定VRef，剛腿速度VF=VRef，柔腿速度VFL=VRef+Vadd

                            
                                 圖3 大車(chē)糾偏控制的程序框圖

    4　結語(yǔ)

    大車(chē)糾偏控制系統的應用對龍門(mén)起重機的安全運行具有至關(guān)重要的作用，一旦大車(chē)行走出現偏差則會(huì )引起嚴重后果。該系統已經(jīng)在廣州龍穴造船有限公司2臺600噸/200米和2臺600噸/176米大型造船龍門(mén)起重機項目中得到實(shí)際應用，大車(chē)以40m/min的速度運行時(shí)剛腿和柔腿的位置偏差在250mm以?xún)?，即大?chē)糾偏功能良好，目前4臺設備安全穩定運行。

    參考文獻：

    [1] Rudnik, Siegfried. Container cranes Top performance with standard systems[J]. Energy Autom, 1990, 12 (2) : 4 - 7.

    [2] SIEMENS. 西門(mén)子變頻器SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制使用大全[Z]. 1999.

   [3] 肖自立. 西門(mén)子控制系統在船廠(chǎng)龍門(mén)吊起重機上應用及其兩機聯(lián)機操作特殊功能實(shí)現[z]. 西門(mén)子專(zhuān)家會(huì )議, 2008: 254 – 261.

    [4] 王吉明. 大型鑄造起重機的全交流驅動(dòng)系統的解決方案[J]. 起重運輸機械, 2009 (3) : 50 – 54.

    [5] 曹新, 朱勁, 蔣平. 大跨度龍門(mén)起重機的精確位置控制[J]. 機械與電子, 2006, (8) : 17 – 19.

    [6] 何光. 起重機自動(dòng)糾偏系統控制[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué), 2008.

    作者簡(jiǎn)介

    王吉明（1970-），男，江西永新人，高級工程師，碩士，現就職于西門(mén)子工廠(chǎng)自動(dòng)化工程有限公司，主要研究方向為高端起重機電氣系統的研發(fā)和應用。