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    摘要：造船龍門起重機隨著造船業(yè)的迅速發(fā)展也跟著快速發(fā)展起來。在大車行走過程中，由于龍門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，如果偏差過大則會造成大車偏斜運行等嚴(yán)重后果。本文結(jié)合軟硬件的設(shè)計，詳細(xì)介紹了大車糾偏控制系統(tǒng)從位置檢測到位置閉環(huán)控制是如何實現(xiàn)大車的實時糾偏。

   關(guān)鍵詞：造船龍門起重機；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

    隨著我國船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，造船業(yè)市場呈現(xiàn)興旺勢頭，所建船舶的噸位越來越大，各地船廠也大都由船臺造船向船塢造船發(fā)展，船塢的主要配置設(shè)備——大型造船廠龍門起重機的需求也快速增長，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。造船龍門起重機由于跨度長、起升高度高等特點，大車兩側(cè)的剛腿和柔腿運行一段時間后，會出現(xiàn)行走速度和行走距離不同、大車軌道高低、平行偏差和車輪直徑的偏差、載荷分布不均引起運行阻力的不同、電動機轉(zhuǎn)速的偏差等情況，因此經(jīng)常會導(dǎo)致大車偏斜運行現(xiàn)象的發(fā)生。偏斜運行主要表現(xiàn)在剛性腿側(cè)大車與柔性腿側(cè)大車運行不一致使主體部分偏向大車一側(cè)，造成輪緣啃軌。一旦偏斜運行現(xiàn)象嚴(yán)重，起重機就會失去平衡，使之無法向前開動，同時將會導(dǎo)致造船龍門起重機的鋼結(jié)構(gòu)承受附加載荷而發(fā)生側(cè)翻等安全事故，給駕駛員的人身安全帶來一定的威脅，同時也給企業(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，才能避免大車偏斜運行，保證造船龍門起重機安全穩(wěn)定的工作。

    2　幾種常用糾偏措施

    為了避免起重機大車在行進(jìn)過程中偏斜運行導(dǎo)致啃軌現(xiàn)象的發(fā)生，通常采用糾偏技術(shù)，將大車在運行過程中，兩側(cè)偏斜量的值控制在一定的范圍內(nèi)。在現(xiàn)有的糾偏技術(shù)中，為了保持兩側(cè)大車運行速度和位置在造船龍門起重機運行過程中同步運行，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(yīng)開關(guān)、限位開關(guān)或傳感器等采集到的信號，通過控制系統(tǒng)輸入到PLC中，進(jìn)行自動糾偏或手動糾偏。下面是幾種常用的糾偏措施：

    2.1　采用增量型編碼器

    隨著變頻驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速控制廣泛應(yīng)用于造船龍門起重機的大車運行，在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車對應(yīng)的電動機上設(shè)置增量型編碼器，測量與比較兩側(cè)的實際速度，當(dāng)這兩臺電動機平均轉(zhuǎn)速相差一定數(shù)值時，根據(jù)編碼器輸入PLC的脈沖數(shù)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(cè)和柔性腿側(cè)的大車上，在檢測輪上安裝絕對值編碼器（也可以將編碼器安裝在無輪緣的被動車輪上），編碼器的轉(zhuǎn)數(shù)輸入到PLC中，比較剛腿側(cè)大車和柔腿側(cè)大車實際位置位移量進(jìn)行糾偏。

    2.3　采用磁感應(yīng)開關(guān)和磁塊硬件校驗

    平行安裝一些感應(yīng)磁塊在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車軌道旁，兩側(cè)的大車上各安裝一套磁感應(yīng)開關(guān)，通過電控系統(tǒng)測量出剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的磁感應(yīng)開關(guān)動作的先后，并輸入到PLC中進(jìn)行糾偏。

    2.4　采用位移傳感器或限位開關(guān)

    當(dāng)剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車偏斜運行時，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關(guān)安裝在柔性腿頂部，通過傳感器或限位開關(guān)輸出的信號進(jìn)行糾偏。

    3　大車糾偏控制系統(tǒng)功能設(shè)計

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

    大車的糾偏有2種方式：

    自動糾偏：在PLC程序里通過位置環(huán)控制，自動實現(xiàn)，是正常運行時的糾偏模式；

    手動糾偏：通過單邊動作（只低速移動剛腿或柔腿）來糾正偏離，非正常狀態(tài)時使用。

    3.1　位置檢測和位置閉環(huán)控制

    3.1.1　位置檢測

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

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

    （1）絕對值編碼器

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

    （2）高速計數(shù)模塊

    高速計數(shù)模塊 FM450-1/FM350-1接收大車剛性腿和柔性腿電機的脈沖（增量）編碼器信號，通過高速計數(shù)模塊計算脈沖編碼器的脈沖數(shù)，來計算各自的位置。其原理是：電動機每旋轉(zhuǎn)一圈，對應(yīng)機構(gòu)的移動距離是固定的，而電機轉(zhuǎn)一圈，脈沖編碼器發(fā)出1024個脈沖，這樣每個脈沖就對應(yīng)于一個固定的機構(gòu)移動距離。

    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，不允許大車同步操作。 

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

    在大車軌道旁邊每隔25米安裝一塊磁鐵，大車鋼結(jié)構(gòu)上相應(yīng)位置安裝一塊磁力開關(guān)。調(diào)試時先將這些磁力開關(guān)觸發(fā)時當(dāng)前大車的位置值記錄在rPOS_X中（X表示第幾個開關(guān)），運行時當(dāng)大車通過這些時，將PLC程序計算的位置值POS與rPOS_X 相比較：POS - rPOS_X = Pdif

    當(dāng) Pdif < 1000mm ，將偏差Pdif 補償?shù)絇OS

    當(dāng)   Pdif ≥ 1000mm，大車停止，進(jìn)行低速單邊動作（只移動剛腿或柔腿），手動糾偏，將位置偏差消除，然后才能繼續(xù)行走大車。這樣大車每行走25米，位置值以及偏差可以校正一次，從而保證大車兩側(cè)行走一致。

    標(biāo)準(zhǔn)程序功能塊如下：
     

    通過上面的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(zhǔn)確和安全。圖1所示為位置檢測過程的程序框圖。

    3.1.2　位置環(huán)閉環(huán)控制

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

                          
                                            圖1位置檢測的程序框圖

    為了達(dá)到位置同步，需要增加位置控制。在速度環(huán)之外增加一個位置閉環(huán)控制，即大車柔腿有三個閉環(huán)控制：驅(qū)動器里面的電流環(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）計算運行前大車剛腿和大車柔腿的位置偏差值ΔS。

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

    （3）當(dāng)運行時，將同樣大小的速度給定Vset發(fā)送給大車剛腿和大車柔腿，大車剛腿以這個速度給定運行，大車柔腿側(cè)的速度給定是（Vset+Vadd ）。

    （4）在運行過程中計算大車剛腿和大車柔腿的位置偏差值ΔS1。

    （5）運行過程中計算Vadd= F*（ΔS1-ΔS），即運行中位置偏差值折算成一個附加速度給定值給大車柔腿，使大車柔腿和大車剛腿之間沒有相對運動，動態(tài)調(diào)節(jié)位置偏差，達(dá)到ΔS1=ΔS。

    （6）系數(shù)F的取值：根據(jù)經(jīng)驗值，大車柔腿取0.85，為經(jīng)驗值，根據(jù)響應(yīng)速度適當(dāng)調(diào)整 。

    （7）F和Vadd 需要在現(xiàn)場調(diào)試時取一個合適的值，即不要太靈敏也不要太遲鈍；即運行過程位置偏差在允許范圍內(nèi)，同時從動機構(gòu)的運行速度不要頻繁大范圍波動。

    （8）從動機構(gòu)的故障和停止信號對主從都起作用，確保同時運行或停止。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(hù)

    在柔腿和主梁聯(lián)結(jié)處安裝位置偏離限位開關(guān)共6個，做硬件偏差保護(hù)；限位開關(guān)動作順序如下：

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

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

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

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

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

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

    限位開關(guān)的設(shè)置與PLC程序一起，達(dá)到硬件和軟件的雙重保護(hù)，確保安全。

    3.3　糾偏控制程序

    大車糾偏控制的程序框圖如圖3所示：

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

                            
                                 圖3 大車糾偏控制的程序框圖

    4　結(jié)語

    大車糾偏控制系統(tǒng)的應(yīng)用對龍門起重機的安全運行具有至關(guān)重要的作用，一旦大車行走出現(xiàn)偏差則會引起嚴(yán)重后果。該系統(tǒng)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米大型造船龍門起重機項目中得到實際應(yīng)用，大車以40m/min的速度運行時剛腿和柔腿的位置偏差在250mm以內(nèi)，即大車糾偏功能良好，目前4臺設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

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    作者簡介

    王吉明（1970-），男，江西永新人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于西門子工廠自動化工程有限公司，主要研究方向為高端起重機電氣系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。