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    摘要：造船龍門(mén)起重機(jī)隨著造船業(yè)的迅速發(fā)展也跟著快速發(fā)展起來(lái)。在大車(chē)行走過(guò)程中，由于龍門(mén)起重機(jī)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(yùn)行等嚴(yán)重后果。本文結(jié)合軟硬件的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了大車(chē)糾偏控制系統(tǒng)從位置檢測(cè)到位置閉環(huán)控制是如何實(shí)現(xiàn)大車(chē)的實(shí)時(shí)糾偏。

   關(guān)鍵詞：造船龍門(mén)起重機(jī)；位置檢測(cè)；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(guó)船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，造船業(yè)市場(chǎng)呈現(xiàn)興旺勢(shì)頭，所建船舶的噸位越來(lái)越大，各地船廠(chǎng)也大都由船臺(tái)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(chǎng)龍門(mén)起重機(jī)的需求也快速增長(zhǎng)，起重機(jī)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(jī)由于跨度長(zhǎng)、起升高度高等特點(diǎn)，大車(chē)兩側(cè)的剛腿和柔腿運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)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(yùn)行阻力的不同、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的偏差等情況，因此經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致大車(chē)偏斜運(yùn)行現(xiàn)象的發(fā)生。偏斜運(yùn)行主要表現(xiàn)在剛性腿側(cè)大車(chē)與柔性腿側(cè)大車(chē)運(yùn)行不一致使主體部分偏向大車(chē)一側(cè)，造成輪緣啃軌。一旦偏斜運(yùn)行現(xiàn)象嚴(yán)重，起重機(jī)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(dǎo)致造船龍門(mén)起重機(jī)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(lái)一定的威脅，同時(shí)也給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)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(yùn)行，保證造船龍門(mén)起重機(jī)安全穩(wěn)定的工作。

    2　幾種常用糾偏措施

    為了避免起重機(jī)大車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中偏斜運(yùn)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(chē)在運(yùn)行過(guò)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(chē)運(yùn)行速度和位置在造船龍門(mén)起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中同步運(yùn)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(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)或傳感器等采集到的信號(hào)，通過(guò)控制系統(tǒng)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

    隨著變頻驅(qū)動(dòng)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(mén)起重機(jī)的大車(chē)運(yùn)行，在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車(chē)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)上設(shè)置增量型編碼器，測(cè)量與比較兩側(cè)的實(shí)際速度，當(dāng)這兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速相差一定數(shù)值時(shí)，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(duì)值編碼器

    檢測(cè)輪安裝在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車(chē)上，在檢測(cè)輪上安裝絕對(duì)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(zhuǎn)數(shù)輸入到PLC中，比較剛腿側(cè)大車(chē)和柔腿側(cè)大車(chē)實(shí)際位置位移量進(jìn)行糾偏。

    2.3　采用磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)和磁塊硬件校驗(yàn)

    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(chē)軌道旁，兩側(cè)的大車(chē)上各安裝一套磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)電控系統(tǒng)測(cè)量出剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的磁感應(yīng)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(dāng)剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車(chē)偏斜運(yùn)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(hào)進(jìn)行糾偏。

    3　大車(chē)糾偏控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

    造船龍門(mén)起重機(jī)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(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(chē)運(yùn)行時(shí)如有偏差不會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)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(tái)龍門(mén)起重機(jī)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(xiàn)，是正常運(yùn)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(cè)和位置閉環(huán)控制

    3.1.1　位置檢測(cè)

    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(dá)到要求的關(guān)鍵因素，因?yàn)槲恢弥凳峭ㄟ^(guò)傳感器測(cè)量，位置環(huán)控制都是在PLC程序里面實(shí)現(xiàn)，而PLC程序出錯(cuò)的概率非常低，因此大車(chē)位置的測(cè)量非常重要。

    為了確保測(cè)量的位置值準(zhǔn)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(jì)算位置值：

    （1）絕對(duì)值編碼器

    分別在大車(chē)剛腿、大車(chē)柔腿安裝絕對(duì)值編碼器，方便剛腿側(cè)和柔腿側(cè)位置值的測(cè)量。

    （2）高速計(jì)數(shù)模塊

    高速計(jì)數(shù)模塊 FM450-1/FM350-1接收大車(chē)剛性腿和柔性腿電機(jī)的脈沖（增量）編碼器信號(hào)，通過(guò)高速計(jì)數(shù)模塊計(jì)算脈沖編碼器的脈沖數(shù)，來(lái)計(jì)算各自的位置。其原理是：電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)距離是固定的，而電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，脈沖編碼器發(fā)出1024個(gè)脈沖，這樣每個(gè)脈沖就對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的機(jī)構(gòu)移動(dòng)距離。

    在PLC程序中對(duì)以上2種方法測(cè)量的位置值進(jìn)行比較，如沒(méi)有偏差，則位置計(jì)算正確；如有偏差，則位置測(cè)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(shè)計(jì)了位置限位開(kāi)關(guān)對(duì)位置值進(jìn)行設(shè)置和檢測(cè)，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(jié)構(gòu)上相應(yīng)位置安裝一塊磁力開(kāi)關(guān)。調(diào)試時(shí)先將這些磁力開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)當(dāng)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(yùn)行時(shí)當(dāng)大車(chē)通過(guò)這些時(shí)，將PLC程序計(jì)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(bǔ)償?shù)絇OS

    當(dāng)   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(xù)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(cè)行走一致。

    標(biāo)準(zhǔn)程序功能塊如下：
     

    通過(guò)上面的2種測(cè)量方法和一種檢測(cè)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(cè)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(dǎo)致柔腿的扭斷從而使整個(gè)起重機(jī)倒塌。

                          
                                            圖1位置檢測(cè)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(gè)位置閉環(huán)控制，即大車(chē)柔腿有三個(gè)閉環(huán)控制：驅(qū)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(jì)算運(yùn)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(dāng)運(yùn)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(yùn)行，大車(chē)柔腿側(cè)的速度給定是（Vset+Vadd ）。

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

    （5）運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算Vadd= F*（ΔS1-ΔS），即運(yùn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)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(yàn)值，大車(chē)柔腿取0.85，為經(jīng)驗(yàn)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(chǎng)調(diào)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(yùn)行過(guò)程位置偏差在允許范圍內(nèi)，同時(shí)從動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度不要頻繁大范圍波動(dòng)。

    （8）從動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障和停止信號(hào)對(duì)主從都起作用，確保同時(shí)運(yùn)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(jī)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(kāi)關(guān)共6個(gè)，做硬件偏差保護(hù)；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(yùn)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(yùn)行，可以自動(dòng)糾偏。

    限位開(kāi)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(chē)糾偏控制的程序框圖如圖3所示：

    其中，大車(chē)運(yùn)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(jié)語(yǔ)

    大車(chē)糾偏控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)龍門(mén)起重機(jī)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用，一旦大車(chē)行走出現(xiàn)偏差則會(huì)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(tái)600噸/200米和2臺(tái)600噸/176米大型造船龍門(mén)起重機(jī)項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用，大車(chē)以40m/min的速度運(yùn)行時(shí)剛腿和柔腿的位置偏差在250mm以?xún)?nèi)，即大車(chē)糾偏功能良好，目前4臺(tái)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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    作者簡(jiǎn)介

    王吉明（1970-），男，江西永新人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)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?yàn)楦叨似鹬貦C(jī)電氣系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。