造船龍門起重機(jī)大車糾偏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王吉明（西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司，上海 200030）

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——大型造船廠龍門起重機(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。造船龍門起重機(jī)由于跨度長(zhǎng)、起升高度高等特點(diǎn)，大車兩側(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(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)大車與柔性腿側(cè)大車運(yùn)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(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，才能避免大車偏斜運(yùn)行，保證造船龍門起重機(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)大車運(yùn)行速度和位置在造船龍門起重機(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)用于造船龍門起重機(jī)的大車運(yùn)行，在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車對(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(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)的大車軌道旁，兩側(cè)的大車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 大車糾偏控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

造船龍門起重機(jī)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(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)龍門起重機(jī)將倒塌，從而發(fā)生安全事故。

大車的糾偏有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

分別在大車剛腿、大車柔腿安裝絕對(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(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。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(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(yùn)行時(shí)，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(gè)速度給定運(yùn)行，大車柔腿側(cè)的速度給定是（Vset+Vadd）。

（4）在運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算大車剛腿和大車柔腿的位置偏差值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柔腿，使大車柔腿和大車剛腿之間沒(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。

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，大車停止，必須手動(dòng)糾偏。

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

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

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

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

（6）后偏離減速：柔腿往后偏離>300mm，大車只能低速運(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

大車糾偏控制的程序框圖如圖3所示：

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

4 結(jié)語(yǔ)

大車糾偏控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)龍門起重機(jī)的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用，一旦大車行走出現(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米大型造船龍門起重機(jī)項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用，大車以40m/min的速度運(yùn)行時(shí)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(tái)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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