徐偉鋒 浙江麒龍起重機(jī)械有限公司

糾偏檢測控制技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用

徐偉鋒 浙江麒龍起重機(jī)械有限公司

本文分析橋門式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)啃軌的原因，提出運(yùn)用糾偏檢測控制技術(shù)。結(jié)合先進(jìn)的PLC控制和變頻調(diào)試技術(shù)、PID控制器以及現(xiàn)場總線通訊技術(shù)等，取代傳統(tǒng)的電氣控制方式，減少橋門式起重機(jī)中大車的啃軌現(xiàn)象，提高設(shè)備的安全使用性能，減少設(shè)備的故障率，降低維護(hù)成本和維修工作量，同時操作簡單、運(yùn)行可靠，具有節(jié)能等效果。

糾偏檢測 起重機(jī) PID 可編程控制器 變頻器 啃軌

隨著我國工程建設(shè)向標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、大型化、集成化方向發(fā)展，起重機(jī)吊裝的重量越來越重，高度越來越高，難度越來越大，一個大型設(shè)備的吊裝穩(wěn)定可靠，往往是制約工程進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)和安全的關(guān)鍵。而橋門式起重機(jī)是用來吊裝水輪發(fā)電機(jī)組的定子、轉(zhuǎn)子、勵磁機(jī)組等關(guān)鍵設(shè)備，對吊裝的精度和速度要求相比其他起重機(jī)要高很多，所以橋門式起重機(jī)如還采用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差率調(diào)速的電氣控制系統(tǒng)，如電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制，其調(diào)速范圍小、控制精度低、能耗大、故障維修率高，并且大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常會產(chǎn)生啃軌，影響其吊裝的精度和性能。

1 橋門式起重機(jī)啃軌原因分析

橋門式起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)啃軌現(xiàn)象一般是由多種因素綜合作用所造成的，其主要因素有制造的質(zhì)量、鋼結(jié)構(gòu)的變形和剛度、車輪的水平度和垂直度、運(yùn)行機(jī)構(gòu)輪距誤差以及起重機(jī)的安裝水平等。

1.1 設(shè)計制造方面的原因

根據(jù)設(shè)計規(guī)范要求說明,橋門式起重機(jī)在設(shè)計制造過程中，其偏斜水平側(cè)向載荷與其起重機(jī)的輪壓、S/H(S-跨度、H-基距）比值有關(guān)。

在實際設(shè)計制造中，起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)車輪軸孔平行度加工超差，對角線超差或結(jié)構(gòu)材質(zhì)中殘余內(nèi)應(yīng)力釋放，使車輪運(yùn)行中心線與軌道中心線之間產(chǎn)生一個夾角α，如圖1所示車輪水平偏斜，導(dǎo)致車輪運(yùn)行軌跡偏離軌道中心線產(chǎn)生水平偏移，而產(chǎn)生啃軌。

圖1 車輪水平偏斜示意圖

1.2 安裝調(diào)試方面的原因

橋門式起重機(jī)安裝過程中，兩側(cè)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)安裝時，安裝人員要對車輪的跨度、對角線、和兩車輪的直線進(jìn)行測量，保證跨度、對角線相等，兩車輪的直線一致后，才能進(jìn)行下一步的安裝。當(dāng)橋門式起重機(jī)的大車輪跨度不等，對角線相等，車輪直線存在偏差而運(yùn)行時，跨度小的一對車輪啃軌道的外側(cè)，跨度大的一對車輪啃軌道的內(nèi)側(cè)，使其產(chǎn)生啃軌。

同時，橋門式起重機(jī)的軌道和基礎(chǔ)是起重機(jī)正常工作的重要組成部分，基礎(chǔ)不牢會導(dǎo)致軌道下沉，從而導(dǎo)致起重機(jī)無法正常工作。當(dāng)兩條軌道高低差較大時，會使起重機(jī)整體橫向移動，從而造成啃軌現(xiàn)象。當(dāng)兩條軌道跨距或軌道直線性超差，而起重機(jī)跨度不變時，輪緣與軌道側(cè)面間隙減小，從而會造成啃軌現(xiàn)象。安裝單位在進(jìn)行軌道基礎(chǔ)和軌道安裝過程中要嚴(yán)格要求，避免因軌道問題造成啃軌現(xiàn)象。

1.3 操作使用方面的原因

橋門式起重機(jī)在操作運(yùn)行中，由于不按操作規(guī)程進(jìn)行使用（如運(yùn)行機(jī)構(gòu)起動過快或停止時過快)，或運(yùn)行過程中橋門式起重機(jī)兩側(cè)所受運(yùn)行阻力不相等，都會造成橋門式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)兩側(cè)驅(qū)動電機(jī)不同步，即其兩側(cè)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速不相等，導(dǎo)致其起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)兩側(cè)車輪線速度不相同而形成位置差，從而產(chǎn)生橋門式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)跑偏而啃軌。

在分析了橋門式起重機(jī)的啃軌的原因后，治理啃軌的關(guān)鍵就是糾正其起重機(jī)兩側(cè)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度的偏差以及兩者行走的偏斜量。若把兩側(cè)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)行走的偏斜量控制在非常小的范圍內(nèi)，那么就不會出現(xiàn)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的車輪輪緣與軌道側(cè)面接觸擠壓，也就不會發(fā)出啃軌現(xiàn)象。

2 糾偏檢測控制系統(tǒng)

為解決上述問題，可以利用糾偏檢測技術(shù)，通過安裝在橋門式起重機(jī)大車機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器裝置檢測，由Profibus現(xiàn)場總線將其兩側(cè)的檢測信息傳輸給可編程控制器PLC中，經(jīng)PLC內(nèi)的程序邏輯運(yùn)算及比較后，將控制運(yùn)行信號和力矩變化的調(diào)整信號傳輸給大車左右兩個變頻器，使得其中一側(cè)的輸出力矩快速、自動、準(zhǔn)確地跟隨另一側(cè)的輸出力矩變化而變化，從而消除該起重機(jī)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)兩側(cè)行走的偏斜量，達(dá)到控制的目的。

糾偏檢測控制系統(tǒng)為負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，其主要由絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC、變頻器、現(xiàn)場總線和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。該糾偏檢測控制系統(tǒng)，首先可定義橋門式起重機(jī)大車運(yùn)行左右側(cè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的其中一側(cè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)為主動機(jī)構(gòu)，則另一側(cè)為被動機(jī)構(gòu)。而起重機(jī)大車運(yùn)行主動機(jī)構(gòu)的行走速度可根據(jù)PLC給定，采用變頻調(diào)速調(diào)整輸出力矩，并結(jié)合PID算法進(jìn)行控制，被動機(jī)構(gòu)則跟隨主動機(jī)構(gòu)的行走的速度而相應(yīng)變化。

圖2 糾偏檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因為起重機(jī)上的力矩調(diào)整要比速度調(diào)整相應(yīng)快、實時性好、穩(wěn)定可靠，所以該橋門式起重機(jī)的大車運(yùn)行主動機(jī)構(gòu)包含有兩個閉環(huán)負(fù)反饋，力矩反饋為內(nèi)反饋，速度反饋為外反饋，最終在兩者的作用下完成輸出力矩的調(diào)整，從而使得被動機(jī)構(gòu)能快速地跟隨主動機(jī)構(gòu)的速度而變化，避免起重機(jī)發(fā)生啃軌現(xiàn)象。

同時，糾偏檢測控制系統(tǒng)中采用PID算法對其兩個大車驅(qū)動機(jī)構(gòu)的速度誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)的結(jié)果傳輸給大車被動機(jī)構(gòu)變頻器，并作為后續(xù)控制的力矩給定值。其速度調(diào)節(jié)PID控制器的組成如圖3所示。

圖3 PID控制器

PID控制器在實際應(yīng)用中參數(shù)調(diào)整方法如下：

1）確定比例增益Kp。在調(diào)整Kp值由小到大，則可以發(fā)現(xiàn)Kp值增加時，系統(tǒng)的動作相應(yīng)變快，調(diào)節(jié)速度加大；但如Kp值太小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)動作相應(yīng)緩慢；Kp值太大，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。所以，在調(diào)整Kp值使得調(diào)整波動2～3次穩(wěn)定，即可確定Kp值。

2）確定積分系數(shù)Ki。積分系統(tǒng)Ki的作用是消除偏差，實現(xiàn)高精度調(diào)速。若Ki值過小，積分作用弱，消除偏差的效果差；若Ki值過大，積分作用強(qiáng)，雖偏差消除越快，但同時振蕩次數(shù)增多。所以，應(yīng)選取合適的值時,可以比較合適進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

3）確定微分系數(shù)Kd。微分控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。如當(dāng)Kd偏大或偏小時，系統(tǒng)的超調(diào)量將會較大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間較長，從而影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。只有選取合適的值時，才可以得到比較合適的過渡。

通過采用該糾偏檢測控制系統(tǒng)在橋門式起重機(jī)的應(yīng)用，得出了起重機(jī)在運(yùn)行過程中的實際糾偏控制波形，如圖4所示。圖4所反映的是該橋門式起重機(jī)在起動停止時、運(yùn)行中、以及加減速等各個階段的位置偏差情況。在該橋門式起重機(jī)大車兩側(cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的位置偏差超過4mm，即為啃軌，而本糾偏檢測控制系統(tǒng)中，當(dāng)其位置偏差達(dá)到3mm時，即進(jìn)行糾偏控制。

圖4 實際糾偏位置偏差

3 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，本糾偏檢測控制系統(tǒng)通過采用糾偏檢測控制技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的PLC控制和變頻調(diào)試技術(shù)、PID控制器以及Profibus總線通訊技術(shù)等，取代傳統(tǒng)的電氣控制方式，能夠滿足該橋門式起重機(jī)的實際需要，減少了橋門式起重機(jī)中大車的啃軌現(xiàn)象，提高設(shè)備的安全使用性能，減少設(shè)備的故障率，降低維護(hù)成本和維修工作量，同時操作簡單、運(yùn)行可靠，具有節(jié)能等效果。

1 傅德源.實用起重機(jī)電氣技術(shù)手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011

2 白志剛.自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定.化學(xué)工業(yè)出版社, 2012

3 GB/T3811－2008起重機(jī)設(shè)計規(guī)范

4 劉小波.自動檢測技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,2012

5 Siemens Position Decoder Module SM338;POS－INPUT 2006

This paper analyzed the reasons of rail gnawing for gantry crane traveling mechanism, proposed using the correct test control technology. Combined with the advanced PLC control and frequency conversion technology, PID controller and feld bus communication technology, the methods replaced the traditional electrical control, reduced the rail gnawing phenomenon of crane bridge gantry crane in use, improved safety performance of the equipment, reduced the equipment failure rate, the cost of maintenance and repair work, also had the advantages of simple operation, reliable running with energy-saving effect.

Deviation detection Crane PID PLC Inverter Gnawing rail

2013－09－25）