32t門式起重機大車糾偏改造

錢董武，姜 維，蔡曉峰

（上海外高橋造船有限公司 工務保障部， 上海 200137）

32t門式起重機大車糾偏改造

錢董武，姜 維，蔡曉峰

（上海外高橋造船有限公司 工務保障部， 上海 200137）

32t門式起重機大車糾偏系統改造采用了速度跟隨和位置檢測雙閉環反饋控制系統以及固定的磁釘檢測來消除誤差，提高了自動糾偏功能的穩定性。通過此次改造實現了自動糾偏功能的可靠運行，確保了門式起重機運行的安全。

龍門起重機；糾偏；改造

0 引言

造船企業作為一個重工業行業，船體分段的搬運與搭載都需要大型起重機來完成。公司現有32t以上的門式起重機近20臺，這些起重機跨度各不相同，最小的跨度也有48m，最大的跨度達185m。如此大的跨度在起重機行走時必須安全，其中大車行走的糾偏功能就是很重要的一項安全措施。當剛、柔腿出現偏斜時，自動糾偏功能動作，使大車自動減小偏斜，直至達到合理范圍內停止自動糾偏，這樣才能保證起重機的行車安全。

1 門式起重機大車改造前的糾偏系統

1.1 門式起重機原糾偏系統

32t龍門式起重機大車行走機構分為剛性腿與柔性腿，剛性腿與大梁直接焊接成一個剛性的整體，柔性腿通過大梁底部的柔性鉸與大梁連接。大車行走控制系統采用三菱PLC與安川系列變頻器組成。當駕駛室手柄輸出運行命令時，PLC的遠程輸入輸出點通過開關量來控制變頻器的左行與右行，再由安川變頻器來驅動剛性腿與柔性腿的變頻電機同步運行。在大車剛、柔腿運行機構的檢測輪上各有一套編碼器，檢測兩側行程的相對量，當行走偏差在跨度的1‰～3‰范圍內時，由PLC控制進行自動糾偏。當偏差超過3‰時起重機停車，由司機進行手動操作糾偏調整并達到1‰范圍內后，再啟動大車行走機構，則行走機構即可正常工作[1]。

1.2 原糾偏系統存在的問題

32t龍門式起重機改造前的大車自動糾偏依靠的是安裝在剛、柔腿水平檢測輪上的絕對值編碼器。理論上，剛、柔腿的檢測輪分別在軌道上進行純滾動，并將滾動的圈數信號通過編碼器輸送到PLC處理器。當兩支腿下的行走機構在相同的時間內的行走距離有差值時，兩個檢測輪在相同時間內轉動的圈數就有差值，PLC檢測到差值超出設定范圍，啟動糾偏程序。但在現實的使用過程中出現了編碼器差值反應不出實際剛、柔腿的偏差，造成越糾越偏，最后致使起重機急停，嚴重影響起重機的使用。這些都給起重機的安全帶來較大隱患。通過多次觀察，發現造成編碼器讀數不準的主要問題如下：

1)由于軌道的高低不平，造成水平檢測輪有偶爾跳動的情況，只要檢測輪跳動，編碼器讀數就會出現偏差，導致糾偏數據不準確。

2)原糾偏系統中，SSI編碼器數據傳輸不穩定，起重機現場對講機、電焊機等使用頻繁，會產生干擾，導致編碼器數據出現瞬時跳動，影響了糾偏數據的不準確。

3)編碼器本身也有少許誤差，經過長時間轉動，誤差會越積越大，嚴重影響了糾偏數據的不準確。

由于安裝在水平檢測輪上的編碼器存在這些問題，導致糾偏數據不準確，影響了起重機行車的安全，所以需要對起重機現有的糾偏系統進行改造。

2 門式起重機糾偏系統的改造

2.1 門式起重機改造方案

針對原糾偏系統中存在的問題，我們采用速度跟隨與位置檢測相結合的雙閉環控制系統方案(見圖 1)，以下稱之為“大車行走控制系統”。該系統需要獲取大車兩側的速度以及位置信息，電機的速度可以從驅動器中采樣獲得，位置信息從安裝在大車側的絕對值編碼器獲得[2]。在司機給定速度指令后，速度給定值經過PLC處理后，送到驅動器；然后比較兩個驅動器的速度反饋，降低或提高驅動器2(柔性腿)的速度，以跟隨驅動器1(剛性腿)，保證大車柔性腿和剛性腿行走距離一致，即位置信息近似零偏差。除大車行走控制系統外，還將在兩條軌道旁各加裝一排的磁釘，每個磁釘的間隔10m，剛、柔腿相對位置的磁釘也相同。通過固定的磁釘位置來核對從絕對值編碼器讀出來的位置偏差。“大車行走控制系統”從原系統主站中獲取指令，并綜合處理編碼器、磁釘等的數據，來獲取變頻器輸出，從而有效控制大車兩側的行走距離和速度。

圖1 糾偏系統框圖

2.2 系統改造內容

該門式起重機原有的電控系統是三菱 FX-2N系列PLC和安川G7系列變頻器。FX-2N是小型PLC，數據處理能力有限，難以應付編碼器、變頻器等D/A、A/D轉換、浮點數處理，不便于控制算法的編程實現。為了達到速度與位置雙重跟隨，我們采用西門子 313C-2DP作為“大車行走控制系統”核心數據處理單元，與編碼器、G7變頻器組成了大車控制系統，與原有的電控系統之間進行點對點通信，實現無縫對接(見圖2)。編碼器采用DP通訊交換數據。DP總線采用雙絞線雙屏蔽層，抗干擾能力強，數據傳輸速度快且穩定，速度可達12Mbit/s，遠距離傳輸時也能達到187.5kbit/s，丟包率近似為0。

圖2 糾偏系統數據處理圖

1)主站FX-2N獲取司機室的大車行走命令后，將原有的給定到變頻器的多段速信號切斷，保留運行；FX-2N將司機室手柄等通過 IO控制信號傳送給“大車行走控制系統”的西門子S7-300 PLC[3]。

2)大車行走控制系統”獲取FX-2N發送的信號，經過處理，將大車速度模擬量信號給定到大車變頻器中，西門子PLC只負責兩個大車變頻器的速度控制和糾偏的故障診斷。

3)大車剛、柔腿兩側的檢測輪上安裝DP通信接口的絕對值編碼器，“大車行走控制系統”對編碼器進行采樣獲得兩側大車的位置數據，從變頻器獲得速度反饋信號(模擬量信號)，對起重機的大車糾偏進行雙閉環控制，即速度閉環與位置閉環。

4)“大車行走控制系統”從外部獲取大車位置檢測信號等，即每隔10m一個磁釘的檢測信號，以判定編碼器是否需要清零、復位等。

5)司機室安裝觸摸屏，觸摸屏采用MPI通信接口，用來監測“大車行走控制系統”的運行狀況，并且可以使用觸摸屏來對編碼器進行清零復位、對控制系統進行故障修復等。

2.3 系統改造所需硬件配置

系統改造所需硬件配置見表1所示。

表1 系統改造硬件配置

3 門式起重機糾偏系統的算法及說明

3.1 糾偏算法的描述

其具體的工作過程描述為：在起重機剛、柔腿側各安裝一套絕對值位置編碼器，實時精確測量龍門吊大車位置的偏差距離，將實時采集的數據通過DP通訊模塊傳送到西門子PLC，在PLC中進行數據處理，再通過控制器的設計輸出控制量傳送給兩個變頻器，變頻器再分別驅動剛、柔腿異步電機動作，當給定剛、柔腿異步電機不同控制量時就達到了相應的糾偏效果。

圖3為自動糾偏的控制框圖，Reference為參考中心線上對應的四個參考坐標，其減去通過傳感器反饋回來得到的數據處理后的四個當前坐標，即得到四個誤差量，經過再次數據處理后得到當前大車的位置誤差與方向偏差，再通過控制器的設計得到兩個給變頻器的期望速度量輸入，最后實現良好的糾偏效果。

3.2 程序說明

3.2.1 編碼器說明

1)編碼器選用型號是：PVM58N-011AGR0BN-1213。在接線盒中可設置編碼器地址和切換終端電阻；剛腿地址為6，柔腿地址為16，終端電阻都為ON；編碼器地址必須和PLC硬件組態地址一樣(見圖4)。

圖3 自動糾偏控制框圖

圖4 編碼器設置圖

2)編碼器電氣連接和參數： Profibus串行輸出接口；DP線和編碼器的連接為：B接紅，A接綠；(+)接24V正，(-)接24V零；接好的端口必須密封，以免編碼器進水(見表2)。

表2 編碼器接線一覽表

3)數據傳輸原理：編碼器的數據中前面7位為狀態位，后25位為位置數據位(如表3所示)。

表3 編碼器的數據位置

4)編碼器數據處理

PLC采集到編碼器32位數據后，要處理掉高7位的狀態位，后面25位數據是可以用于計算的位置信息。①記錄零位時編碼器數據Step 0；②大車運行一段距離D，記錄編碼器數據StepD。根據記錄數據，可以計算出大車運行位置和編碼器脈沖數的比例關系：

在實際的調試過程中，Scale是通過多次測量取平均值得到。Step0是在零位時編碼器的脈沖數，那初始位置偏差Offset就是Step0。

根據上面的計算結果，可以直接計算出大車的實際位置：

大車剛性腿和柔性腿的位置偏差為：

3.2.2 磁釘檢測說明

1)磁釘位置記錄。根據現場情況，大車兩側零位分別定在距離第一個磁釘中心左側 1.60m 處(剛腿)和左側1.42m處(柔腿)；每兩個磁釘之間的距離是10m，可以計算出每個磁釘位置對應的編碼器位置值，編碼器在沒有任何誤差和錯誤的情況下測量到此處的值應該和此對應位置值相等，所以磁釘對應的位置值可以作為糾正編碼器位置的依據。

2)磁釘校驗位置。因為有編碼器連接的檢測輪在實際工作中會出現不可預測的打滑現象，所以根據編碼器計算出來的位置信息和位置偏差就會有誤，因此必須用固定不變的磁釘位置信息去校驗有誤的位置信息。

3.3 大車糾偏的狀態說明

改造的32t門式起重機跨距為64m，其自動糾偏的范圍為64 mm～192 mm。故大車糾偏分為3種工況：

1)當剛、柔性腿的位置偏差小于64 mm時，糾偏系統認為是在可接受的范圍，糾偏程序不工作。

2)當剛、柔性腿的位置偏差在64～192mm時，糾偏系統認為是進入了危險范圍，糾偏程序自動開始工作，直到位置偏差重新回到64mm以內。這類情況下的糾偏動作分兩種情況：①若剛性腿在某一方向上超前柔性腿時，PLC會控制柔性腿加速，剛性腿仍然保持原速度，這樣兩者之間的偏差將逐漸變小，直到兩者位置偏差重新回到64mm以內，然后柔性腿的速度重新回到手柄設定的和剛性腿一樣的速度。②若剛性腿在某一方向上落后柔性腿時，PLC會控制柔性腿減速，剛性腿仍然保持原速度，這樣兩者之間的偏差將逐漸變小，直到兩者位置偏差重新回到64mm以內，然后柔性腿的速度重新回到手柄設定的和剛性腿一樣的速度。

3)當剛、柔性腿的位置偏差大于192mm時，大車就自動停車。這種情況必須進行手動糾偏，司機在駕駛室聯動臺上一邊控制柔性腿單動，一邊觀察觸摸屏上的偏差，使兩者之間偏差回到64mm內后，大車才可以正常動作。

4 總結

僅采用一套編碼器的位置反饋精確許多，而且改造所選用的編碼器抗干擾能力更強。通過此次改造實現了自動糾偏功能可靠運行，確保起重機運行的安全。

[1] GB/T3811-2008, 起重機設計規范[S]. 北京: 中國標準出版社出版, 2008.

[2] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統[M]. 北京: 機械工業出版社, 2003.

[3] 吉順平, 孫承志, 路 明. 西門子 PLC 與工業網絡技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

唯特利隆重推出經認證的船舶即按即連系統

2013年12月3日至6日，全球領先的機械管道連接系統制造商唯特利將在上海新國際博覽中心隆重推出Vic-Press?壓合系統，該小口徑不銹鋼管道連接系統已獲得國際船級社協會IACS認證。

用于10S壁厚管道的即按即連Vicpress?壓合系統已獲得IACS會員機構德國勞埃德船級社Germanischer Lloyd的“型式認可”認證。該系統能夠快速、簡便、清潔并可靠地連接尺寸為15 – 50mm (?– 2")的316/316L型不銹鋼管，旨在大幅提升船舶建造、翻新與維修的效率。

用于10S壁厚管道的Vicpress?壓合系統無需熔焊或電弧焊，且不像法蘭連接需要切削油，現場也不會產生碎屑，更無需任何準備時間。該系統可應用于市售符合ASTM A-312標準的10S壁厚316型不銹鋼管道（全球許多供應商均有供貨），從而確保用戶不會局限于單一的特定管道供應商。

迅速便捷地實現可靠連接：對管道進行定長切割，將其插入接頭/管件，隨后對接頭/管件進行壓合，就能在數秒時間內形成有效的永久機械連接。通過專業的便攜式工具對管件周圍進行嚙合，就可確保各管件可靠且齊整地與管道相連接。

該壓合系統憑借其卓越的設計特性提供了極佳的可靠性。管件內部具有獨特設計的管端止檔槽，以及貼合密封圈的槽體可有效確保壓合期間的密封性。而且，Vicpress?密封圈為進一步簡化安裝流程已進行了預潤滑處理，系統連接時無需對管件/管道進行額外潤滑。在安裝之前，安裝人員可標識一個“參考記號”，該記號將標識于管道表面正確位置，從而確保能夠以簡單目測的方式，確保管道已完全插入。已申請專利的壓合檢測技術使安裝人員能夠在填充和檢測管道系統時，快速區分所有未經壓合的接頭。

獲得認證的產品包括接頭、三通、彎頭、異徑管、盲板與適配器。Vicpress?壓合接頭與管件的額定壓力高達16 bar/232 psi（1600 kPa）。此類產品具有卓越的耐火性，建議用于符合以下條件的流體應用： HNBR密封墊圈可應用于最高溫度至98°C (208°F)的工況；EPDM密封墊圈可應用于最高溫度至121°C (250°F)的工況。

Vic-Press?壓合系統還可與標準唯特利溝槽系統搭配使用，更增強了系統維護的簡易性。該系統也將在展會上展示。

唯特利中國區船舶市場經理蔣鵬先生表示：“Vicpress?壓合系統已達到航海業所要求的最為嚴格的IACS認證標準，對此我們深感欣慰。該系統經久耐用，防腐性能極強，現已廣泛應用于采礦、發電、石油、天然氣和化工以及商業建筑等領域，幫助用戶以快于其他同類系統5倍的速度進行管道連接，同時確保工作場所的清潔與安全。可喜可賀的是，我們如今已向造船廠供應Vicpress?壓合系統，從而使其也能夠信心十足的享受該系統所帶來的諸多裨益。”

Skew Rectifying Reform of 32t Gantry Crane

QIAN Dong-wu, JINAG Wei, CAI Xiao-feng
(Public Security Ministry, Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

Tracking speed and position detection of double closed loop feedback control system as well as the fixed magnetic nail detection are adopted in skew rectifying system reform of 32t gantry crane to eliminate the error. The stability of automatic correction function is greatly improved. Through this reform, the automatic correction function reliable operation is realized. Gantry crane operation safety is ensured.

gantry crane;skew rectifying;reform

TH215

A

錢董武（1983-），男，本科。研究方向：起重機控制系統。