地車定位系統設計研究

劉 佳，董敬凱，孫 杰，馬寶春

（1.太原重工股份有限公司技術中心，山西 太原 030024；2.華能山東石島灣核電有限公司，山東 榮成 264300）

1 研究目標

根據實際工藝控制及運行工藝要求，為實現特殊起重機控制定位系統大小車運行±3 mm 的精度設計功能，進行了特殊起重機運行定位系統的詳細設計及施工，并最終以試驗驗證了設計結構滿足使用要求。

2 研究技術指標和參數

1）特殊起重機運行定位精度須小于±3 mm。可以采用PLC 控制器自動定位和手動操作精確定位相結合的方式實現特殊起重機與目標位置中心孔的準確定位。

2）為便于手動操作精確定位，最小點動步進長度應小于3 mm。

3）應能連續可靠地檢測大車、小車位置。采用能達到特殊起重機定位精度要求的位置行程檢測裝置，如編碼器等，行程檢測裝置重復定位精度高。同時附以攝像探頭指示精確定位。

3 研究內容

收到本任務后，項目組就開始進行仔細研究和分析，了解了起重機運行機構定位系統的各項功能和原理，并進行了大量的調研工作，包括技術方案論證、材料的國產化、加工制造工藝、包裝工藝、表面涂裝工藝、廠內試驗工藝等工作，從而形成了自主創新的定位技術，提出符合高溫氣冷堆核電站特殊起重機技術要求的材料以及制造工藝條件等關鍵技術，使我國具備自主研發、設計和制造核電站特殊起重機[1]定位系統的能力，并為以后核電起重機定位系統的批量化應用打好基礎，最終順利完成了本課題的總目標。并于去年年底提供了用于高溫氣冷堆核電特殊起重機樣機試驗所需要的特殊起重機定位系統一套以及定位系統設計圖一套。

3.1 機械定位研究

研究的機械定位包括軌道精度、水平輪間隙和編碼器的固定。

特殊起重機定位系統依附于大、小車運行機構及相應檢測系統。特殊起重機大車運行機構采用四角獨立驅動方式。驅動裝置為電動機、減速機、制動器組成的三合一減速機[2]，在減速器的低速軸為空心結構，直接套裝在主動車輪軸上。同一主梁下的兩套大車運行機構[2]可以分別驅動，四套驅動兩套為一組，兩組互為備用。垂直承載車輪為12 個直徑為500 mm 的車輪，每兩個車輪組成一個平衡架。一個平衡架和一個從動車輪組成一個三輪平衡臂架。起重機每個角上有1 個三車輪平衡臂架。所有的車輪與軌道間留有15 mm 左右的 間隙，以防由于車輪與軌道產生干涉，影響定位精度。見圖1。為了使大車保持較高的運行擬合度，特殊起重機一側端梁下設有兩組水平導向輪。大車軌道的一根導向軌道雙側面都加工，以保證水平輪與軌道的合理間隙配合。見下頁圖2。

圖1 特殊起重機運行機構與水平輪

圖2 軌道（單位：mm）

編碼器的固定也能保證編碼器能讀到精確的大小車運行信息。其中，齒輪與齒條為豎直接觸，這樣避免了齒間落入異物時影響運行精度的問題。在編碼器與結構件的固定中采用了允許彈性變形的裝置，即齒輪與齒條間始終保持一定的壓力，齒輪與齒條始終處于正常嚙合狀態，同時也避免了齒條安裝直線度對檢測結果的影響。為了確保定位系統的可靠性，在大車橋架的雙側端梁下均安裝了定位系統。這樣，即使定位系統發生故障，仍然不影響特殊起重機的定位精度檢測。見圖3。

圖3 編碼器布置圖

特殊起重機小車的定位系統與大車定位系統結構模式一樣，只是安裝到不同的載體上而已，故此不在熬述。只是大車定位系統控制著大車運行方向的精度，小車定位系統控制著小車運行方向的精度。這兩個方向互相垂直，這兩個方向的運行精度共同定位了特殊起重機整體的運行精度。

3.2 電氣定位研究

電氣設備由五部分組成，每一部分為獨立運行系統，但互為補充。為保證實現最終精度的實現，而互不可少。這五部分包括PLC 控制系統、西門子伺服控制系統、外部編碼器系統、攝像定位確認系統及零位定位系統。

3.2.1 PLC 控制工藝設計

首先操作人員在上位機上下達指令，PLC 發送位置指令信號給驅動器，指揮運行機構運行至指定位置坐標，由伺服控制系統驅動電機開始運行，外部編碼器系統同時工作，實時將運行位移數據反饋給驅動裝置進行比較，校正驅動電機。到達指定位置后通過攝像系統觀測地面標牌確定位移誤差是否在設計允許范圍內，如誤差較大，則通過PLC 系統的手動裝置點動運行至要求位置。在一個工作循環完成后，特殊起重機回歸零位，由零位定位系統復位歸零，消除運行累計誤差。

PLC 系統在定位設計中主要用于上位機指令的下達及保存；手動點動信號的下達等工作。見圖4。

圖4 PLC 控制網絡圖

3.2.2 伺服控制系統組成

伺服系統采用西門子運動控制系統SIMOTION。SIMOTION 適用于執行同一個系統內同時實現軸的運動控制和機器邏輯控制，將PLC 功能與工藝控制功能相結合，縮短了各個控制部件之間的數據傳輸時間，便于對設備統一和透明的編程、診斷。

特殊起重機及其屏蔽罩設備采用的是SIMOTION D 系列控制器，它是基于驅動的運動控制系統。SIMOTION D 集成了西門子S120 伺服驅動器的一個控制單元，可以方便的與S120 驅動器的電機組件連接。帶有編碼器接口、DP 接口等控制通訊接口。

伺服運動系統設備電氣部分的走行驅動控制包括書本型電機模塊、SIMOTION D435 伺服控制器、伺服電動機、外部絕對值編碼器以及PLC 聯鎖、控制線路等。

3.2.3 編碼器系統組成

外部位移編碼器安裝在車輪旁，與運行機構相連接。編碼器軸上安裝有齒輪，齒輪隨著車輪轉動而在軌道旁的齒條上運行。編碼器跟隨特殊起重機運動，運行機構停止時編碼器計數停止變化，編碼器信號實時傳輸回PLC 進行比較處理。

外部的位置編碼器用于校正位移信號，故而編碼器精度十分重要。編碼器采用1217 絕對值編碼器，即編碼器自身精度為：12（圈）×217。

車輪轉動時編碼器上的齒輪跟隨轉動，即編碼器碼盤計數，可根據車輪轉動一圈位移計算出編碼器內部轉動圈數，根據編碼器自身精度計算出齒輪齒條編碼器運行精度：齒輪直徑R2=105 mm；齒輪運行一圈走行距離L2=πR2=329.7 mm；絕對值編碼器分辨率17 位，即為2 的17 次方=131 072。在單圈旋轉絕對值編碼器的運行分辨度為329.7 mm/131 072=0.002 5 mm。由此能得出，外部的位置編碼器在本機構的運行分辨度為0.002 5 mm，滿足控制要求。

3.2.4 攝像定位系統組成

攝像系統可分為兩部分，他們分別為：第一部分是分別用于整體觀測的云臺攝像機和觀測井蓋吊具的2 臺云臺攝像機；第二部分是分別用于定位輔助的井蓋位和貯罐位的2 臺高倍固定攝像機。在定位系統中主要采用第二部分。見圖5。

圖5 井蓋攝像輔助

整套定位攝像系統中用于校驗定位精度的有兩臺，分別顯示井蓋定位標牌和貯罐定位標牌。顯示界面上分別顯示兩個地面標牌的狀態，在顯示界面的中心有定位用光標，而標牌上則有刻度尺，到位后操作人員即可觀測到兩組信息，一是豎井的銘牌縮寫；二是目前的定位數值差。這樣就可以選擇手動裝置進行運行機構點動運行，調整運行精度達到控制要求。

在試驗過程中運行情況良好，因裝置運行精度可完全達到要求，目前定位輔助攝像主要用于操作人員確認使用。

3.2.5 零位校正系統介紹

在大車運行機構及小車運行機構的車輪旁各安裝了一個接近開關，信號反饋回PLC 回路，之后由程序進行編碼器回零動作，這就是零位系統的設計思路。零位系統主要作用是消除每一個工作循環后編碼器累計誤差，保證定位編碼器的運行精度。見圖6。

圖6 運行機構清零邏輯圖

4 伺服驅動的軟件

大小車運行機構采用SIMOTION-D435 伺服定位功能，主要編程及控制在西門子SIMOTION Scout軟件中實現。

在Simotion Scout[3]軟件中建立項目，根據本設備特殊要求，在D435 控制器內部為行走機構的4個電機分別建立實軸，再建立一個虛擬軸，令4 個實軸完全跟隨虛擬軸而動作，實現同步。見圖7 和圖8。

圖7 模型建立

圖8 硬件搭接

PLC 給出的運行目的坐標值在程序中轉化為實際位移值，通過PLC 與Simotion D435 的控制通訊，賦值給Scout 軟件中建立的運行虛擬軸，定位功能通過外部絕對值編碼器來實現，外部編碼器的單圈精度達到17 位，即每圈131 072 個脈沖。見圖9。將絕對值編碼器的位置值賦給虛擬軸，虛擬軸將根據當前的實時位置來驅動4 個實軸，達到定位的目的。

圖9 控制精度

在D435 內需要通過MCC 語言編程來實現對軸的控制，包括起動、同步、定位、停止、信號處理等功能。PLC 將啟動信號、需要到達的絕對位置和運行速度通過Profibus DP 通訊傳輸至D435 控制器，D435 內的MCC 程序接收后將虛擬軸和實軸同步，起動虛軸，按照預設的加速度加速至接收到的運行速度向指定位置運行。在接近指定位置時會自動減速，到達指定位置時將減至零速，然后進行微調，消除整車慣性影響，最終定位。

5 完成目標及成果

1）據現場定位試驗測量，定位的結果大小車整體運行后，誤差控制在±1 mm 之內。完成并遠遠超過了控制精度要求。

2）設計中控制部分采用了伺服驅動系統，是首次在大慣量設備上使用此種設計，大大提高了控制精度。

3）外部編碼器的使用有效地消除了因車輪大小等工藝因素而產生的實際位移誤差，提高了運行精度。

4）攝像系統及定位標牌的使用可直觀地表現出目前的運行位置，便于手動調整校準。

5）手動點動系統的加入，點動步進值直至為1 mm。在運行誤差出現后可以輕松調整位置，點動運行設備，雙重保證精度要求。

6）回零系統在每一次運行后及時徹底地消除編碼器的累積誤差，為多次反復運行的精度提供了重要保證。

6 應用效果和社會效益

通過詳細設計、計算及產品論證，實現了特殊工藝要求下的地車設計。可根據以上研究成果設計并制造大慣量起重機的精準定位操作，保證特殊工藝要求下的起重機工作，是衡量一個起重機設計制造實力的標志性產品。它的研制成功，不但節約了大量資金，而且對進一步提升我國起重機的設計制造能力和國際市場競爭力，打破國外在該領域的壟斷具有重要的意義。該項目研制開發的技術，同樣適用于其他行業精確控制程度要求比較高的運行運輸設備。