雙編碼器檢測在大跨度門式起重機糾偏上的應用

管秀洋，程寶康，雒 通

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100070）

影響大跨度門式起重機運行的原因有很多，如軌道不平、行走輪直徑誤差等，還有減速機的機械速度誤差、發電機速度誤差及各車輪承受的機械負荷差異等，均會造成剛性腿和柔性腳行走速度的不相同。一旦誤差過大，輕則引起啃軌，重則可能導致嚴重的機械傾覆安全事故。因此，為了注意其安全特性，在GB/T 3811—2008《起重機設計規范》中明確指出：“跨度大于40 m的門式起重機應配備偏位導向器或限位器，當誤差超過設計規定值時，可對運動偏位進行調整和修正。”如果運動偏差在設計規定的時間延遲內或根本無法調整到正常值范圍，控制器需要自動斷開監控電路，以避免惡性事件。此時，如果設備想要順利工作，必須糾正2條腿的運動偏差。不同的校正方法會產生不同的結果，這就會對設備的運行穩定性與工作效率產生影響。本篇文章通過對1臺42 m跨距的單門式起重機進行矯正實驗，并進行對比，得出了若干經驗，希望對合理選擇矯正方式有一定的借鑒意義[1]。

1 案例分析

1.1 實驗裝置

本案例中使用的主要測試設備是山東單縣豐輝機械設備有限公司開發的mdg40/10t-a442龍門起重機。龍門起重機為管桁架結構和模塊化結構，其具有自重輕、抗風性強、結構簡單和能耗低等特點；目前已生產門式起重機200余臺，在世界同類起重設備中具有較強的市場競爭力，具有代表性。

龍門吊剛柔腿側的大車行走電機，由于其技術參數和啟動、制動時間及轉速差異，導致龍門吊2側大車運行相對位移不同，進而致使大車行走輪啃軌、脫軌問題時常發生。因此，通常的處理措施是對輪緣進行強同步，這種同步方式主要是利用輪緣上鋼軌產生的側向力來強制引導，這樣很容易造成輪緣損壞，而且在驅動方向上的摩擦力也很大。在更嚴重的情況下，其還可能導致軌道斷裂。當2臺電機由同1臺自動變頻器操作時，如果移動和停止方式相同，則無法實現補償偏置和消除缺點的控制。為了實現同時補償缺點的功能，剛性腿側和柔性腿側的電機必須同時配對，分別驅動控制器。通過咨詢不同變頻器廠家，考慮可靠性、經濟性和方便性，最終選擇了丹佛斯FC302系列變頻器，并在一臺變頻器上配置了MCO305可編程糾偏卡，實現了2種起重機腳的分離控制。此外，為了實時檢測和反饋起重機剛性腿側和柔性腿側的運行情況，必須在2個從動輪的中心軸上配置增量式編碼器[2]。

利用采集編碼裝置的反饋信號構成閉環控制系統的監控方法，可以更準確地測量2個橫向腿的運動相對偏差，并利用誤差值實時調整柔性腿的運動速度，從而跟蹤剛性腿的運動速度，控制精度高。在達到最大偏差限值后，可終止裝置的正常運行，或通過手動控制實現糾偏和調整，使裝置重新回到同步運行狀態。

1.2 糾偏控制系統軟件設計

裝置糾偏除去必須的軟、硬件功能以外，還要求有相應的軟件系統支撐。以剛性腿側為依據，對柔性腿側的狀態進行了調節，并對方向動作和正反方向動作分別進行了編程數據處理。設計的最大偏差范圍為80 mm，當誤差范圍小于40 mm時，裝置仍處在常規的狀態，可以繼續進行數據采集；當誤差大于40 mm、小于等于80 mm時，裝置發生了輕微彎曲，柔性腿側驅動電機按當前速度的10%進行調整；當誤差大于60 mm、小于等于80 mm時，裝置大幅度彎曲，柔性腿側驅動電機調整為當前速度的20%；當測量誤差超過80 mm時，即超出了裝置容許變形的最大設定值，裝置立刻停機并發出了報警信號。

設置的剛性腿編碼器信號的采集值為a；柔性腿編碼器信號采集值為B；Z是2條腿采集的脈搏信號的差值；支腿2端的具體位置偏差值為r，單位為mm；柔性支腿側電機的當前出口速度為n，但調整后，出口速度仍為n，機組轉速單位為r/min。為實現糾偏功能，除上述基本部件如自動電機變頻器、運行總指揮及編碼設備外，還需安裝以下部件：3個導向交通信號指示燈，用作東西方向超差指示及正向和負向分別超差指示與正常指示；零誤差復位按鈕用于清除標準點的誤差；手動復位轉換開關，用于根據手動控制模式糾正偏差。

1.3 系統功能測試

為進一步了解該控制系統的能力和實際應用的有效性，進行了以下實驗：①使用清零信號控制功能，在2條軌道上選擇1個相對位置，并確定為2點對齊，并在該位置的雙龍門起重機上完成零偏差校準實驗。通過實驗，達到了預期的效果。②利用自動補救的能力，通過對調整變頻器的MCO305解碼器卡進行重新編程，調整r值后，經過了反復的動作實驗，目前修復缺陷的能力已經完成，沒有明顯的震動感。③手動補償控制功能下，當偏差超過極限值時，系統將停止移動。在這種情況下，應用手動補償控制時，首先使用手動補償控制器，并同步執行主命令。此時，剛性支腿停止移動，制動器打開，柔性支腿以5%的最大速度前進（設定值）。當偏差超過正常范圍時，柔性支腿自動停止行駛，并通過手動控制來進行2側大車位移補償及消除偏差。經過反復測試，系統的自行、手動補偏救弊性能比較穩定，并取得了預期效果[3]。

因為所謂的補救措施是通過調整2側支腿的異步運動來實現支腿同時運動的目標，所以應該避免過度校正。在系統設計中，應考慮以下2個問題：①運動信息的精確測量。由于起重機軌道接頭誤差、啟動和制動沖擊等因素，需要進行精確測量。②由于2個支腿各由2個電機驅使，所以當1臺手動電機由于事故中止運行時，另1臺手動電機也應當同步終止輸出運動，避免單腿電機運行導致大型橋梁結構變形。

2 糾偏檢測方法

2.1 檢測輪偏斜檢測法

大跨度門式起重機（以下簡稱龍門起重機）的正常工作時間會受到各種因素的影響，如不同的工作阻力、發電機驅動速度、輪徑差、啃軌和車輪打滑速度，2支腿的前進速度很快就會產生不一致的現象，導致單邊領先，即車輪的方向傾斜。這種偏斜使荷載中心偏離設計中心，嚴重時甚至使龍門起重機發生偏斜。因此，現代起重機的安全技術標準一般規定，大跨度（大于40 m）的門式起重機應設置行走和糾偏裝置，以指示、限制和調整門式起重機的偏差。

門式起重機的撓度測量方法一般如下：①在剛性腿和柔性腿的2端安裝1個檢測輪，讀取剛腿與柔腿之間的實際運動距離，再利用可編輯邏輯控制器（PLC）測算2支腿的偏移量；②利用新安裝的軟腿與主梁結合部之間的角度限位，來測量泵管和軟腿的角度變形，并測量2支腿的偏斜率；③傳感點平行設置在剛性支腿和柔性支腿2端的走行軌旁，通過設置在剛性支腿和柔性支腿2端的接近開關的動作，連續檢測2個支腿的偏轉[2]。

為了增加偏斜檢查的準確性和設備運行的穩定性，一般情況下，方法①是大跨度龍門起重機的主要檢測手段，即該方法用于控制和調整龍門起重機的偏移量；方法②是唯一的措施，即一旦方法①錯誤或發生事故，其是角度限制或停機檢查的操作手段；方法③被用作驗證和同步檢查的主要方法，這提高了方法①檢測的準確性。因此，方法①通過檢測輪的數據檢測，使起重機系統能夠掌握剛性腿和柔性腿的實際情況，當2個側角之間存在較大偏差時，系統可以通過調整發動機的工作速度來調整龍門起重機的偏移量。當最大傾斜度偏差超過跨度的1/3時，起重機手動糾正偏差，司機通過偏差指示器手動糾正偏差；當最大傾斜偏移超過跨度的1/3時，偏移限制器將自動斷開行駛監控線，使吊車手動停車。

2.2 雙檢測輪檢測法

使用檢測輪檢查撓度測量方法時，數據的檢測值通常由于檢測輪的打滑而偏移。驅動輪的原理是行走輪旋轉，但起重機不工作，這體現在行走輪的原始操作中。檢查輪打滑的原理是從動輪被推出，因為起重機已經運行了一定距離，但檢查輪無法運行，被拖了一定距離。此時，盡管支腿仍然能夠正常移動，但由于編碼設備的原因，無法傳輸有效數據。然而，由于檢測輪的打滑，檢測數據不能真實反映支腿的實際運動，嚴重影響了糾偏動作，有時甚至使糾偏動作越來越偏頗。此外，由于尚未找到檢測輪的滑移概率和計算方法，如果在人員密集的區域觀察到龍門起重機的正常工作，則在3 m距離前后滑動10 mm時，概率通常為1/300。這些數據是一個實際案例，但由于其與檢測輪的材質、安裝方式以及組裝質量等，都有著相當大的關系。為了降低由于滑移所產生的影響，使起重機上部支腿的定位讀數更準確地反映起重機的實際情況，需要在起重機定位時定期校正零點，如采用上述方法③，根據選定的位置標記確定起重機的實際偏移量，并采取措施使2支腿一致。

由于不可避免的問題和零點校正的實現，許多單位干脆放棄了對檢測輪的檢測和控制，簡單地使用小角度限制來減少龍門起重機的過度偏差。這種方法的潛在危險是沒有其他安全保護，如果角度限制失敗，可能會導致重大事故[3]。

為了解決單個檢測輪打滑對糾偏的影響，提高檢測輪的檢測精度和讀數可靠性，還創新設計了雙檢測輪（2個檢測輪同時布置在支腿1側工作）來檢測位移。雙檢查輪測量徹底改變了支腿單側同時使用1個檢測輪的傳統工作方式，在支腿的同1側設置2個檢查輪同時工作。在2個測試輪檢測到數據后，設置在2個編碼器上的數據處理器（可由單片機實現）進行簡單的比較操作，并選擇較大的值作為實際運行位移的輸出值，輸出到上位機。在相同條件下，脈沖輸出值大的檢測輪也可以視為無打滑或非常小的打滑面積，從而減少對打滑的影響。

雖然雙重測試輪檢測不會降低單個測試輪打滑的概率，但2個輪同時發生打滑的概率會大大降低。假設單個檢測輪的打滑概率分別為Pa和Pb，則2個檢測輪同時打滑的概率為PAB=Pa×Pb。若檢測輪對打滑概率仍取前文所設的數值，則Pa=Pb=1/300，PAB=1/90 000。根據此計算，從過去每天1次的同步校準到雙檢測車輪實驗，每年只能進行1次（按每年300個工作日計算），大大提高了實驗的穩定性和可靠性。

3 雙檢測輪檢測實施中的問題

在相同的解碼器特性下，檢測輪的直徑也會影響檢測精度。無論是絕對值解碼器還是增量編碼器，輸出數都是角度數，即解碼器每次旋轉后的總輸出脈沖數是1個固定值。將圓周的邊長與每個脈沖的數量相加后，可以得到每個脈沖的對應值，以及運動間隔，然后計算s的數值。s是1個脈沖位置的相應值運動間隔，D是檢測輪的直徑，P是每個解碼器產生的脈沖總數。如果D增加，s值也將增加，與每個脈沖對應的運動間隔也將增加，從而導致檢測精度降低。如果D=300 mm，P=2 400，s=0.39 mm，支腿2側實驗輪直徑誤差的相對偏差會影響支腿2側的檢測輪。由于加工因素，其孔徑也會有一定的偏差。

4 雙檢測輪檢測的實現

4.1 采樣方式的確定

定時采樣法是指處理器在指定的時間內從編碼器讀取數據，但該算法會在雙檢測輪測試中導致重新讀取。因為2個編碼器脈沖的方向不同步造成了時鐘移位現象，在定時采樣過程中會出現類似條紋干擾的現象。

在抽樣的第一階段中，解碼器A有2個脈沖出口，解碼器B有2個脈沖出口，因此根據規定，總脈沖出口為2；在第四個階段，編碼器B提供2個脈沖，而編碼器A只提供1個脈沖，同樣，實際脈沖信號輸出也為2。換言之，由于編碼器A和B在采樣時間內的直流電壓脈動的實際數量為7，且采樣期間的輸出為8，因此還有1個直流電壓脈動。為了減少這種干擾現象的產生，可以將固定采樣模式改為固定脈沖數采集模式。在采樣周期中，將發送脈沖較晚的編碼裝置作為計數對象，而編碼器B發送脈沖晚于解碼器A，解碼器B作為計數對象；當被測對象有n個脈沖時，比較2個解碼裝置的輸出脈沖，取脈沖的平均值作為實際輸出脈沖。如果此處沒有閃爍現象，則2個編碼器輸出的脈沖數相同，如果在這個過程中有1個檢測輪出現出溜，則其所輸出的脈沖數將會有所損失，相較于另1個測試輪的輸出還要少。

4.2 編碼器的選用

在采樣方法方面，除了前面詳細討論的固定脈沖數采樣方法外，為了對編碼器的輸出脈沖進行計數，通常有2種不同的處理方法：訪問模式和中斷模式。其中，絕對值編碼器是一種可選的訪問模式；當數據處理器仍在正常工作時，繼續訪問編碼設備，并從上次采集的讀數中減去讀數，如果誤差為n，則終止訪問，并進行2個編碼器數值的對比，以調整與數據處理器的數據輸出差異。對于增量解碼器，可以選擇中斷方式；每次解碼器產生脈沖信號，都將產生處理器的1次中斷，從而積累脈沖數，當脈沖數超過n個時，則進行2個解碼器的數值對比，從而調節數據處理器的數據輸出[4]。

4.3 數據的失電保護

在傳統模式下，系統使用絕對編碼器。當控制臺（PLC）每次讀取編碼器時，讀取的是支腿的實際位置值（以角度表示）。絕對值編碼器在任何地方記錄真實數據，因此不會丟失斷電數據。在雙檢測輪技術中，支腿的絕對定位值由數據處理器計算，其數值被存儲在處理機的內存中。要確保每次開機時，數據處理器都給出準確的絕對定位值，而存儲定位信息的內存則要通過無易失的隨機存儲器，以保證向上位機傳遞的信息是支腿的絕對定位值。此外，在失電情況下，如果起重機在外力作用下移動，則不會檢測到移動距離，因為即使是存儲的數據也與實際情況不同。在這些情況下，必須通過校正同步工作狀態來重置支腿的零位移值。當然，如果數據處理器使用可充電電池不間斷供電，使數據處理器始終工作，則起重機斷電狀態下的定位測量可以得到妥善解決。

5 結束語

本文提出了一種新的雙檢測輪檢測與校正設計方法，以提高起重機的可靠性和安全系數。這個假設是一個討論，以便通過這種方式獲得更理想的解決方案，使起重機位置監測更加可信，并確保了起重機的安全工作。筆者通過對1架42 m跨距的單門式起重機進行實驗，剖析龍門式起重機中剛性腿與柔性腳行走同步產生誤差的成因，并提出克服對策，從而設計了一種有效的糾纏系統。