防搖功能在回轉(zhuǎn)起重機(jī)上的運(yùn)用

朱晨嶸 王佳俊 羅佩玉

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

0 引言

目前，隨著起重機(jī)自動化程度越來越高，用戶對于起重設(shè)備的裝卸效率也越來越重視。在日趨成熟的起重機(jī)自動化領(lǐng)域，帶有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的起重機(jī)鋼絲繩負(fù)載搖擺問題仍然是起重機(jī)作業(yè)面臨的一個難題。如何抑制負(fù)載搖擺，如何基于現(xiàn)有電控硬件，在不增加硬件的基礎(chǔ)上通過軟件實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的防搖功能，是一項(xiàng)非常值得研究的課題。本文對回轉(zhuǎn)負(fù)載進(jìn)行建模、仿真，開發(fā)了基于單機(jī)電控貝加萊PLC 及ABB ACS880 變頻器，在不增加任何硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的防搖功能。

1 模型分析

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)載及鋼絲繩可看作一個單擺系統(tǒng)，如圖1 所示。以O(shè)點(diǎn)（回轉(zhuǎn)手柄給定停止位）作直角坐標(biāo)系，x正方向?yàn)榛剞D(zhuǎn)向前方向，y正方向向上。回轉(zhuǎn)運(yùn)行到（d，0）位置時(shí)，負(fù)載位置為（x，y），擺動角度為θ，繩長為l，負(fù)載質(zhì)量為m，重力加速度g。

圖1 運(yùn)動坐標(biāo)

由圖1 可得

負(fù)載在x、y方向上的速度分量為對上述兩式求導(dǎo)所得。

式中：Vt為小車的速度。

負(fù)載勢能為

負(fù)載動能為

拉格朗日函數(shù)為

擺動角度θ的拉格朗日方程為

整理得到小車負(fù)載的動態(tài)模型為

化簡得

進(jìn)行平面分析得到負(fù)載擺動周期為

綜上所述可知，擺動周期與擺動長度有關(guān)，與負(fù)載質(zhì)量無關(guān)，對回轉(zhuǎn)施加恒定加速度后，負(fù)載將回到起始狀態(tài)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真1：如圖2、圖3 所示，在固定繩長的回轉(zhuǎn)負(fù)載施加一個恒定加速度，回轉(zhuǎn)速度從0 r/min 加速至496 r/min，并勻速運(yùn)行，再以同樣的減速度，在一個周期T內(nèi)減速到0 r/min，仿真結(jié)果如圖2 所示，負(fù)載擺動角度θ在回轉(zhuǎn)加速由小變大再由大變小，勻速時(shí)θ為0°，如圖2 所示。

圖2 回轉(zhuǎn)單段加速擺動角度

圖3 回轉(zhuǎn)單段加速

仿真2：如圖4 所示，在和仿真1 同樣繩長的條件下，回轉(zhuǎn)在前1/4 周期進(jìn)行加速，到達(dá)給定速度一半后進(jìn)行勻速運(yùn)行，并在到達(dá)1/2 周期時(shí)，以相同的加速度再加速1/4 周期，達(dá)到全速后，再保持給定速度繼續(xù)運(yùn)行。

圖4 回轉(zhuǎn)兩段加速

通過仿真1 和仿真2 的對比可以看出，負(fù)載兩段加速較單段加速而言，大大抑制了回轉(zhuǎn)擺動周期，擺動時(shí)長由8 s 縮減至5 s，提高了回轉(zhuǎn)的作業(yè)效率，無效擺動周期減少3 s。

因此，基于理論計(jì)算、仿真、兩段加速抑制負(fù)載擺動是一種理想的防搖模型，為負(fù)載的運(yùn)行規(guī)律防搖系統(tǒng)的提供了理論依據(jù)。

3 防搖系統(tǒng)

3.1 起重機(jī)系統(tǒng)總體介紹

在仿真1 和仿真2 實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，論證了回轉(zhuǎn)兩段加速防搖功能的可行性，在此基礎(chǔ)上，本文開發(fā)一套回轉(zhuǎn)防搖系統(tǒng)（見圖5），該系統(tǒng)由貝加萊X20 系列PLC 作為主控制器，該系列PLC 能滿足廣泛的應(yīng)用需求，不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用同時(shí)能滿足相對苛刻的應(yīng)用要求。循環(huán)周期可達(dá)200 μs，滿足回轉(zhuǎn)起重機(jī)防搖功能的時(shí)間周期。

圖5 回轉(zhuǎn)起重機(jī)電控主系統(tǒng)

X20 模塊分別由底板模塊、電氣模塊、端子排模塊3 部分組成，確保了在整個電控系統(tǒng)的使用過程中各模塊的簡單化、模塊化；X20 系列的PLC 具有眾多的優(yōu)勢，1）對于不同種類電氣設(shè)備具有不同類型的配置，X20底板模塊是眾多設(shè)備類型的基本平臺，用戶可以根據(jù)不同的電氣設(shè)備種類選擇不同的電氣模塊，軟件可以自動識別每個卡槽所使用的電氣模塊，然后提供相應(yīng)的設(shè)備功能。2）工業(yè)配電柜架構(gòu)，X20 端子排模塊與電氣模塊互相分離，使得系統(tǒng)接線更加合理，布局更加清晰，是批量生產(chǎn)電氣設(shè)備較好的選擇。3）易于維護(hù)、維修，X20 易更換的特性可簡化排除故障的過程，電氣模塊可在運(yùn)行過程中更換損壞的模塊，由于端子排獨(dú)立的特性，接線維持原樣，則整個系統(tǒng)可更快地更換自動化元件以減少設(shè)備的停機(jī)時(shí)間。

電氣系統(tǒng)所搭載的ABB ACS880 系列變頻器是應(yīng)用較廣泛的變頻器之一，其適用于各種工藝，自動化系統(tǒng)，滿足幾乎任何行業(yè)電動機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的需求。

通訊采用貝加萊專用的Powerlink 通訊協(xié)議，可與變頻器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，該通訊方式是一種以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)為物理介質(zhì)的通訊方式，解決工業(yè)控制及數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的最新技術(shù)，該通訊相對于傳統(tǒng)的Modbus，Profibus DP 等通訊方式而言，Powerlink 具有通訊更快、更穩(wěn)定的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

回轉(zhuǎn)起重機(jī)的主系統(tǒng)包含人機(jī)界面、主控制器、支持變頻器、回轉(zhuǎn)1 號變頻器、回轉(zhuǎn)2 號變頻器、開閉變頻器、電纜卷盤變頻器等組成，所有變頻器與主控制器采用Powerlink 通訊方式。

司機(jī)室配有遠(yuǎn)程IO 站和HMI（司機(jī)室觸摸屏），各機(jī)構(gòu)均設(shè)有絕對值編碼器，司機(jī)室HMI 使用EtherNET 通訊。

該主控系統(tǒng)配備了起重機(jī)管理系統(tǒng)（CMS），其硬件基于觸摸屏，顯示尺寸在15 in 以上，具備1 GB 存儲空間。起重機(jī)管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與PLC 連接進(jìn)行交換數(shù)據(jù)。顯示屏上能夠顯示機(jī)構(gòu)所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)，卷筒的轉(zhuǎn)速、起升高度、變幅角度、載荷質(zhì)量；各個機(jī)構(gòu)的限位狀態(tài)，例如減速、停止的位置；電動機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，例如電動機(jī)的電壓、電動機(jī)電流、電動機(jī)力矩的情況；該系統(tǒng)可以顯示故障報(bào)警及其歷史記錄，可以根據(jù)歷史記錄對設(shè)備進(jìn)行性能安全評估，排除設(shè)備的隱患，防患于未然；具有專用的調(diào)試界面，現(xiàn)場調(diào)試時(shí)允許具有修改權(quán)限的人員在登錄后修改運(yùn)行設(shè)定參數(shù)。此外，還具備起重機(jī)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄功能，將需要采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，按照設(shè)定的時(shí)間間隔記錄到文件，供起重機(jī)維護(hù)管理時(shí)查詢。

本文著重介紹回轉(zhuǎn)起重機(jī)的回轉(zhuǎn)防搖系統(tǒng)，即2 部回轉(zhuǎn)變頻器在防搖功能中的應(yīng)用，以及變頻器與主控制器之間回轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)狀態(tài)在人機(jī)畫面的回轉(zhuǎn)界面中體現(xiàn)。

3.2 回轉(zhuǎn)防搖控制系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的防搖控制系統(tǒng)（見圖6），通過手柄給定速度至貝加萊主控制器，主控制器中的擺動周期功能塊，通過編碼器計(jì)算出的擺動長度l，從而得到擺動周期，擺動周期功能塊（見圖7）的輸出值擺動周期，作為兩段防搖功能塊（見圖8）的輸入?yún)?shù)，再通過主控制器得到的給定速度，以及變頻器讀到的實(shí)際速度，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)2 的結(jié)果，通過兩段防搖功能塊計(jì)算得出兩段加速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)速，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)2（見圖3），以TP/2 的加速度時(shí)間運(yùn)行1/4 周期，再以半速運(yùn)行1/4 周期，最后再以TP/2 的加速度時(shí)間至給定速度，從而達(dá)到防搖效果。同時(shí)，在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，電動機(jī)編碼器將實(shí)時(shí)速度反饋至主控制器，實(shí)現(xiàn)安全可靠的閉環(huán)控制。該防搖功能不僅僅運(yùn)用于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟停工作狀態(tài)中的防搖，在實(shí)時(shí)變速作業(yè)工作中，通過給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化分析，從而形成回轉(zhuǎn)全過程防搖功能。

圖7 擺動周期功能塊

圖8 兩段防搖功能塊

防搖功能塊涉及較多數(shù)學(xué)運(yùn)算，主要包括判斷回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的加減速狀態(tài)，給定值得變化狀態(tài)。該控制系統(tǒng)采用ST 語言編寫邏輯，采用FBD 功能塊進(jìn)行封裝，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，可應(yīng)用于各種電控系統(tǒng)中。

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

在貝加萊主控制器的PLC 主程序中，增加和防搖功能相關(guān)的2 個功能塊，擺動周期功能塊可以計(jì)算得出回轉(zhuǎn)擺動周期，兩段防搖功能塊計(jì)算得出回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的加減速時(shí)間并傳送到變頻器中，從而實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)防搖功能，本文介紹的回轉(zhuǎn)起重機(jī)防搖功能是在不增加任何硬件設(shè)備成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)防搖功能。

3.3.1 功能塊

該功能塊（見圖7）根據(jù)實(shí)時(shí)擺長計(jì)算得出擺動周期的理論值，Gravity 為重力加速度取9.8 m/s2；Length 為擺動繩長，根據(jù)起升機(jī)構(gòu)絕對值編碼器計(jì)算；Factor 為因數(shù)，取6.28，可根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)；SwingCycleTime 為計(jì)算得出的擺動周期。

通過大機(jī)自帶的起升絕對值編碼器可以計(jì)算得出回轉(zhuǎn)的擺動長度，擺動周期根據(jù)負(fù)載擺動周期公式可以計(jì)算得出，同時(shí)作為回轉(zhuǎn)兩段加速的加速度時(shí)間依據(jù)。該擺動周期時(shí)間作為兩段加速防搖的周期。

兩段防搖功能塊（見圖8）執(zhí)行回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩段加速功能，通過輸入引腳中的SlewingSpeed（回轉(zhuǎn)速度0 ～100%），CycleTime（ 擺動周期），ReferenceSpeed(給定速度)，ActualSpeed（實(shí)際速度），分析計(jì)算得出變頻器的輸出轉(zhuǎn)速（OutSpeed），回轉(zhuǎn)的加減速時(shí)間（AccTime、DecTime）等關(guān)鍵參數(shù)給2 個回轉(zhuǎn)變頻器。該功能塊可以計(jì)算得出兩段防搖的速度給定值，回轉(zhuǎn)加減速時(shí)間。FaultReset（故障復(fù)位）引腳，當(dāng)加減速時(shí)間低于回轉(zhuǎn)加減速安全時(shí)間時(shí)，功能塊輸出AccDecTimeFault（加減速時(shí)間故障），用來保護(hù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)為當(dāng)回轉(zhuǎn)前1/4 周期進(jìn)行2 倍于單段加速度時(shí)間的加速度進(jìn)行加速，當(dāng)達(dá)到給定速度的半速時(shí)，以半速運(yùn)行1/4 周期，再以2 倍的單段加速度加速至手柄給定速度，達(dá)到全速后，保持勻速運(yùn)行。

該功能塊通過輸入/輸出引腳的參數(shù)變化，可將各參數(shù)傳輸至司機(jī)室觸摸屏以及CMS，方便觀察防搖系統(tǒng)工作中的各參數(shù)變化。

3.2.2 變頻器中參數(shù)設(shè)置

通訊及參數(shù)配置在ABB Drive Composer 中完成，Drive Composer 是支持ABB 通用架構(gòu)變頻器的一款啟動和維護(hù)工具。該工具用于查看和設(shè)置變頻器參數(shù)，并對設(shè)備性能進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)試,集成參數(shù)設(shè)置，波形拍攝等實(shí)用功能。

在51 組參數(shù)設(shè)置變頻器通訊參數(shù)。

51.1 設(shè)置為ETH Pwrlink，表示為主PLC 與變頻器之間的通訊協(xié)議powerlink；

51.2 設(shè)置為基于ABB Drivers 驅(qū)動協(xié)議；

51.3 設(shè)置地址，與貝加萊硬件配置站點(diǎn)對應(yīng)，該項(xiàng)目地址設(shè)置為2；

51.4 設(shè)置為99；

51.5，51.6 設(shè)置為MIDX，代表通訊介質(zhì)是雙絞以太網(wǎng)線；

51.31 通訊狀態(tài)顯示為online，即變頻器與貝加萊主PLC 通訊完成（見圖9）。

圖9 ABBACS880 變頻器通訊參數(shù)設(shè)置

回轉(zhuǎn)變頻機(jī)的固件基于N5050 起重機(jī)宏，該固件可以通過PowerLink 通訊協(xié)議實(shí)時(shí)修改變頻器的加減速時(shí)間，該參數(shù)在23.201，23.202 中實(shí)現(xiàn)(見圖10)。

圖10 ABB 加減速時(shí)間參數(shù)設(shè)置

相應(yīng)的在貝加萊AS 軟件中對應(yīng)配置ABB ACS880變頻器中所應(yīng)用的參數(shù)通道，與變頻器實(shí)現(xiàn)參數(shù)交換（見圖11）。

貝加萊AS 軟件中配置ABB ACS880 變頻器硬件和參數(shù)，ABB 變頻器屬于第三方設(shè)備，在ABB 官網(wǎng)上可以下載配置文件，進(jìn)行配置，并選用需要參數(shù)的通道，使貝加萊與ABB 變頻器之間建立通訊連接(見圖12)。

圖12 貝加萊AS 硬件配置

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

本文介紹的回轉(zhuǎn)起重機(jī)防搖功能有別于傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)起重機(jī)防搖功能，其系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

1）成本低 傳統(tǒng)防搖系統(tǒng)需要添加攝像頭、反射板、角度傳感器等價(jià)格高昂的硬件設(shè)備，采購成本及維護(hù)成本較高，本系統(tǒng)防搖無需增加硬件設(shè)備，通過軟件實(shí)現(xiàn)防搖功能。

2）改造周期短 對于舊設(shè)備的防搖改造，改造周期是用戶非常關(guān)心的問題，在幾乎24 h 作業(yè)的碼頭設(shè)備上進(jìn)行改造，越短的改造周期可以最大程度減少碼頭的停工時(shí)間，本系統(tǒng)由于無硬件增加，大大降低了改造時(shí)間。

3）標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)理念 本系統(tǒng)程序編寫采用FCB 功能塊封裝，邏輯清晰，用戶只需在輸入端添加相應(yīng)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)防搖功能，該功能塊即插即用，適用于各類回轉(zhuǎn)起重機(jī)，因?yàn)闆]有硬件的添加，只需要在原有程序上添加開發(fā)的擺動周期功能塊以及兩段防搖功能塊即可實(shí)現(xiàn)防搖功能，低成本，綠色環(huán)保的特性讓該防搖功能具有很大的推廣價(jià)值。

4）應(yīng)用范圍廣 目前該功能已在門座起重機(jī)和移動式回轉(zhuǎn)起重機(jī)上得到實(shí)驗(yàn)，效果良好，完全可以應(yīng)用到其他回轉(zhuǎn)起重機(jī)中。

5 總結(jié)

本文對回轉(zhuǎn)起重機(jī)設(shè)備中的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)載進(jìn)行研究。首先通過數(shù)學(xué)建模建立回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型。通過仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)防搖控制效果通過單段加速及兩段加速進(jìn)行驗(yàn)證。得到兩段可以很好地縮短回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)擺動周期，將兩段防搖加速作為防搖功能的理論依據(jù)，并對其進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

理論驗(yàn)證之后，搭建基于貝加萊主控制器以及ABB ACS880 變頻器作為控制核心的控制系統(tǒng)，配合貝加萊6PPT50 系列上位機(jī)，通過工業(yè)以太網(wǎng)PowerLink組網(wǎng)通訊。通訊采用貝加萊PLC+遠(yuǎn)程IO 的方式，遠(yuǎn)程IO 和變頻器系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行通訊。

起重機(jī)的管理系統(tǒng)（CMS）能夠記錄和提示報(bào)警信息，參數(shù)設(shè)定，顯示起重機(jī)運(yùn)行的參數(shù)，并且能夠記錄起重機(jī)的操作記錄用以數(shù)據(jù)分析。

在不增加硬件設(shè)備即做到精準(zhǔn)防搖控制，該系統(tǒng)成功應(yīng)用到移動式回轉(zhuǎn)起重機(jī)，門座起重機(jī)等設(shè)備。該系統(tǒng)配置靈活，無外部安裝設(shè)備，維護(hù)方便，可運(yùn)用于不同的電控系統(tǒng)，應(yīng)用范圍廣泛。