王吉明（西門子工廠自動化工程有限公司，上海 200030）

1 引言

隨著我國船舶工業(yè)的迅速發(fā)展，造船業(yè)市場呈現(xiàn)興旺勢頭，所建船舶的噸位越來越大，各地船廠也大都由船臺造船向船塢造船發(fā)展，船塢的主要配置設(shè)備——大型造船廠龍門起重機的需求也快速增長，起重機的提升能力從600噸增加到1200噸甚至1800噸，跨度也從170米增大到239米。造船龍門起重機由于跨度長、起升高度高等特點，大車兩側(cè)的剛腿和柔腿運行一段時間后，會出現(xiàn)行走速度和行走距離不同、大車軌道高低、平行偏差和車輪直徑的偏差、載荷分布不均引起運行阻力的不同、電動機轉(zhuǎn)速的偏差等情況，因此經(jīng)常會導致大車偏斜運行現(xiàn)象的發(fā)生。偏斜運行主要表現(xiàn)在剛性腿側(cè)大車與柔性腿側(cè)大車運行不一致使主體部分偏向大車一側(cè)，造成輪緣啃軌。一旦偏斜運行現(xiàn)象嚴重，起重機就會失去平衡，使之無法向前開動，同時將會導致造船龍門起重機的鋼結(jié)構(gòu)承受附加載荷而發(fā)生側(cè)翻等安全事故，給駕駛員的人身安全帶來一定的威脅，同時也給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失。因此，只有采用合理的技術(shù)手段，才能避免大車偏斜運行，保證造船龍門起重機安全穩(wěn)定的工作。

2 幾種常用糾偏措施

為了避免起重機大車在行進過程中偏斜運行導致啃軌現(xiàn)象的發(fā)生，通常采用糾偏技術(shù)，將大車在運行過程中，兩側(cè)偏斜量的值控制在一定的范圍內(nèi)。在現(xiàn)有的糾偏技術(shù)中，為了保持兩側(cè)大車運行速度和位置在造船龍門起重機運行過程中同步運行，采用的糾偏措施雖然不同，但其基本原理是一致的：將編碼器、感應(yīng)開關(guān)、限位開關(guān)或傳感器等采集到的信號，通過控制系統(tǒng)輸入到PLC中，進行自動糾偏或手動糾偏。下面是幾種常用的糾偏措施：

2.1 采用增量型編碼器

隨著變頻驅(qū)動技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速控制廣泛應(yīng)用于造船龍門起重機的大車運行，在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車對應(yīng)的電動機上設(shè)置增量型編碼器，測量與比較兩側(cè)的實際速度，當這兩臺電動機平均轉(zhuǎn)速相差一定數(shù)值時，根據(jù)編碼器輸入PLC的脈沖數(shù)量進行糾偏。

2.2 采用絕對值編碼器

檢測輪安裝在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車上，在檢測輪上安裝絕對值編碼器（也可以將編碼器安裝在無輪緣的被動車輪上），編碼器的轉(zhuǎn)數(shù)輸入到PLC中，比較剛腿側(cè)大車和柔腿側(cè)大車實際位置位移量進行糾偏。

2.3 采用磁感應(yīng)開關(guān)和磁塊硬件校驗

平行安裝一些感應(yīng)磁塊在剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車軌道旁，兩側(cè)的大車上各安裝一套磁感應(yīng)開關(guān)，通過電控系統(tǒng)測量出剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的磁感應(yīng)開關(guān)動作的先后，并輸入到PLC中進行糾偏。

2.4 采用位移傳感器或限位開關(guān)

當剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的大車偏斜運行時，主梁與柔性腿的夾角將發(fā)生改變。將位移傳感器或限位開關(guān)安裝在柔性腿頂部，通過傳感器或限位開關(guān)輸出的信號進行糾偏。

3 大車糾偏控制系統(tǒng)功能設(shè)計

造船龍門起重機的大車跨距(大車剛腿與柔腿之間的距離)一般在200米左右，跨距非常大。大車的剛腿與主梁是剛性聯(lián)結(jié)，柔腿與主梁的聯(lián)結(jié)可以有小范圍的旋轉(zhuǎn)，以保證大車運行時如有偏差不會導致鋼結(jié)構(gòu)受到擠壓而損壞。但大車高速行走時剛腿與柔腿之間的位置偏差不能超過1米，如果超過好幾米，柔腿將被扭斷，整臺龍門起重機將倒塌，從而發(fā)生安全事故。

大車的糾偏有2種方式：

自動糾偏：在PLC程序里通過位置環(huán)控制，自動實現(xiàn)，是正常運行時的糾偏模式；

手動糾偏：通過單邊動作（只低速移動剛腿或柔腿）來糾正偏離，非正常狀態(tài)時使用。

3.1 位置檢測和位置閉環(huán)控制

3.1.1 位置檢測

從功能上來看，PLC獲取的位置值是否精確是位置控制能否達到要求的關(guān)鍵因素，因為位置值是通過傳感器測量，位置環(huán)控制都是在PLC程序里面實現(xiàn)，而PLC程序出錯的概率非常低，因此大車位置的測量非常重要。

為了確保測量的位置值準確反映大車的位置值，在PLC程序中采用2種方法同時計算位置值：

（1）絕對值編碼器

分別在大車剛腿、大車柔腿安裝絕對值編碼器，方便剛腿側(cè)和柔腿側(cè)位置值的測量。

（2）高速計數(shù)模塊

高速計數(shù)模塊 FM450-1/FM350-1接收大車剛性腿和柔性腿電機的脈沖（增量）編碼器信號，通過高速計數(shù)模塊計算脈沖編碼器的脈沖數(shù)，來計算各自的位置。其原理是：電動機每旋轉(zhuǎn)一圈，對應(yīng)機構(gòu)的移動距離是固定的，而電機轉(zhuǎn)一圈，脈沖編碼器發(fā)出1024個脈沖，這樣每個脈沖就對應(yīng)于一個固定的機構(gòu)移動距離。

在PLC程序中對以上2種方法測量的位置值進行比較，如沒有偏差，則位置計算正確；如有偏差，則位置測量有誤，不允許大車同步操作。

同時為了進一步確保位置值的精確，還設(shè)計了位置限位開關(guān)對位置值進行設(shè)置和檢測，具體為：

在大車軌道旁邊每隔25米安裝一塊磁鐵，大車鋼結(jié)構(gòu)上相應(yīng)位置安裝一塊磁力開關(guān)。調(diào)試時先將這些磁力開關(guān)觸發(fā)時當前大車的位置值記錄在rPOS_X中（X表示第幾個開關(guān)），運行時當大車通過這些時，將PLC程序計算的位置值POS與rPOS_X 相比較：POS - rPOS_X = Pdif

當 Pdif < 1000mm ，將偏差Pdif 補償?shù)絇OS

當 Pdif ≥ 1000mm，大車停止，進行低速單邊動作（只移動剛腿或柔腿），手動糾偏，將位置偏差消除，然后才能繼續(xù)行走大車。這樣大車每行走25米，位置值以及偏差可以校正一次，從而保證大車兩側(cè)行走一致。

標準程序功能塊如下：

通過上面的2種測量方法和一種檢測方法，獲取的位置值非常精確，保證同步操作的準確和安全。圖1所示為位置檢測過程的程序框圖。

3.1.2 位置環(huán)閉環(huán)控制

大車剛腿和柔腿在同步操作時位置偏差的允許范圍是：剛腿和柔腿車之間< 1000 mm。如果位置偏差太大，將導致柔腿的扭斷從而使整個起重機倒塌。

圖1 位置檢測的程序框圖

為了達到位置同步，需要增加位置控制。在速度環(huán)之外增加一個位置閉環(huán)控制，即大車柔腿有三個閉環(huán)控制：驅(qū)動器里面的電流環(huán)和速度閉環(huán)控制，PLC程序的位置環(huán)閉環(huán)控制，具體為：

（1）計算運行前大車剛腿和大車柔腿的位置偏差值ΔS。

（2）以大車剛腿為主，大車柔腿為從，組成主從控制，大車剛腿只有電流環(huán)和速度環(huán)閉環(huán)控制，大車柔腿速度閉環(huán)外還有位置環(huán)控制。

（3）當運行時，將同樣大小的速度給定Vset發(fā)送給大車剛腿和大車柔腿，大車剛腿以這個速度給定運行，大車柔腿側(cè)的速度給定是（Vset+Vadd）。

（4）在運行過程中計算大車剛腿和大車柔腿的位置偏差值ΔS1。

（5）運行過程中計算Vadd= F*（ΔS1-ΔS），即運行中位置偏差值折算成一個附加速度給定值給大車柔腿，使大車柔腿和大車剛腿之間沒有相對運動，動態(tài)調(diào)節(jié)位置偏差，達到ΔS1=ΔS。

（6）系數(shù)F的取值：根據(jù)經(jīng)驗值，大車柔腿取0.85，為經(jīng)驗值，根據(jù)響應(yīng)速度適當調(diào)整 。

（7）F和Vadd 需要在現(xiàn)場調(diào)試時取一個合適的值，即不要太靈敏也不要太遲鈍；即運行過程位置偏差在允許范圍內(nèi)，同時從動機構(gòu)的運行速度不要頻繁大范圍波動。

（8）從動機構(gòu)的故障和停止信號對主從都起作用，確保同時運行或停止。

圖2所示為位置閉環(huán)控制的程序框圖。

圖2 位置閉環(huán)控制的程序框圖

3.2 機械限位保護

在柔腿和主梁聯(lián)結(jié)處安裝位置偏離限位開關(guān)共6個，做硬件偏差保護；限位開關(guān)動作順序如下：

（1）前偏離急停：柔腿往前偏離>1000mm，大車停止，必須手動糾偏。

（2）前偏離停止：柔腿往前偏離>500mm，大車停止，必須手動糾偏。

（3）前偏離減速：柔腿往前偏離>300mm，大車只能低速運行，可以自動糾偏。

（4）后偏離急停：柔腿往后偏離>1000mm，大車停止，必須手動糾偏。

（5）后偏離停止：柔腿往后偏離>500mm，大車停止，必須手動糾偏。

（6）后偏離減速：柔腿往后偏離>300mm，大車只能低速運行，可以自動糾偏。

限位開關(guān)的設(shè)置與PLC程序一起，達到硬件和軟件的雙重保護，確保安全。

3.3 糾偏控制程序

大車糾偏控制的程序框圖如圖3所示：

其中，大車運行速度給定VRef，剛腿速度VF=VRef，柔腿速度VFL=VRef+Vadd

4 結(jié)語

大車糾偏控制系統(tǒng)的應(yīng)用對龍門起重機的安全運行具有至關(guān)重要的作用，一旦大車行走出現(xiàn)偏差則會引起嚴重后果。該系統(tǒng)已經(jīng)在廣州龍穴造船有限公司2臺600噸/200米和2臺600噸/176米大型造船龍門起重機項目中得到實際應(yīng)用，大車以40m/min的速度運行時剛腿和柔腿的位置偏差在250mm以內(nèi)，即大車糾偏功能良好，目前4臺設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

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