□戴 煉

海工折臂式起重機(jī)是海工工程機(jī)械重要的起重機(jī)械，是人類探索海洋資源的重要工具。隨著我國(guó)對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)力度逐漸加大，海洋工程機(jī)械也變得炙手可熱，但我國(guó)深海工程機(jī)械和國(guó)際先進(jìn)水平的生產(chǎn)工藝還有一定的差距。海工折臂吊鉤高度計(jì)算是實(shí)現(xiàn)海工吊波浪補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，是實(shí)時(shí)監(jiān)控海工起重機(jī)作業(yè)的重要參數(shù);海工折臂式起重機(jī)臂長(zhǎng)的伸展半徑關(guān)乎起重機(jī)最大負(fù)載重量的直接參數(shù)［1］。如何準(zhǔn)確地檢測(cè)計(jì)算折臂式起重機(jī)吊鉤高度以及起重機(jī)臂長(zhǎng)伸出半徑就顯得尤為重要。本文根據(jù)折臂式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仿真折臂式起重機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)絕對(duì)值編碼器檢測(cè)起重機(jī)臂伸張角度，建立吊鉤運(yùn)動(dòng)軌跡模型，從而實(shí)現(xiàn)折臂式起重機(jī)吊鉤端高度以及起重機(jī)臂頂點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)折臂式起重機(jī)吊鉤高度測(cè)量及起重機(jī)臂端測(cè)量，折臂式起重機(jī)的主臂和副臂上采用單圈絕對(duì)值編碼器檢測(cè)主臂及副臂伸張角度，從而得出起重機(jī)臂伸出半徑;使用多圈編碼器測(cè)量主絞車編碼器伸縮鋼絲繩吊鉤的位置［2］，通過(guò)PLC 的處理器計(jì)算吊鉤位置與臂端頂點(diǎn)垂直方向的位移偏差量之和。

一、折臂式起重機(jī)吊鉤測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

從折臂式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，主要?jiǎng)澐譃榛?、塔身、絞車、主臂以及副臂，電氣檢測(cè)元件也主要根據(jù)這些機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行安裝，圖1 是電氣檢測(cè)元件及PLC 安裝分布圖。圖1 種主要電氣元件的功能如下:絞車編碼器——檢測(cè)絞車卷?yè)P(yáng)伸縮鋼絲的長(zhǎng)度。主臂編碼器——檢測(cè)主臂仰俯的角度。副臂編碼器——檢測(cè)副臂仰俯的角度。PLC 編程控制器——收集各傳感裝置信號(hào)，并根據(jù)程序內(nèi)折臂式起重機(jī)模型處理各傳感器數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出吊鉤的位置值。中央監(jiān)控顯示單元——接收PLC 處理數(shù)據(jù)，并將其顯示在界面上便于駕駛?cè)藛T觀察。

圖1 折臂式起重機(jī)高度及臂長(zhǎng)半徑檢測(cè)系統(tǒng)元件示意圖

二、折臂式起重機(jī)的數(shù)學(xué)模型

如圖2 所示，以O(shè) 點(diǎn)(基座原點(diǎn))水平面作為0 米面，P 點(diǎn)為主臂與塔身銜接點(diǎn)，α 為主臂與水平方向的夾角。β 為主臂與副臂之間的夾角，主臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，副臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，主臂頂端M到絞車P 點(diǎn)的垂直距離為S1，主臂頂端M 到副臂頂點(diǎn)N 的垂直距離為S2，h1 為基座原點(diǎn)O 點(diǎn)到P 點(diǎn)水平面的距離，h1 為基座高度與塔身高度之和。

在此數(shù)學(xué)模型中，N 點(diǎn)到0 米水平線的距離H 即為折臂式起重機(jī)副臂頂端的高度。

則—(1)

其中:

—(2)

在式(2)中，0≤α ＜90。

—(3)

式(3)0 ＜＜180°。

由式(2)和(3)中可以看出在此模型中，只需求得角度α 和角度β，就可以得出此模型中折臂式起重機(jī)副臂頂點(diǎn)N 距離0米面的高度。在折臂式起重機(jī)初始狀態(tài)下，即主臂位于水平方向，主臂與水平方向的夾角α 等于0°，主副臂處于合攏狀態(tài)，此時(shí)主副臂之間的夾角β 為最小值βmin，由公式(1)，(2)，(3)可求得折臂式起重機(jī)副臂頂端的初始高度值為:

—(4)

折臂式起重機(jī)副臂頂端在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的差值:

—(5)

同樣在此模型中，認(rèn)為敷設(shè)在主臂上及副臂上的鋼絲繩長(zhǎng)度不會(huì)改變，絞車鋼絲繩伸出的長(zhǎng)度為L(zhǎng)winch，在折臂式起重機(jī)初始狀態(tài)下，標(biāo)定絞車鋼絲繩伸出長(zhǎng)度到達(dá)0 米基準(zhǔn)線的值為0，吊鉤從0 米基準(zhǔn)面上升時(shí)編碼器值增加，Lwinch ＞0;吊鉤從0 米基準(zhǔn)面下降時(shí)，Lwinch ＜0。如圖3 所示。

圖2 折臂式起重機(jī)副臂頂端高度分析

圖3 折臂式起重機(jī)初始狀態(tài)下絞車鋼絲繩長(zhǎng)度標(biāo)定

折臂式起重機(jī)吊鉤高度Hhook 等于絞車鋼絲繩長(zhǎng)度Lwinch 與折臂起重機(jī)副臂頂端高度差值H△標(biāo)量之和，即:

—(6)

由此模型可求得折臂式起重機(jī)吊鉤實(shí)時(shí)高度值Hhook。

由圖2 同樣可以計(jì)算出臂長(zhǎng)伸出半徑R(折臂式起重頂點(diǎn)N 到起重機(jī)塔身中心線OP 的距離)為:

—(7)

其中式(7)中，0≤α ＜90，0 ＜＜180°。

三、控制器程序設(shè)計(jì)

折臂式起重機(jī)整體的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，折臂式起重機(jī)電氣系統(tǒng)內(nèi)部所使用的傳感器類型包括:溫度傳感器、壓力傳感器、離散量傳感器等，且?guī)в蟹植际竭h(yuǎn)程I/0 站點(diǎn)。根據(jù)以上特征折臂式起重控制器選用西門子STEP7 -300 系列，含有標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP 協(xié)議的PLC。主臂及副臂測(cè)量角度裝置均選用單圈絕對(duì)值編碼器，帶有Profibus -DP 接口。測(cè)量絞車鋼絲繩伸縮長(zhǎng)度的裝置選用多圈編碼器，帶有Profibus-DP 接口。

如圖4 折臂式起重機(jī)高度計(jì)算程序流程圖所示，PLC 啟動(dòng)后，絞車及主副臂編碼器開(kāi)始檢測(cè)，由編碼器脈沖分別得到絞車鋼絲繩伸縮長(zhǎng)度Lwinch，及主副臂仰俯角度α 和β，通過(guò)主副臂頂點(diǎn)高度位移差計(jì)算出副臂頂端距離0 米面的高度H，并計(jì)算出當(dāng)前副臂頂端高度與副臂頂端初始高度的偏差值H△，此時(shí)吊鉤的高度Hhook 等于絞車鋼絲繩伸縮長(zhǎng)度Lwinch 與副臂頂端高度偏差值H△之和。注:在此計(jì)算過(guò)程中，絞車鋼絲繩長(zhǎng)度所選的標(biāo)定面與副臂頂端的0 米面高度一致;且絞車鋼絲繩長(zhǎng)度的標(biāo)量方向與副臂頂端的高度偏差值一致。

由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境惡劣、電氣管線布局不合理、通訊電纜使用老化等問(wèn)題，都會(huì)造成通訊網(wǎng)絡(luò)干擾的現(xiàn)象，這些因素將嚴(yán)重影響折臂式起重機(jī)上的高度實(shí)時(shí)更新，以及波浪補(bǔ)償位移的補(bǔ)償精度，甚至可能引起起重機(jī)嚴(yán)重超載事故。因此有必要在程序中做一個(gè)中斷程序保證起重機(jī)通訊的連續(xù)性。在此我們調(diào)用西門子SFC51 模塊診斷各子站的通訊狀態(tài)［3］;對(duì)于子站和機(jī)架組態(tài)的編程，在設(shè)計(jì)編程中可調(diào)用OB86 或者調(diào)用FB125 塊，此處編程只作參考。

首先，在S7 -300 的主程序OB1 中調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC51，并插入數(shù)據(jù)儲(chǔ)存區(qū)DP51、DP61，SFC51 提供了豐富的功能，可以用來(lái)讀取CPU 的指示燈狀態(tài)，Profibus DP 從站，CPU 硬件的序列號(hào)、存儲(chǔ)卡序列號(hào)等等功能，此功能塊設(shè)計(jì)旨在讀取子站的狀態(tài)，監(jiān)控PLC 讀取數(shù)據(jù)是否正常，選擇使能信號(hào)激活REQ，并用十六進(jìn)制寫(xiě)入通訊協(xié)議代碼，在DP61 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存塊中，最終反映了各子站的連接狀態(tài)，讀取DP61 的狀態(tài)可判斷當(dāng)前子站的通斷情況。程序的調(diào)用功能見(jiàn)圖4。

圖4 Profibus 子站診斷

四、應(yīng)用效果

該測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn):一是該系統(tǒng)仿真折臂式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所有參數(shù)基本成線性特征，傳感器采集數(shù)據(jù)成連續(xù)性，較激光測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距等傳感器適用范圍更為廣泛，測(cè)試數(shù)據(jù)更接近真實(shí)性。二是該系統(tǒng)主副臂角度測(cè)量編碼器采用了冗余設(shè)計(jì)，保證角度測(cè)量準(zhǔn)確性，防止單個(gè)編碼器采集數(shù)據(jù)失真而造成的測(cè)量不準(zhǔn)確。目前，此套測(cè)量系統(tǒng)在折臂式起重機(jī)上應(yīng)用良好，部分產(chǎn)品已交付客戶使用。

五、結(jié)語(yǔ)

由此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不難看出，無(wú)論是海工單臂式起重機(jī)，還是折臂式起重機(jī)，該系統(tǒng)都能很好地對(duì)吊鉤進(jìn)行測(cè)量，并可以在門座式起重機(jī)進(jìn)行推廣，提高駕駛?cè)藛T對(duì)吊鉤的監(jiān)控，保證操作安全性，提高起重機(jī)械作業(yè)效率。

［1］J?rg Neupert，Tobias Mahl，Bertrand Haessig，Oliver Sawodny，Klaus Schneider． A Heave Compensation Approach for Offshore Cranes［J］．American Control Conference Westin Seattle Hotel，Seattle，Washington，USA，2008，6(11 ～13):538

［2］Rainbow - cargotec． Technical Description of control system of offshore［Z］．2014，7

［3］廖常初．西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:235 ～236