基于GPS系統(tǒng)的移動(dòng)單機(jī)走行編碼器自動(dòng)校正方法

齊凱軒

神華黃驊港務(wù)公司 河北滄州 061113

黃驊港堆場(chǎng)區(qū)域移動(dòng)單機(jī)采用集控操作、自動(dòng)控制模式，自動(dòng)程度的提高對(duì)單機(jī)實(shí)時(shí)位置的準(zhǔn)確性要求特別高，本文針對(duì)目前設(shè)備現(xiàn)狀提出了可靠的、簡(jiǎn)易的、極具推廣價(jià)值的方案。

1 黃驊港堆場(chǎng)現(xiàn)狀及其問(wèn)題描述

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷推廣完善，目前國(guó)家能源集團(tuán)黃驊港港務(wù)公司已實(shí)現(xiàn)堆場(chǎng)區(qū)域集控操作、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化的階段性成果。為確保生產(chǎn)的安全可靠，實(shí)現(xiàn)作業(yè)的精細(xì)化管理，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)掌握移動(dòng)單機(jī)的各類(lèi)狀態(tài)信息尤為重要，其中移動(dòng)單機(jī)的位置信息是避免臨近單機(jī)發(fā)生碰撞、避免貨運(yùn)事故的重要保障也是自動(dòng)化作業(yè)準(zhǔn)確運(yùn)行的基本條件。目前堆場(chǎng)單機(jī)基于GPS建立統(tǒng)一的模型管理系統(tǒng)，所有設(shè)備在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)單機(jī)的位置確認(rèn)。隨著近幾年的運(yùn)行，其中隱藏的問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)，對(duì)自動(dòng)化作業(yè)產(chǎn)生一定影響：編碼器數(shù)據(jù)由于依賴(lài)性降低，對(duì)編碼器數(shù)據(jù)的維護(hù)不到位，在GPS數(shù)據(jù)不可靠的情況下，編碼器數(shù)值不夠準(zhǔn)確，影響自動(dòng)作業(yè)。

（1）GPS信號(hào)采集及使用中存在的問(wèn)題。GPS基本的定位原理是衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶(hù)接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。每一顆衛(wèi)星連續(xù)不斷地向GPS接收機(jī)發(fā)送可跟蹤的唯一編碼序列，GPS接收機(jī)可根據(jù)編碼辨認(rèn)相關(guān)的衛(wèi)星，進(jìn)而計(jì)算出接收機(jī)的確切位置和準(zhǔn)確時(shí)間[1]。

為建立統(tǒng)一坐標(biāo)，在黃驊港堆場(chǎng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，采用的是相對(duì)坐標(biāo)：采用基站、移動(dòng)站通訊，通過(guò)計(jì)算獲取用戶(hù)所需的坐標(biāo)值。其基本原理如下：選擇合適地點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，并在該位置安裝一臺(tái)GPS天線接收器，不間斷地進(jìn)行觀測(cè)接收器接收范圍內(nèi)的所有GPS衛(wèi)星，并通過(guò)相應(yīng)的通訊設(shè)備將其數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送給各個(gè)移動(dòng)站。各移動(dòng)站的GPS天線接收器同樣的掃描和接收各GPS衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)有效的通訊接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)計(jì)算，建立統(tǒng)一的相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)，各移動(dòng)站的位置則實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)。

GPS通訊由天線接收器、無(wú)線電臺(tái)、雙天線平板電腦、串口服務(wù)器以及相應(yīng)通訊線纜組成。通過(guò)近幾年的連續(xù)工作，目前整體運(yùn)行穩(wěn)定，但出現(xiàn)問(wèn)題后由于故障點(diǎn)不好排查，往往造成較長(zhǎng)時(shí)間的故障停機(jī)，對(duì)生產(chǎn)造成一定的影響，其中各移動(dòng)站故障事件較為突出：

（2）隨著自動(dòng)化程度的逐步推進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附屬產(chǎn)品越來(lái)越多，天線接收器接收的高頻信號(hào)有時(shí)會(huì)包含其他誤信號(hào)，對(duì)GPS的精度產(chǎn)生影響。

（3）設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的工作環(huán)境并不理想。比如說(shuō)，目前移動(dòng)站單機(jī)由于軌道不平等一系列原因，各單機(jī)移動(dòng)時(shí)會(huì)有不同程度的震動(dòng)現(xiàn)象，GPS系統(tǒng)電器件較多，各接口偶爾出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致GPS信號(hào)錯(cuò)誤。

（4）其它未知原因造成的串口服務(wù)器死機(jī)或者GPS數(shù)據(jù)變慢情況時(shí)有發(fā)生。

當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，為保證移動(dòng)單機(jī)能正常工作而不影響生產(chǎn)效率，則需要將準(zhǔn)確的編碼器數(shù)值進(jìn)行調(diào)用，以保證移動(dòng)單機(jī)不受GPS問(wèn)題的影響。

2 行走編碼器及使用中存在的問(wèn)題

絕對(duì)值編碼器的位置確定唯一的輸出數(shù)值。編碼器的輸出值與位置的起始點(diǎn)和終點(diǎn)有關(guān)，而與中間的測(cè)量過(guò)程沒(méi)有關(guān)系：在一圈里，每個(gè)編碼器的輸出數(shù)值對(duì)應(yīng)唯一的數(shù)字代碼，編碼器的每一個(gè)數(shù)字代碼對(duì)應(yīng)的編碼器位置也是唯一的。絕對(duì)值編碼器按照使用量程一般又包括單圈編碼器和多圈編碼器。多圈絕對(duì)值編碼器生產(chǎn)制作方法是基于單圈絕對(duì)值編碼器的：根據(jù)鐘表齒輪機(jī)械的原理，當(dāng)中心碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)另一組碼盤(pán)（或多組齒輪，多組碼盤(pán)），由此生產(chǎn)廠家利用此方法巧妙的在單圈編碼的基礎(chǔ)上再增加適當(dāng)圈數(shù)的編碼，以擴(kuò)大編碼器的測(cè)量范圍，這樣的絕對(duì)值編碼器就稱(chēng)為多圈絕對(duì)值編碼器，它同樣是由機(jī)械位置確定編碼，每個(gè)位置編碼唯一不重復(fù)，從而每一個(gè)輸出值都是唯一的，由于數(shù)值由機(jī)械位置確定所以不會(huì)發(fā)生因?yàn)閿嚯姰a(chǎn)生丟失數(shù)據(jù)的情況。多圈編碼器另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于測(cè)量范圍大，實(shí)際使用往往富裕較多，這樣在安裝時(shí)不必要費(fèi)勁找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)就可以了，而大大簡(jiǎn)化了安裝調(diào)試難度[2]。

黃驊港移動(dòng)單機(jī)行走距離較長(zhǎng)，多采用多圈絕對(duì)值編碼器。根據(jù)編碼器通訊方式選擇對(duì)應(yīng)的模塊進(jìn)行連接通訊獲取編碼器初始值，并通過(guò)相應(yīng)運(yùn)算，計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的使用過(guò)程中，編碼器壽命可達(dá)10年以上，出色的使用年限是保證編碼器可靠的必要條件。但是由于編碼器安裝在行走輪的從動(dòng)輪上面，由于從動(dòng)輪偶爾會(huì)出現(xiàn)受力不均的情況，從動(dòng)輪有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)多轉(zhuǎn)或者少轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)致編碼器出現(xiàn)不同程度的偏差，需要進(jìn)行校正。以往情況是在行走軌道上，布置用于觸發(fā)校正的開(kāi)關(guān)，當(dāng)單機(jī)移動(dòng)至該位置并觸發(fā)此開(kāi)關(guān)后進(jìn)行校正，其缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)：

（1）單機(jī)行走過(guò)程中通過(guò)觸發(fā)預(yù)定位置的校正開(kāi)關(guān)來(lái)校正編碼器數(shù)值，由于行走速度、開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間以及程序運(yùn)算的影響，校正后的位置不夠準(zhǔn)確，往往存在半米左右甚至更高的誤差，即便PLC運(yùn)算中各主管人員添加校正偏差，由于每一次的工況都不盡相同，其結(jié)果也不大理想，偏差一直存在。

（2）開(kāi)關(guān)存在誤觸發(fā)情況，導(dǎo)致編碼器位置錯(cuò)誤。

（3）開(kāi)關(guān)數(shù)量多，線路較長(zhǎng)，損壞后恢復(fù)不易。

編碼器的優(yōu)點(diǎn)以及校正存在的客觀問(wèn)題，使得港口機(jī)械對(duì)于編碼器可以說(shuō)是又愛(ài)又恨，既舍不得丟掉，又擔(dān)心校正問(wèn)題出現(xiàn)偏差。

本論文所提供的方法將解決以上問(wèn)題，確保編碼器數(shù)值真實(shí)有效。GPS信號(hào)作業(yè)移動(dòng)單機(jī)行走的常規(guī)數(shù)據(jù)來(lái)源，當(dāng)出現(xiàn)GPS信號(hào)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)PLC控制器用編碼器數(shù)據(jù)替代GPS數(shù)據(jù)參與移動(dòng)單機(jī)的自動(dòng)、手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)值間的無(wú)間斷投切。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)由編碼器、GPS系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的各硬件設(shè)備組成，無(wú)需額外添加其他設(shè)備，甚至于一定程度上可以精簡(jiǎn)其他不必要的檢測(cè)裝置，例如布置在單機(jī)及其行走軌道上的各校正開(kāi)關(guān)等等。本文設(shè)計(jì)利用GPS系統(tǒng)，在GPS信號(hào)正常情況下，通過(guò)計(jì)算偏差值來(lái)校正行走編碼器，使移動(dòng)單機(jī)能夠在GPS信號(hào)異常情況下能自動(dòng)投切到編碼器數(shù)值并保持與原有GPS坐標(biāo)的一致性，從而保證移動(dòng)單機(jī)能不間斷作業(yè)，減少甚至避免因此造成的故障停機(jī)，提高移動(dòng)單機(jī)的作業(yè)效率。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

編碼器基于GPS數(shù)值校正程序設(shè)計(jì)思路分為兩種方法，均基于GPS信號(hào)正常的情況下。第一種是每月定期校正：當(dāng)行走命令消失60秒后，在GPS信號(hào)（標(biāo)簽gIN_GPSSignalsValid_OK）正常的情況下，每月1日自動(dòng)計(jì)算一次GPS行走數(shù)值與行走編碼器數(shù)值的偏差，然后計(jì)算編碼器數(shù)值與該偏差值數(shù)值之和即為校正后的單機(jī)位置值。第二種是因其他情況出現(xiàn)較大誤差時(shí)的自動(dòng)校正：移動(dòng)單機(jī)行走結(jié)束一分鐘后計(jì)算GPS數(shù)值與編碼器數(shù)值的差值，差值的絕對(duì)值在1（可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以下數(shù)值相同）米以?xún)?nèi)不校正，1到5米之間自動(dòng)校正，校正的計(jì)算方法與第一種方法相同；大于5米或者每天自動(dòng)校正次數(shù)超過(guò)2次則不再觸發(fā)該校正程序，因?yàn)榘凑站幋a器的穩(wěn)定性來(lái)講，一般不會(huì)出現(xiàn)頻繁校正或者誤差值突然增大的情況，誤差都是較長(zhǎng)時(shí)間的累積疊加起來(lái)的，出現(xiàn)此種情況該段程序結(jié)束執(zhí)行，并通過(guò)HMI報(bào)警進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，提醒操作員以及技術(shù)人員及時(shí)查找原因并解決問(wèn)題，避免出現(xiàn)編碼器因長(zhǎng)時(shí)間不使用而不了解其工作狀態(tài)的情況。

以上校正方法，通過(guò)獲取靜止時(shí)候，GPS信號(hào)正常下的GPS行走數(shù)值來(lái)校正移動(dòng)單機(jī)編碼器，有效解決了GPS信號(hào)不準(zhǔn)的問(wèn)題以及常規(guī)情況下編碼器數(shù)值出現(xiàn)偏差的問(wèn)題。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證本方法的可行性，對(duì)1號(hào)堆取料機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)觀察對(duì)比，在GPS信號(hào)以及編碼器正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，通過(guò)觸發(fā)自動(dòng)校正程序，編碼器與GPS數(shù)值的差值始終維持在1米以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足黃驊港堆場(chǎng)單機(jī)自動(dòng)作業(yè)條件。

圖1 程序設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本論文基于現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備，并對(duì)編碼器校正環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)和完善，解決了造成編碼器校正不準(zhǔn)的問(wèn)題，減少了人工的干預(yù)程度，提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度。

經(jīng)測(cè)試本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)單機(jī)行走編碼器基于GPS的校正方案，很高的準(zhǔn)確性，能保證編碼器數(shù)值處于待命狀態(tài)，當(dāng)GPS信號(hào)異常時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行投切并投入使用，能有效避免因行走位置不準(zhǔn)確造成的故障停機(jī)，在保證移動(dòng)單機(jī)持續(xù)作業(yè)方面具有很高的推廣價(jià)值。