雙編碼器檢測在大跨度門式起重機(jī)糾偏上的應(yīng)用

管秀洋，程寶康，雒 通

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070）

影響大跨度門式起重機(jī)運(yùn)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(jī)的機(jī)械速度誤差、發(fā)電機(jī)速度誤差及各車輪承受的機(jī)械負(fù)荷差異等，均會(huì)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(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確指出：“跨度大于40 m的門式起重機(jī)應(yīng)配備偏位導(dǎo)向器或限位器，當(dāng)誤差超過設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)，可對(duì)運(yùn)動(dòng)偏位進(jìn)行調(diào)整和修正?！比绻\(yùn)動(dòng)偏差在設(shè)計(jì)規(guī)定的時(shí)間延遲內(nèi)或根本無法調(diào)整到正常值范圍，控制器需要自動(dòng)斷開監(jiān)控電路，以避免惡性事件。此時(shí)，如果設(shè)備想要順利工作，必須糾正2條腿的運(yùn)動(dòng)偏差。不同的校正方法會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，這就會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性與工作效率產(chǎn)生影響。本篇文章通過對(duì)1臺(tái)42 m跨距的單門式起重機(jī)進(jìn)行矯正實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比，得出了若干經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)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(shí)驗(yàn)裝置

本案例中使用的主要測試設(shè)備是山東單縣豐輝機(jī)械設(shè)備有限公司開發(fā)的mdg40/10t-a442龍門起重機(jī)。龍門起重機(jī)為管桁架結(jié)構(gòu)和模塊化結(jié)構(gòu)，其具有自重輕、抗風(fēng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單和能耗低等特點(diǎn)；目前已生產(chǎn)門式起重機(jī)200余臺(tái)，在世界同類起重設(shè)備中具有較強(qiáng)的市場競爭力，具有代表性。

龍門吊剛?cè)嵬葌?cè)的大車行走電機(jī)，由于其技術(shù)參數(shù)和啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間及轉(zhuǎn)速差異，導(dǎo)致龍門吊2側(cè)大車運(yùn)行相對(duì)位移不同，進(jìn)而致使大車行走輪啃軌、脫軌問題時(shí)常發(fā)生。因此，通常的處理措施是對(duì)輪緣進(jìn)行強(qiáng)同步，這種同步方式主要是利用輪緣上鋼軌產(chǎn)生的側(cè)向力來強(qiáng)制引導(dǎo)，這樣很容易造成輪緣損壞，而且在驅(qū)動(dòng)方向上的摩擦力也很大。在更嚴(yán)重的情況下，其還可能導(dǎo)致軌道斷裂。當(dāng)2臺(tái)電機(jī)由同1臺(tái)自動(dòng)變頻器操作時(shí)，如果移動(dòng)和停止方式相同，則無法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償偏置和消除缺點(diǎn)的控制。為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)補(bǔ)償缺點(diǎn)的功能，剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的電機(jī)必須同時(shí)配對(duì)，分別驅(qū)動(dòng)控制器。通過咨詢不同變頻器廠家，考慮可靠性、經(jīng)濟(jì)性和方便性，最終選擇了丹佛斯FC302系列變頻器，并在一臺(tái)變頻器上配置了MCO305可編程糾偏卡，實(shí)現(xiàn)了2種起重機(jī)腳的分離控制。此外，為了實(shí)時(shí)檢測和反饋起重機(jī)剛性腿側(cè)和柔性腿側(cè)的運(yùn)行情況，必須在2個(gè)從動(dòng)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(hào)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的監(jiān)控方法，可以更準(zhǔn)確地測量2個(gè)橫向腿的運(yùn)動(dòng)相對(duì)偏差，并利用誤差值實(shí)時(shí)調(diào)整柔性腿的運(yùn)動(dòng)速度，從而跟蹤剛性腿的運(yùn)動(dòng)速度，控制精度高。在達(dá)到最大偏差限值后，可終止裝置的正常運(yùn)行，或通過手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)糾偏和調(diào)整，使裝置重新回到同步運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 糾偏控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

裝置糾偏除去必須的軟、硬件功能以外，還要求有相應(yīng)的軟件系統(tǒng)支撐。以剛性腿側(cè)為依據(jù)，對(duì)柔性腿側(cè)的狀態(tài)進(jìn)行了調(diào)節(jié)，并對(duì)方向動(dòng)作和正反方向動(dòng)作分別進(jìn)行了編程數(shù)據(jù)處理。設(shè)計(jì)的最大偏差范圍為80 mm，當(dāng)誤差范圍小于40 mm時(shí)，裝置仍處在常規(guī)的狀態(tài)，可以繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；當(dāng)誤差大于40 mm、小于等于80 mm時(shí)，裝置發(fā)生了輕微彎曲，柔性腿側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按當(dāng)前速度的10%進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)誤差大于60 mm、小于等于80 mm時(shí)，裝置大幅度彎曲，柔性腿側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整為當(dāng)前速度的20%；當(dāng)測量誤差超過80 mm時(shí)，即超出了裝置容許變形的最大設(shè)定值，裝置立刻停機(jī)并發(fā)出了報(bào)警信號(hào)。

設(shè)置的剛性腿編碼器信號(hào)的采集值為a；柔性腿編碼器信號(hào)采集值為B；Z是2條腿采集的脈搏信號(hào)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(cè)電機(jī)的當(dāng)前出口速度為n，但調(diào)整后，出口速度仍為n，機(jī)組轉(zhuǎn)速單位為r/min。為實(shí)現(xiàn)糾偏功能，除上述基本部件如自動(dòng)電機(jī)變頻器、運(yùn)行總指揮及編碼設(shè)備外，還需安裝以下部件：3個(gè)導(dǎo)向交通信號(hào)指示燈，用作東西方向超差指示及正向和負(fù)向分別超差指示與正常指示；零誤差復(fù)位按鈕用于清除標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的誤差；手動(dòng)復(fù)位轉(zhuǎn)換開關(guān)，用于根據(jù)手動(dòng)控制模式糾正偏差。

1.3 系統(tǒng)功能測試

為進(jìn)一步了解該控制系統(tǒng)的能力和實(shí)際應(yīng)用的有效性，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：①使用清零信號(hào)控制功能，在2條軌道上選擇1個(gè)相對(duì)位置，并確定為2點(diǎn)對(duì)齊，并在該位置的雙龍門起重機(jī)上完成零偏差校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。②利用自動(dòng)補(bǔ)救的能力，通過對(duì)調(diào)整變頻器的MCO305解碼器卡進(jìn)行重新編程，調(diào)整r值后，經(jīng)過了反復(fù)的動(dòng)作實(shí)驗(yàn)，目前修復(fù)缺陷的能力已經(jīng)完成，沒有明顯的震動(dòng)感。③手動(dòng)補(bǔ)償控制功能下，當(dāng)偏差超過極限值時(shí)，系統(tǒng)將停止移動(dòng)。在這種情況下，應(yīng)用手動(dòng)補(bǔ)償控制時(shí)，首先使用手動(dòng)補(bǔ)償控制器，并同步執(zhí)行主命令。此時(shí)，剛性支腿停止移動(dòng)，制動(dòng)器打開，柔性支腿以5%的最大速度前進(jìn)（設(shè)定值）。當(dāng)偏差超過正常范圍時(shí)，柔性支腿自動(dòng)停止行駛，并通過手動(dòng)控制來進(jìn)行2側(cè)大車位移補(bǔ)償及消除偏差。經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)的自行、手動(dòng)補(bǔ)偏救弊性能比較穩(wěn)定，并取得了預(yù)期效果[3]。

因?yàn)樗^的補(bǔ)救措施是通過調(diào)整2側(cè)支腿的異步運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)支腿同時(shí)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，所以應(yīng)該避免過度校正。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮以下2個(gè)問題：①運(yùn)動(dòng)信息的精確測量。由于起重機(jī)軌道接頭誤差、啟動(dòng)和制動(dòng)沖擊等因素，需要進(jìn)行精確測量。②由于2個(gè)支腿各由2個(gè)電機(jī)驅(qū)使，所以當(dāng)1臺(tái)手動(dòng)電機(jī)由于事故中止運(yùn)行時(shí)，另1臺(tái)手動(dòng)電機(jī)也應(yīng)當(dāng)同步終止輸出運(yùn)動(dòng)，避免單腿電機(jī)運(yùn)行導(dǎo)致大型橋梁結(jié)構(gòu)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(jī)（以下簡稱龍門起重機(jī)）的正常工作時(shí)間會(huì)受到各種因素的影響，如不同的工作阻力、發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度、輪徑差、啃軌和車輪打滑速度，2支腿的前進(jìn)速度很快就會(huì)產(chǎn)生不一致的現(xiàn)象，導(dǎo)致單邊領(lǐng)先，即車輪的方向傾斜。這種偏斜使荷載中心偏離設(shè)計(jì)中心，嚴(yán)重時(shí)甚至使龍門起重機(jī)發(fā)生偏斜。因此，現(xiàn)代起重機(jī)的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一般規(guī)定，大跨度（大于40 m）的門式起重機(jī)應(yīng)設(shè)置行走和糾偏裝置，以指示、限制和調(diào)整門式起重機(jī)的偏差。

門式起重機(jī)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(gè)檢測輪，讀取剛腿與柔腿之間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(jié)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(diǎn)平行設(shè)置在剛性支腿和柔性支腿2端的走行軌旁，通過設(shè)置在剛性支腿和柔性支腿2端的接近開關(guān)的動(dòng)作，連續(xù)檢測2個(gè)支腿的偏轉(zhuǎn)[2]。

為了增加偏斜檢查的準(zhǔn)確性和設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般情況下，方法①是大跨度龍門起重機(jī)的主要檢測手段，即該方法用于控制和調(diào)整龍門起重機(jī)的偏移量；方法②是唯一的措施，即一旦方法①錯(cuò)誤或發(fā)生事故，其是角度限制或停機(jī)檢查的操作手段；方法③被用作驗(yàn)證和同步檢查的主要方法，這提高了方法①檢測的準(zhǔn)確性。因此，方法①通過檢測輪的數(shù)據(jù)檢測，使起重機(jī)系統(tǒng)能夠掌握剛性腿和柔性腿的實(shí)際情況，當(dāng)2個(gè)側(cè)角之間存在較大偏差時(shí)，系統(tǒng)可以通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的工作速度來調(diào)整龍門起重機(jī)的偏移量。當(dāng)最大傾斜度偏差超過跨度的1/3時(shí)，起重機(jī)手動(dòng)糾正偏差，司機(jī)通過偏差指示器手動(dòng)糾正偏差；當(dāng)最大傾斜偏移超過跨度的1/3時(shí)，偏移限制器將自動(dòng)斷開行駛監(jiān)控線，使吊車手動(dòng)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(shí)，數(shù)據(jù)的檢測值通常由于檢測輪的打滑而偏移。驅(qū)動(dòng)輪的原理是行走輪旋轉(zhuǎn)，但起重機(jī)不工作，這體現(xiàn)在行走輪的原始操作中。檢查輪打滑的原理是從動(dòng)輪被推出，因?yàn)槠鹬貦C(jī)已經(jīng)運(yùn)行了一定距離，但檢查輪無法運(yùn)行，被拖了一定距離。此時(shí)，盡管支腿仍然能夠正常移動(dòng)，但由于編碼設(shè)備的原因，無法傳輸有效數(shù)據(jù)。然而，由于檢測輪的打滑，檢測數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映支腿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響了糾偏動(dòng)作，有時(shí)甚至使糾偏動(dòng)作越來越偏頗。此外，由于尚未找到檢測輪的滑移概率和計(jì)算方法，如果在人員密集的區(qū)域觀察到龍門起重機(jī)的正常工作，則在3 m距離前后滑動(dòng)10 mm時(shí)，概率通常為1/300。這些數(shù)據(jù)是一個(gè)實(shí)際案例，但由于其與檢測輪的材質(zhì)、安裝方式以及組裝質(zhì)量等，都有著相當(dāng)大的關(guān)系。為了降低由于滑移所產(chǎn)生的影響，使起重機(jī)上部支腿的定位讀數(shù)更準(zhǔn)確地反映起重機(jī)的實(shí)際情況，需要在起重機(jī)定位時(shí)定期校正零點(diǎn)，如采用上述方法③，根據(jù)選定的位置標(biāo)記確定起重機(jī)的實(shí)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(diǎn)校正的實(shí)現(xiàn)，許多單位干脆放棄了對(duì)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(jī)的過度偏差。這種方法的潛在危險(xiǎn)是沒有其他安全保護(hù)，如果角度限制失敗，可能會(huì)導(dǎo)致重大事故[3]。

為了解決單個(gè)檢測輪打滑對(duì)糾偏的影響，提高檢測輪的檢測精度和讀數(shù)可靠性，還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙檢測輪（2個(gè)檢測輪同時(shí)布置在支腿1側(cè)工作）來檢測位移。雙檢查輪測量徹底改變了支腿單側(cè)同時(shí)使用1個(gè)檢測輪的傳統(tǒng)工作方式，在支腿的同1側(cè)設(shè)置2個(gè)檢查輪同時(shí)工作。在2個(gè)測試輪檢測到數(shù)據(jù)后，設(shè)置在2個(gè)編碼器上的數(shù)據(jù)處理器（可由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)）進(jìn)行簡單的比較操作，并選擇較大的值作為實(shí)際運(yùn)行位移的輸出值，輸出到上位機(jī)。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(duì)打滑的影響。

雖然雙重測試輪檢測不會(huì)降低單個(gè)測試輪打滑的概率，但2個(gè)輪同時(shí)發(fā)生打滑的概率會(huì)大大降低。假設(shè)單個(gè)檢測輪的打滑概率分別為Pa和Pb，則2個(gè)檢測輪同時(shí)打滑的概率為PAB=Pa×Pb。若檢測輪對(duì)打滑概率仍取前文所設(shè)的數(shù)值，則Pa=Pb=1/300，PAB=1/90 000。根據(jù)此計(jì)算，從過去每天1次的同步校準(zhǔn)到雙檢測車輪實(shí)驗(yàn)，每年只能進(jìn)行1次（按每年300個(gè)工作日計(jì)算），大大提高了實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 雙檢測輪檢測實(shí)施中的問題

在相同的解碼器特性下，檢測輪的直徑也會(huì)影響檢測精度。無論是絕對(duì)值解碼器還是增量編碼器，輸出數(shù)都是角度數(shù)，即解碼器每次旋轉(zhuǎn)后的總輸出脈沖數(shù)是1個(gè)固定值。將圓周的邊長與每個(gè)脈沖的數(shù)量相加后，可以得到每個(gè)脈沖的對(duì)應(yīng)值，以及運(yùn)動(dòng)間隔，然后計(jì)算s的數(shù)值。s是1個(gè)脈沖位置的相應(yīng)值運(yùn)動(dòng)間隔，D是檢測輪的直徑，P是每個(gè)解碼器產(chǎn)生的脈沖總數(shù)。如果D增加，s值也將增加，與每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)間隔也將增加，從而導(dǎo)致檢測精度降低。如果D=300 mm，P=2 400，s=0.39 mm，支腿2側(cè)實(shí)驗(yàn)輪直徑誤差的相對(duì)偏差會(huì)影響支腿2側(cè)的檢測輪。由于加工因素，其孔徑也會(huì)有一定的偏差。

4 雙檢測輪檢測的實(shí)現(xiàn)

4.1 采樣方式的確定

定時(shí)采樣法是指處理器在指定的時(shí)間內(nèi)從編碼器讀取數(shù)據(jù)，但該算法會(huì)在雙檢測輪測試中導(dǎo)致重新讀取。因?yàn)?個(gè)編碼器脈沖的方向不同步造成了時(shí)鐘移位現(xiàn)象，在定時(shí)采樣過程中會(huì)出現(xiàn)類似條紋干擾的現(xiàn)象。

在抽樣的第一階段中，解碼器A有2個(gè)脈沖出口，解碼器B有2個(gè)脈沖出口，因此根據(jù)規(guī)定，總脈沖出口為2；在第四個(gè)階段，編碼器B提供2個(gè)脈沖，而編碼器A只提供1個(gè)脈沖，同樣，實(shí)際脈沖信號(hào)輸出也為2。換言之，由于編碼器A和B在采樣時(shí)間內(nèi)的直流電壓脈動(dòng)的實(shí)際數(shù)量為7，且采樣期間的輸出為8，因此還有1個(gè)直流電壓脈動(dòng)。為了減少這種干擾現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以將固定采樣模式改為固定脈沖數(shù)采集模式。在采樣周期中，將發(fā)送脈沖較晚的編碼裝置作為計(jì)數(shù)對(duì)象，而編碼器B發(fā)送脈沖晚于解碼器A，解碼器B作為計(jì)數(shù)對(duì)象；當(dāng)被測對(duì)象有n個(gè)脈沖時(shí)，比較2個(gè)解碼裝置的輸出脈沖，取脈沖的平均值作為實(shí)際輸出脈沖。如果此處沒有閃爍現(xiàn)象，則2個(gè)編碼器輸出的脈沖數(shù)相同，如果在這個(gè)過程中有1個(gè)檢測輪出現(xiàn)出溜，則其所輸出的脈沖數(shù)將會(huì)有所損失，相較于另1個(gè)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(xì)討論的固定脈沖數(shù)采樣方法外，為了對(duì)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，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(duì)值編碼器是一種可選的訪問模式；當(dāng)數(shù)據(jù)處理器仍在正常工作時(shí)，繼續(xù)訪問編碼設(shè)備，并從上次采集的讀數(shù)中減去讀數(shù)，如果誤差為n，則終止訪問，并進(jìn)行2個(gè)編碼器數(shù)值的對(duì)比，以調(diào)整與數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)輸出差異。對(duì)于增量解碼器，可以選擇中斷方式；每次解碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，都將產(chǎn)生處理器的1次中斷，從而積累脈沖數(shù)，當(dāng)脈沖數(shù)超過n個(gè)時(shí)，則進(jìn)行2個(gè)解碼器的數(shù)值對(duì)比，從而調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)輸出[4]。

4.3 數(shù)據(jù)的失電保護(hù)

在傳統(tǒng)模式下，系統(tǒng)使用絕對(duì)編碼器。當(dāng)控制臺(tái)（PLC）每次讀取編碼器時(shí)，讀取的是支腿的實(shí)際位置值（以角度表示）。絕對(duì)值編碼器在任何地方記錄真實(shí)數(shù)據(jù)，因此不會(huì)丟失斷電數(shù)據(jù)。在雙檢測輪技術(shù)中，支腿的絕對(duì)定位值由數(shù)據(jù)處理器計(jì)算，其數(shù)值被存儲(chǔ)在處理機(jī)的內(nèi)存中。要確保每次開機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)處理器都給出準(zhǔn)確的絕對(duì)定位值，而存儲(chǔ)定位信息的內(nèi)存則要通過無易失的隨機(jī)存儲(chǔ)器，以保證向上位機(jī)傳遞的信息是支腿的絕對(duì)定位值。此外，在失電情況下，如果起重機(jī)在外力作用下移動(dòng)，則不會(huì)檢測到移動(dòng)距離，因?yàn)榧词故谴鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)也與實(shí)際情況不同。在這些情況下，必須通過校正同步工作狀態(tài)來重置支腿的零位移值。當(dāng)然，如果數(shù)據(jù)處理器使用可充電電池不間斷供電，使數(shù)據(jù)處理器始終工作，則起重機(jī)斷電狀態(tài)下的定位測量可以得到妥善解決。

5 結(jié)束語

本文提出了一種新的雙檢測輪檢測與校正設(shè)計(jì)方法，以提高起重機(jī)的可靠性和安全系數(shù)。這個(gè)假設(shè)是一個(gè)討論，以便通過這種方式獲得更理想的解決方案，使起重機(jī)位置監(jiān)測更加可信，并確保了起重機(jī)的安全工作。筆者通過對(duì)1架42 m跨距的單門式起重機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，剖析龍門式起重機(jī)中剛性腿與柔性腳行走同步產(chǎn)生誤差的成因，并提出克服對(duì)策，從而設(shè)計(jì)了一種有效的糾纏系統(tǒng)。