一種可自動(dòng)校正的軌道吊FLAG板大車定位裝置

◎ 黃緯 廣州南沙聯(lián)合集裝箱碼頭有限公司

在自動(dòng)化碼頭中，自動(dòng)化軌道吊扮演著堆場(chǎng)裝卸運(yùn)輸?shù)闹匾巧?。而FLAG板（標(biāo)志板）定位系統(tǒng)因其較低的成本和較高的精度，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化軌道吊的大車定位中。針對(duì)長(zhǎng)距離行走中發(fā)生的打滑等異常使FLAG板定位系統(tǒng)中的絕對(duì)值編碼器輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，造成故障報(bào)出或堆箱不齊等問題，本文以南沙四期自動(dòng)化軌道吊項(xiàng)目為例，介紹一種基于軟件邏輯校驗(yàn)的，可自動(dòng)校正絕對(duì)值編碼器的FLAG板定位裝置。

1.自動(dòng)校正FLAG板定位裝置的設(shè)計(jì)背景

自動(dòng)化軌道吊存在海陸側(cè)跨距較大、大車運(yùn)行距離較長(zhǎng)、堆場(chǎng)在投入運(yùn)行一段時(shí)間后容易出現(xiàn)沉降導(dǎo)致軌道不平等作業(yè)特點(diǎn)，因此需要高精度的大車定位方式。而自動(dòng)化作業(yè)的大車方向偏差允許量通常在2cm以內(nèi)，可以說，一套精確的大車定位系統(tǒng)是自動(dòng)化軌道吊項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)碼頭堆場(chǎng)單機(jī)大車行走行程在600米以上。當(dāng)大車長(zhǎng)距離行走時(shí)，裝有編碼器的主動(dòng)輪跟軌道偶發(fā)接觸不牢、打滑導(dǎo)致的編碼器輸出誤差累計(jì)可達(dá)10米以上。過大的誤差導(dǎo)致自動(dòng)化堆箱時(shí)系統(tǒng)報(bào)出“堆場(chǎng)抓放箱偏差過大”“左右側(cè)有障礙物”等故障，終止自動(dòng)抓放箱；從而增加遠(yuǎn)控司機(jī)手動(dòng)作業(yè)量，降低堆場(chǎng)裝卸效率。

目前自動(dòng)化軌道吊的大車定位方式常采用衛(wèi)星定位、場(chǎng)地+設(shè)備定位等方式。衛(wèi)星定位具有精度較高的優(yōu)點(diǎn)，但由于衛(wèi)星定位信號(hào)易受到通信干擾。而目前自動(dòng)化碼頭運(yùn)輸設(shè)備多采用遠(yuǎn)程控制，普遍存在多頻段的通信，所以衛(wèi)星定位較不穩(wěn)定。目前大多數(shù)集裝箱碼頭采用場(chǎng)地+設(shè)備定位。在場(chǎng)地+設(shè)備這一定位方式中，傳統(tǒng)軌道吊較多使用增量型編碼器+磁釘來進(jìn)行大車定位。磁釘系統(tǒng)由安裝于軌道的磁釘、安裝在大車上的掃描天線及其處理系統(tǒng)組成。當(dāng)天線中心線經(jīng)過磁釘上方時(shí)，主控制器會(huì)接收到一個(gè)上升沿脈沖及相應(yīng)磁釘編號(hào)。該方案中磁釘及其掃描天線價(jià)格昂貴，地面施工成本高。且磁釘易受到雜物、磁釘消磁等影響。

此外，“場(chǎng)地+設(shè)備”定位方式還有許多種實(shí)現(xiàn)形式。比如格雷母線定位系統(tǒng)，其主要部分為格雷母線、天線箱、地址編碼發(fā)射器、接收器。工作原理為利用扁平狀的格雷母線和天線箱相互靠近，產(chǎn)生電磁耦合，同時(shí)用位移傳感器進(jìn)行通信，并檢測(cè)到天線箱在格雷母線長(zhǎng)度方向上的位置。此外，有一部分自動(dòng)化碼頭也采用RFID射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行大車定位，其系統(tǒng)構(gòu)成包括安裝在軌道一側(cè)的間隔排列的電子標(biāo)簽，機(jī)器上的RFID讀寫器，及相應(yīng)的PLC讀寫程序和編碼器校正程序。其工作原理為機(jī)器在軌道行走過程中，讀寫器掃描到電子標(biāo)簽，將標(biāo)簽序號(hào)上傳至PLC。相比之下，同樣為“場(chǎng)地+設(shè)備”，F(xiàn)LAG板定位裝置只需要鐵制的標(biāo)志板、光電傳感器及常規(guī)編碼器，施工及維護(hù)方便，成本較其他幾種方式大幅度降低。

2.FLAG板定位系統(tǒng)構(gòu)成及原理

FLAG板定位系統(tǒng)硬件上由安裝在設(shè)備大車上的光電傳感器及平行依次非對(duì)稱安裝在軌道一側(cè)的間隔6米的不銹鋼標(biāo)志板、絕對(duì)值編碼器和增量型編碼器組成（如圖1）。在本項(xiàng)目中，自動(dòng)化軌道吊由8個(gè)大車電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（如圖2）。8個(gè)大車電機(jī)分為2個(gè)電機(jī)組，分別由2個(gè)變頻器進(jìn)行控制。其中絕對(duì)值編碼器安裝在3#和7#電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪軸上，增量型編碼器安裝在2#和6#電機(jī)上。兩種編碼器在兩側(cè)對(duì)稱交叉布置的目的在于，即使一側(cè)大車或編碼器發(fā)生故障，通過應(yīng)急處理，另一側(cè)大車正常運(yùn)行也可以帶動(dòng)整機(jī)應(yīng)急進(jìn)行動(dòng)作。大車電機(jī)組1的增量型編碼器和大車電機(jī)組2的增量型編碼器分別將信號(hào)反饋給電氣房中的兩個(gè)大車變頻器模塊。

圖1 大車FLAG板定位裝置實(shí)物圖

圖2 軌道吊大車電機(jī)及編碼器分布圖

每一塊FLAG板所在的位置值已提前保存在PLC程序中。當(dāng)激光傳感器掃到FLAG板時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前絕對(duì)值編碼器的值確定FLAG板編號(hào)，讀取相應(yīng)大車位置值。當(dāng)大車行駛在兩塊FLAG板中間時(shí)，系統(tǒng)靠增量型編碼器累計(jì)讀數(shù)計(jì)算相應(yīng)的大車位置值。

設(shè)FLAG板計(jì)算出的大車位置值為PGantry，則

其中：

PFlag為FLAG板基礎(chǔ)位置值，提前保存在PLC程序中；

CWidth為Flag板寬度補(bǔ)償值，本項(xiàng)目取180mm，±號(hào)根據(jù)大車方向決定；

CSpeed為激光器反應(yīng)速度補(bǔ)償值，根據(jù)大車實(shí)時(shí)速度確定；

CPosition為激光器位置補(bǔ)償值，本項(xiàng)目取-608mm；

PEncoder為大車增量型編碼器計(jì)算值，由編碼器計(jì)算后得出。

3.軟件標(biāo)定原理及流程

本項(xiàng)目采用西門子Portal軟件進(jìn)行程序編寫。軟件標(biāo)定，即確定增量型編碼器和絕對(duì)值編碼器的比例系數(shù)值Factor和補(bǔ)償值Offset，使編碼器能準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際大車位置?？扇∠噜彽膬蓧KFLAG板，設(shè)第一塊位置較小的板的編碼器讀數(shù)值和實(shí)際位置值分別為X1、Y1，第二塊位置較大的板的編碼器讀數(shù)值和實(shí)際位置值為Y2。

Factor及Offset值的計(jì)算公式為：

絕對(duì)值編碼器標(biāo)定流程為（如圖3）：

①根據(jù)堆場(chǎng)的位置從小到大，取任意一段兩塊FLAG標(biāo)志板間共6米長(zhǎng)的大車行程，獲取相鄰的兩塊FLAG板的位置值Y1、Y2。②將位置較小的FLAG板的左側(cè)與大車中心線保持平齊，在軟件程序塊FB413（圖3）中，設(shè)將NewloadValue設(shè)置為10000000（X1 值），LoadValueDirec強(qiáng)制通，再?gòu)?qiáng)制斷。③將大車運(yùn)行到最后一塊flag板的左側(cè)與大車中心對(duì)應(yīng)，記錄此時(shí)的AbsEncRead_Dint值（X2值），解除LoadValueDirec 強(qiáng)制。④將X1、X2、Y1、Y2四個(gè)值代入公式算出得出factor和offset的值，然后填入對(duì)應(yīng)機(jī)號(hào)的參數(shù)表中。

增量型編碼器的標(biāo)定流程（如圖4）：

圖4 增量型編碼器標(biāo)定程序塊FB6013

①獲取相鄰的兩塊FLAG板的位置值Y1、Y2。②打開程序塊FB6013，在起始位置將增量型編碼器數(shù)值PosRstVal賦值1000000。則此時(shí)認(rèn)為實(shí)際位置為0mm。③將清零程序點(diǎn)臨時(shí)強(qiáng)制斷，防止增量型編碼器數(shù)值被刷新。④打旁路將大車手動(dòng)運(yùn)行600mm，記錄當(dāng)前的PosCount值，然后解除清零程序點(diǎn)強(qiáng)制。記第一塊FLAG標(biāo)志板PosCount為X1，第二塊FLAG標(biāo)志板PosCount為X2。⑤將X1、X2、Y1、Y2四個(gè)值代入公式算出得出增量型編碼器的factor和offset的值，然后填入對(duì)應(yīng)機(jī)號(hào)的參數(shù)表中。

4.自動(dòng)校正流程簡(jiǎn)介

自動(dòng)化軌道吊大車行走過程中，若絕對(duì)值編碼器位置值出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)會(huì)首先使用自動(dòng)校正流程進(jìn)行校正。自動(dòng)校正流程的思路是利用PLC程序上的邏輯校驗(yàn)，計(jì)算出絕對(duì)值編碼器的值PAbs與FLAG板計(jì)算出的大車位置值PGantry的偏差，然后在不同條件下進(jìn)行判斷和校正，最終使校正后的兩者偏差在允許范圍內(nèi)。以下為校正過程：

設(shè)程序校驗(yàn)偏差值為R,則

①當(dāng)光電傳感器掃到FLAG 板時(shí)，程序進(jìn)行判斷；若20 cm＜R＜100 cm，大車停下來后會(huì)將PGantry的值賦給PAbs。②當(dāng)在兩塊FLAG板中間運(yùn)行或軌道吊進(jìn)行過街時(shí)，程序?qū)崟r(shí)進(jìn)行判斷；若30cm＜R＜100cm，報(bào)出故障停機(jī)，并將PGantry賦給PAbs。兩種情況下，當(dāng)偏差值超過100cm時(shí)，出于安全考慮不予賦值，報(bào)出故障停機(jī)。流程圖如圖5、圖6所示。

圖5 刷FLAG板時(shí)校正流程圖

圖6 報(bào)同步檢測(cè)故障時(shí)校正流程圖

5.手動(dòng)校正流程簡(jiǎn)介

當(dāng)FLAG板計(jì)算值與編碼器值偏差過大，或其他情況下自動(dòng)校正流程失效時(shí)，需人工手動(dòng)校正。本項(xiàng)目自動(dòng)化堆場(chǎng)為側(cè)面裝卸水平布局，大車行走距離較長(zhǎng),單臺(tái)機(jī)可橫跨幾個(gè)堆場(chǎng)，傳統(tǒng)的大車極限位置作為校正點(diǎn)不適用；故本項(xiàng)目使用大車錨定位置PArchor作為手動(dòng)校正點(diǎn)。即每臺(tái)機(jī)在堆場(chǎng)中設(shè)定一個(gè)特定的錨定位并安裝相應(yīng)感應(yīng)板。具體手動(dòng)校正流程如下：

工程技術(shù)人員申請(qǐng)進(jìn)場(chǎng)上機(jī)，與司機(jī)溝通將大車開至對(duì)應(yīng)錨定位，直至校正限位感應(yīng)到地面感應(yīng)板。后在電氣房操作站選擇編碼器位置，并長(zhǎng)按清零按鈕保持一定延時(shí)，隨后錨定位置的大車位置值PArchor的值被賦給PAbs，校正完成。

6.安裝維護(hù)注意事項(xiàng)

（1）FLAG板安裝前應(yīng)確認(rèn)堆場(chǎng)無明顯起伏，且FLAG板與軌道距離須一致。

（2）FLAG板安裝前需建立堆場(chǎng)坐標(biāo)系，并使用激光水平儀對(duì)每一塊板的位置進(jìn)行精確測(cè)量。

（3）日常進(jìn)行設(shè)備檢查時(shí)需檢查FLAG板底座有無松動(dòng)，F(xiàn)LAG板有無缺失；光電傳感器有無損壞等。

7.常見故障與解決方法

（1）“大車FLAG板位置信號(hào)丟失”。此故障原因有兩個(gè)。一個(gè)原因?yàn)楣怆妭鞲衅鲯呙钑r(shí)連續(xù)漏掉2塊flag板。解決方法為檢查激光器高度是否過高，F(xiàn)LAG板是否缺損。另一個(gè)原因?yàn)閿嚯娭貑⒋筌囎冾l器和編碼器，導(dǎo)致FLAG板位置跳變。解決方法為：若絕對(duì)值編碼器位置正確，則可操作設(shè)備使用旁路進(jìn)行臨時(shí)動(dòng)車，到達(dá)下一個(gè)FLAG板后，讀取到下一個(gè)FLAG板的數(shù)值即可解決。若編碼器位置也出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需要在單機(jī)程序中將此時(shí)大車位置值賦給編碼器，后操作設(shè)備使用旁路進(jìn)行臨時(shí)動(dòng)車，到達(dá)下一個(gè)FLAG板。

（2）“大車絕對(duì)值編碼器通訊故障”，且DP插頭上的指示燈從綠色變?yōu)榧t色。此故障原因?yàn)榇筌嚱^對(duì)值編碼器的dp通訊與上下層通訊之間斷開。解決方法為排查編碼器通訊DP線路上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，檢查DP插頭屏蔽線是否正確接地。

（3）“大車絕對(duì)值編碼器與FLAG板偏差過大故障”此故障由前文中絕對(duì)值編碼器校驗(yàn)報(bào)出。故障原因有：堆場(chǎng)內(nèi)臨近FLAG板處堆積雜草或其他障礙物，導(dǎo)致激光器誤掃到障礙物報(bào)出故障；FLAG板遭到破壞、激光器異?；騼烧邔?duì)位位置未調(diào)節(jié)好；堆場(chǎng)軌道發(fā)生沉降，上下不平，導(dǎo)致機(jī)器在運(yùn)行過程中發(fā)生抖動(dòng)等等。為避免此故障發(fā)生，需做好堆場(chǎng)巡檢，對(duì)FLAG板、軌道及其四周的異物進(jìn)行及時(shí)清理。

8.大車定位裝置的防打滑設(shè)置

南方氣候潮濕多雨，在軌道上存在積水時(shí)，大車加減速的過程中大車車輪易打滑，從而造成大車編碼器記錄的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與實(shí)際大車運(yùn)動(dòng)距離不一致，報(bào)出大車定位故障或大車變頻器故障。針對(duì)這個(gè)問題，本定位裝置增加了防打滑設(shè)置，使用一套專用的PLC程序參數(shù)和變頻器參數(shù)，從而避免大車車輪打滑及其衍生故障。

PLC 程序設(shè)置如下（以西門子Portal程序?yàn)槔ㄈ鐖D7）：①設(shè)置雨天模式，限制大車速度：在大車控制程序塊FC405中，增加速度控制邏輯。當(dāng)維修人員開啟雨天模式時(shí)，Gantry Speed Limit 3字段置1，大車的速度限制在50%。從而避免雨天高速狀態(tài)下的車輪打滑。②在大車控制程序塊FC405中，延長(zhǎng)從全速減至5%速度的時(shí)間到10.5s。從而使大車減速曲線更加平緩。③在大車監(jiān)控程序塊FB402中，將大車運(yùn)行超時(shí)的監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)。

圖7 PLC程序防打滑設(shè)置

變頻器參數(shù)設(shè)置如下（本項(xiàng)目采用西門子STARTER 進(jìn)行變頻器參數(shù)設(shè)置）：①增大當(dāng)前采樣時(shí)間內(nèi)允許的最大速度差（參數(shù)p0492)至200rpm。②修改判定電機(jī)失速的相關(guān)參數(shù)：增大速度閾值(參數(shù)p1744)至100rpm，增大速度公差(參數(shù)p1745)至45%，增大延遲時(shí)間(參數(shù)p2178)至2s。③修改判定電機(jī)堵轉(zhuǎn)的相關(guān)參數(shù)：降低速度閾值(參數(shù)p2175)至8.5rpm，增加延遲時(shí)間(參數(shù)p2177)至2s。

防打滑模式修改前后的大車運(yùn)行效果對(duì)比如圖8和圖9。從圖8中可以看出，參數(shù)修改前，大車標(biāo)準(zhǔn)模式下，遠(yuǎn)控司機(jī)從全速狀態(tài)松掉手柄，經(jīng)過6s大車減速到速度為0。而如果設(shè)置了防打滑模式,速度曲線明顯變得平緩。從圖9中可以看出，參數(shù)修改后，大車到終點(diǎn)前減速到0的曲線也明顯變得平緩。由此看出，防打滑模式的設(shè)置使速度變化變得平緩，很大程度上降低了車輪打滑的可能性。

圖8 全速時(shí)松掉手柄的速度曲線對(duì)比

圖9 到終點(diǎn)前減速曲線對(duì)比

9.結(jié)論

這套以自動(dòng)校正為主，手動(dòng)校正為輔的FLAG板大車定位裝置，將程序邏輯校驗(yàn)和人工干預(yù)相結(jié)合，用較低的成本實(shí)現(xiàn)了FLAG板定位裝置的高精度校正，確保了自動(dòng)化軌道吊大車行走誤差控制在20cm以內(nèi)，從而保證了堆場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)化疊箱和與集卡對(duì)位時(shí)大車方向的精確度。該方法對(duì)其他軌道式自動(dòng)化裝卸設(shè)備如自動(dòng)化岸橋、自動(dòng)化門機(jī)的大車行走校正也有很大的參考意義。