基于磁钉的自动化轨道吊大车定位系统

江灏 黄晓辉

摘 要：常规轨道吊大车位置检测精度较差，驱动方式死板，是制约轨道吊实现自动化升级的重要因素之一。针对以上问题，采用全新的基于磁钉的大车定位系统，大幅提升了轨道吊大车位置的精度，同时其具备大车姿态调整的能力，为轨道吊的自动化升级打下了坚实的基础。

关键词：自动化轨道吊;大车定位;磁钉

Abstract： It is one of the important factors restricting the automatic upgrading of track crane that the position detection accuracy of conventional track crane is poor and the driving mode is rigid. In view of the above problems， a new positioning system based on magnetic nails is adopted to greatly improve the positioning accuracy of the rail crane， and at the same time， it has the ability to adjust the attitude of the rail crane， which lays a solid foundation for the automation upgrade of the rail crane.

Keywords： automatic track crane;cart positioning;the magnetic nail

隨着自动化技术在港口的不断应用，自动化轨道吊成为各大自动化码头堆场内的主力装卸设备。在轨道吊自动化作业过程中，大车机构的定位精度将直接影响系统自动堆取箱的精度和效率。而实现精确定位的基础是获取准确可靠的大车位置信息。本文介绍了一种基于磁钉的轨道吊大车定位系统。

1 常规轨道吊解决方案

1.1 常规轨道吊大车位置检测系统

传统轨道吊作业过程中，司机主要是依靠视觉和主观判断进行大车作业位的定位，对大车位置的精度要求不高，通常是在大车一侧的从动轮上安装绝对式光电编码器作为大车位置的检测装置。该检测装置存在较大缺陷，导致无法满足自动化作业对位置精度的需求。第一，编码器安装在大车车轮上，通过检测车轮转动的圈数来计算大车的位移。在运行过程中，特别是雨雪天气或者紧急停车时，车轮会出现打滑的情况，从而产生较大误差。第二，在大车运行过程中并未对编码器检测到的位置进行校正，导致编码器的累积误差不断增加，精度无法得到有效保证。第三，轨道吊跨距可达20 m以上，没有安装编码器一侧的大车位置未知，最终导致轨道吊的姿态无法预知，给自动化作业带来困难[1]。

1.2 常规大车驱动控制方案

轨道吊大车驱动机构一般由8个电机组成，由2个变频驱动器来驱动。常规的轨道吊由于对大车的定位精度要求不高，每个驱动器所驱动的4个电机在机器上呈“Z”字排布。

这种驱动方式最大的优点是控制比较简单，两个驱动器给定同样的速度，靠电机的特性自行进行调节，保证大车沿轨道行驶。另外，当一个驱动器发生故障时，只要把该驱动器控制的电机的制动器打开，靠另一个驱动器带动4个电机降速运行。

这种驱动方式的缺点也较为明显。由于轨道吊负载不断变化，一段时间后，大车运行姿态会发生一定程度的偏转，从而造成导向轮、轨道磨损，即产生“啃轨”现象。“啃轨”现象一旦产生，依靠现有的驱动方式将无法实现大车姿态的调节，给后续维护保养带来较大难度。

2 自动化轨道吊解决方案

针对常规轨道吊大车定位系统存在的缺陷，本文设计了一套自动化轨道吊大车定位系统，可以准确地定位轨道吊大车位置，并且通过同步控制算法保证轨道吊大车的运行姿态符合自动化作业的需求。

2.1 基于磁钉的自动化轨道吊大车位置检测系统

基于磁钉的自动化轨道吊大车位置检测系统主要由磁钉系统、主控制器、增量式编码器以及变频驱动器组成[2]。

2.1.1 磁钉系统。磁钉系统由安装于机器上的天线以及安装于地面的磁钉组成。当天线中心线经过磁钉上方时，会向主控制器输出一个上升沿的脉冲以及所经过的磁钉的编号。在项目建设初期，需要在轨道吊两侧地面上沿轨道方向安装一定数量的磁钉，最好采用均匀分布，间隔距离以8～10 m为宜。安装完成后，须对每一个磁钉进行独立编号，并使用专业的测绘设备对每个磁钉的位置进行测量。

2.1.2 增量式编码器和变频驱动器。增量式编码器安装在电机的后端，将电机转动时产生的脉冲信号送至变频驱动器，变频驱动器通过对脉冲进行计数即可得到电机转动的圈数，进而得到大车的位移值。其计算公式如下（编码器选用1024线）[3]：

2.1.3 主控制器。系统选用西门子300系列PLC作为主控制器，对来自磁钉天线和驱动器的数据进行处理，从而得到轨道吊大车的最终位置。

对于测量获得的磁钉位置信息，可在主控制器中建立数据表单以供查询。当主控制器接收到磁钉天线发来的脉冲信号和磁钉编号后，通过查询磁钉编号获得当前磁钉的位置，并将其作为当前大车的基准位置，同时将驱动器累计的脉冲数清零，使其重新开始计数。此时，依据驱动器脉冲数计算所得的位移值即大车相对于磁钉基准位置所产生的值。同时，还需要考虑磁钉信息传输到主控制器上所需的通信延时产生的影响。最终，轨道吊大车的实际位置可由公式（2）计算所得：

2.2 新型自动化轨道吊大车驱动控制方案

在获得了轨道吊海陆两侧的精确位置之后，系统可以对轨道吊的姿态进行实时监控，但是采用常规“Z”字排布驱动的方式，并不具备对轨道吊的姿态进行调节的能力。新的大车同步控制算法将基于新的大车驱动方式（如图2所示）。

新的驅动方式使用2个大车驱动器，分别驱动海陆两侧的4个电机，最大优点是使轨道吊具备了海陆两侧独立控制、实现精准定位的能力，使轨道吊的控制更加灵活。其缺点在于一个驱动器发生故障后，需要一套切换装置使幸存的驱动器可以同时控制8个大车电机降速运行。

3 轨道吊大车海陆侧同步控制算法设计

本系统采用位置控制与力矩控制相结合的变参数PID算法来实现轨道吊大车海陆侧的位置同步控制。

3.1 变参数PID控制器

在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例（Proportion）、积分（Integral）、微分（Derivative）控制，简称PID控制。其以结构简单、工作可靠、稳定性好、参数调整方便而成为工业控制领域最常见的控制器。其在时域的表达式为：

3.2 控制器设计

整个控制器由位置控制器和力矩控制器两部分组成，以位置控制器为主。

3.2.1 位置控制器。为实现海陆两侧大车位置的同步控制，以陆侧大车位置[PLS]作为参考量，海侧大车位置[PSS]作为跟随量，将海陆侧大车位置的偏差值作为位置PID控制器的输入，输出为大车电机转速的调节量[ΔREF]。在控制器设计过程中，还需要考虑偏差值对控制器参数的影响，总体原则是：当偏差较大时，增大[Kp]的值，使偏差迅速收敛;而当偏差较小时，则需要减小[Kp]的值，使调节更加平稳，避免出现超调。

3.2.2 力矩控制器。当利用位置控制器对海陆侧位置进行调节，偏差值并未迅速收敛甚至还有继续扩大的趋势时，为了保护轨道吊的机械结构不受损坏，将切断位置的控制器改为使用力矩控制器对海陆侧大车的速度进行调节控制。由于轨道吊设计负载基本是均匀分布的，控制左右两侧电机输出力矩相同，基本可以保证机械结构的稳定、安全，方便用户将有问题的机器移出作业位，便于设备的维修。力矩控制器以陆侧大车驱动器的输出力矩[FLS]作为参考量，海侧大车驱动器的输出力矩[FSS]作为跟随量，两者的偏差值作为力矩PID控制器的输入，大车电机转速调节量[ΔREF]为输出。

4 试验测试

系统设计完成后，在某用户码头自动化轨道吊上进行了大车位置精度及海陆侧大车位置同步性能的测试。测试过程中，自动化轨道吊以固定速度移动一段距离，然后使用专业的测距设备对实际的移动距离进行测量，将测量系统计算所得的位移量与实际监测量进行对比，得出大车位置测量系统所输出的位置精度，然后通过海陆两侧位移数据的对比得出两侧大车位置同步算法的性能。测试结果如表1所示。

从测试结果来看，基于磁钉的自动化轨道吊大车定位系统，位置检测及同步控制的偏差均在0.1%以下，最终效果完全符合自动化控制的需求。

5 结论

相较于常规的轨道吊大车定位系统，基于磁钉的定位系统具有以下几方面的优势。

第一，轨道吊两侧均安装了位置检测设备，可以实时监控轨道吊大车的姿态，并且可以对机器的姿态进行实时调整，设备运行更加稳定，基本消除了“啃轨”现象。

第二，每经过一段距离就会对当前的大车位置进行校正，大幅提升了大车位置数据的稳定性和准确性，为轨道吊自动化作业精度和效率的提升打下良好的基础。

第三，系统硬件构成简单，只需要在原有系统的基础上增加一套磁钉检测设备即可，为老旧轨道吊的自动化升级改造提供了可能。

参考文献：

[1]梁晓波，程文明，郭鹏.集装箱起重机自动装卸系统的研究与设计[J].计算机应用，2015（S1）：229-231，251.

[2]赵德成.大型集装箱码头轨道龙门起重机应用新技术[J].起重运输机械，2007（9）：7-9.

[3]戴炼.自动化轨道式龙门起重机定位测量系统[J].港口装卸，2019（6）：49-51.