双编码器检测在大跨度门式起重机纠偏上的应用

管秀洋，程宝康，雒 通

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070）

影响大跨度门式起重机运行的原因有很多，如轨道不平、行走轮直径误差等，还有减速机的机械速度误差、发电机速度误差及各车轮承受的机械负荷差异等，均会造成刚性腿和柔性脚行走速度的不相同。一旦误差过大，轻则引起啃轨，重则可能导致严重的机械倾覆安全事故。因此，为了注意其安全特性，在GB/T 3811—2008《起重机设计规范》中明确指出：“跨度大于40 m的门式起重机应配备偏位导向器或限位器，当误差超过设计规定值时，可对运动偏位进行调整和修正。”如果运动偏差在设计规定的时间延迟内或根本无法调整到正常值范围，控制器需要自动断开监控电路，以避免恶性事件。此时，如果设备想要顺利工作，必须纠正2条腿的运动偏差。不同的校正方法会产生不同的结果，这就会对设备的运行稳定性与工作效率产生影响。本篇文章通过对1台42 m跨距的单门式起重机进行矫正实验，并进行对比，得出了若干经验，希望对合理选择矫正方式有一定的借鉴意义[1]。

1 案例分析

1.1 实验装置

本案例中使用的主要测试设备是山东单县丰辉机械设备有限公司开发的mdg40/10t-a442龙门起重机。龙门起重机为管桁架结构和模块化结构，其具有自重轻、抗风性强、结构简单和能耗低等特点；目前已生产门式起重机200余台，在世界同类起重设备中具有较强的市场竞争力，具有代表性。

龙门吊刚柔腿侧的大车行走电机，由于其技术参数和启动、制动时间及转速差异，导致龙门吊2侧大车运行相对位移不同，进而致使大车行走轮啃轨、脱轨问题时常发生。因此，通常的处理措施是对轮缘进行强同步，这种同步方式主要是利用轮缘上钢轨产生的侧向力来强制引导，这样很容易造成轮缘损坏，而且在驱动方向上的摩擦力也很大。在更严重的情况下，其还可能导致轨道断裂。当2台电机由同1台自动变频器操作时，如果移动和停止方式相同，则无法实现补偿偏置和消除缺点的控制。为了实现同时补偿缺点的功能，刚性腿侧和柔性腿侧的电机必须同时配对，分别驱动控制器。通过咨询不同变频器厂家，考虑可靠性、经济性和方便性，最终选择了丹佛斯FC302系列变频器，并在一台变频器上配置了MCO305可编程纠偏卡，实现了2种起重机脚的分离控制。此外，为了实时检测和反馈起重机刚性腿侧和柔性腿侧的运行情况，必须在2个从动轮的中心轴上配置增量式编码器[2]。

利用采集编码装置的反馈信号构成闭环控制系统的监控方法，可以更准确地测量2个横向腿的运动相对偏差，并利用误差值实时调整柔性腿的运动速度，从而跟踪刚性腿的运动速度，控制精度高。在达到最大偏差限值后，可终止装置的正常运行，或通过手动控制实现纠偏和调整，使装置重新回到同步运行状态。

1.2 纠偏控制系统软件设计

装置纠偏除去必须的软、硬件功能以外，还要求有相应的软件系统支撑。以刚性腿侧为依据，对柔性腿侧的状态进行了调节，并对方向动作和正反方向动作分别进行了编程数据处理。设计的最大偏差范围为80 mm，当误差范围小于40 mm时，装置仍处在常规的状态，可以继续进行数据采集；当误差大于40 mm、小于等于80 mm时，装置发生了轻微弯曲，柔性腿侧驱动电机按当前速度的10%进行调整；当误差大于60 mm、小于等于80 mm时，装置大幅度弯曲，柔性腿侧驱动电机调整为当前速度的20%；当测量误差超过80 mm时，即超出了装置容许变形的最大设定值，装置立刻停机并发出了报警信号。

设置的刚性腿编码器信号的采集值为a；柔性腿编码器信号采集值为B；Z是2条腿采集的脉搏信号的差值；支腿2端的具体位置偏差值为r，单位为mm；柔性支腿侧电机的当前出口速度为n，但调整后，出口速度仍为n，机组转速单位为r/min。为实现纠偏功能，除上述基本部件如自动电机变频器、运行总指挥及编码设备外，还需安装以下部件：3个导向交通信号指示灯，用作东西方向超差指示及正向和负向分别超差指示与正常指示；零误差复位按钮用于清除标准点的误差；手动复位转换开关，用于根据手动控制模式纠正偏差。

1.3 系统功能测试

为进一步了解该控制系统的能力和实际应用的有效性，进行了以下实验：①使用清零信号控制功能，在2条轨道上选择1个相对位置，并确定为2点对齐，并在该位置的双龙门起重机上完成零偏差校准实验。通过实验，达到了预期的效果。②利用自动补救的能力，通过对调整变频器的MCO305解码器卡进行重新编程，调整r值后，经过了反复的动作实验，目前修复缺陷的能力已经完成，没有明显的震动感。③手动补偿控制功能下，当偏差超过极限值时，系统将停止移动。在这种情况下，应用手动补偿控制时，首先使用手动补偿控制器，并同步执行主命令。此时，刚性支腿停止移动，制动器打开，柔性支腿以5%的最大速度前进（设定值）。当偏差超过正常范围时，柔性支腿自动停止行驶，并通过手动控制来进行2侧大车位移补偿及消除偏差。经过反复测试，系统的自行、手动补偏救弊性能比较稳定，并取得了预期效果[3]。

因为所谓的补救措施是通过调整2侧支腿的异步运动来实现支腿同时运动的目标，所以应该避免过度校正。在系统设计中，应考虑以下2个问题：①运动信息的精确测量。由于起重机轨道接头误差、启动和制动冲击等因素，需要进行精确测量。②由于2个支腿各由2个电机驱使，所以当1台手动电机由于事故中止运行时，另1台手动电机也应当同步终止输出运动，避免单腿电机运行导致大型桥梁结构变形。

2 纠偏检测方法

2.1 检测轮偏斜检测法

大跨度门式起重机（以下简称龙门起重机）的正常工作时间会受到各种因素的影响，如不同的工作阻力、发电机驱动速度、轮径差、啃轨和车轮打滑速度，2支腿的前进速度很快就会产生不一致的现象，导致单边领先，即车轮的方向倾斜。这种偏斜使荷载中心偏离设计中心，严重时甚至使龙门起重机发生偏斜。因此，现代起重机的安全技术标准一般规定，大跨度（大于40 m）的门式起重机应设置行走和纠偏装置，以指示、限制和调整门式起重机的偏差。

门式起重机的挠度测量方法一般如下：①在刚性腿和柔性腿的2端安装1个检测轮，读取刚腿与柔腿之间的实际运动距离，再利用可编辑逻辑控制器（PLC）测算2支腿的偏移量；②利用新安装的软腿与主梁结合部之间的角度限位，来测量泵管和软腿的角度变形，并测量2支腿的偏斜率；③传感点平行设置在刚性支腿和柔性支腿2端的走行轨旁，通过设置在刚性支腿和柔性支腿2端的接近开关的动作，连续检测2个支腿的偏转[2]。

为了增加偏斜检查的准确性和设备运行的稳定性，一般情况下，方法①是大跨度龙门起重机的主要检测手段，即该方法用于控制和调整龙门起重机的偏移量；方法②是唯一的措施，即一旦方法①错误或发生事故，其是角度限制或停机检查的操作手段；方法③被用作验证和同步检查的主要方法，这提高了方法①检测的准确性。因此，方法①通过检测轮的数据检测，使起重机系统能够掌握刚性腿和柔性腿的实际情况，当2个侧角之间存在较大偏差时，系统可以通过调整发动机的工作速度来调整龙门起重机的偏移量。当最大倾斜度偏差超过跨度的1/3时，起重机手动纠正偏差，司机通过偏差指示器手动纠正偏差；当最大倾斜偏移超过跨度的1/3时，偏移限制器将自动断开行驶监控线，使吊车手动停车。

2.2 双检测轮检测法

使用检测轮检查挠度测量方法时，数据的检测值通常由于检测轮的打滑而偏移。驱动轮的原理是行走轮旋转，但起重机不工作，这体现在行走轮的原始操作中。检查轮打滑的原理是从动轮被推出，因为起重机已经运行了一定距离，但检查轮无法运行，被拖了一定距离。此时，尽管支腿仍然能够正常移动，但由于编码设备的原因，无法传输有效数据。然而，由于检测轮的打滑，检测数据不能真实反映支腿的实际运动，严重影响了纠偏动作，有时甚至使纠偏动作越来越偏颇。此外，由于尚未找到检测轮的滑移概率和计算方法，如果在人员密集的区域观察到龙门起重机的正常工作，则在3 m距离前后滑动10 mm时，概率通常为1/300。这些数据是一个实际案例，但由于其与检测轮的材质、安装方式以及组装质量等，都有着相当大的关系。为了降低由于滑移所产生的影响，使起重机上部支腿的定位读数更准确地反映起重机的实际情况，需要在起重机定位时定期校正零点，如采用上述方法③，根据选定的位置标记确定起重机的实际偏移量，并采取措施使2支腿一致。

由于不可避免的问题和零点校正的实现，许多单位干脆放弃了对检测轮的检测和控制，简单地使用小角度限制来减少龙门起重机的过度偏差。这种方法的潜在危险是没有其他安全保护，如果角度限制失败，可能会导致重大事故[3]。

为了解决单个检测轮打滑对纠偏的影响，提高检测轮的检测精度和读数可靠性，还创新设计了双检测轮（2个检测轮同时布置在支腿1侧工作）来检测位移。双检查轮测量彻底改变了支腿单侧同时使用1个检测轮的传统工作方式，在支腿的同1侧设置2个检查轮同时工作。在2个测试轮检测到数据后，设置在2个编码器上的数据处理器（可由单片机实现）进行简单的比较操作，并选择较大的值作为实际运行位移的输出值，输出到上位机。在相同条件下，脉冲输出值大的检测轮也可以视为无打滑或非常小的打滑面积，从而减少对打滑的影响。

虽然双重测试轮检测不会降低单个测试轮打滑的概率，但2个轮同时发生打滑的概率会大大降低。假设单个检测轮的打滑概率分别为Pa和Pb，则2个检测轮同时打滑的概率为PAB=Pa×Pb。若检测轮对打滑概率仍取前文所设的数值，则Pa=Pb=1/300，PAB=1/90 000。根据此计算，从过去每天1次的同步校准到双检测车轮实验，每年只能进行1次（按每年300个工作日计算），大大提高了实验的稳定性和可靠性。

3 双检测轮检测实施中的问题

在相同的解码器特性下，检测轮的直径也会影响检测精度。无论是绝对值解码器还是增量编码器，输出数都是角度数，即解码器每次旋转后的总输出脉冲数是1个固定值。将圆周的边长与每个脉冲的数量相加后，可以得到每个脉冲的对应值，以及运动间隔，然后计算s的数值。s是1个脉冲位置的相应值运动间隔，D是检测轮的直径，P是每个解码器产生的脉冲总数。如果D增加，s值也将增加，与每个脉冲对应的运动间隔也将增加，从而导致检测精度降低。如果D=300 mm，P=2 400，s=0.39 mm，支腿2侧实验轮直径误差的相对偏差会影响支腿2侧的检测轮。由于加工因素，其孔径也会有一定的偏差。

4 双检测轮检测的实现

4.1 采样方式的确定

定时采样法是指处理器在指定的时间内从编码器读取数据，但该算法会在双检测轮测试中导致重新读取。因为2个编码器脉冲的方向不同步造成了时钟移位现象，在定时采样过程中会出现类似条纹干扰的现象。

在抽样的第一阶段中，解码器A有2个脉冲出口，解码器B有2个脉冲出口，因此根据规定，总脉冲出口为2；在第四个阶段，编码器B提供2个脉冲，而编码器A只提供1个脉冲，同样，实际脉冲信号输出也为2。换言之，由于编码器A和B在采样时间内的直流电压脉动的实际数量为7，且采样期间的输出为8，因此还有1个直流电压脉动。为了减少这种干扰现象的产生，可以将固定采样模式改为固定脉冲数采集模式。在采样周期中，将发送脉冲较晚的编码装置作为计数对象，而编码器B发送脉冲晚于解码器A，解码器B作为计数对象；当被测对象有n个脉冲时，比较2个解码装置的输出脉冲，取脉冲的平均值作为实际输出脉冲。如果此处没有闪烁现象，则2个编码器输出的脉冲数相同，如果在这个过程中有1个检测轮出现出溜，则其所输出的脉冲数将会有所损失，相较于另1个测试轮的输出还要少。

4.2 编码器的选用

在采样方法方面，除了前面详细讨论的固定脉冲数采样方法外，为了对编码器的输出脉冲进行计数，通常有2种不同的处理方法：访问模式和中断模式。其中，绝对值编码器是一种可选的访问模式；当数据处理器仍在正常工作时，继续访问编码设备，并从上次采集的读数中减去读数，如果误差为n，则终止访问，并进行2个编码器数值的对比，以调整与数据处理器的数据输出差异。对于增量解码器，可以选择中断方式；每次解码器产生脉冲信号，都将产生处理器的1次中断，从而积累脉冲数，当脉冲数超过n个时，则进行2个解码器的数值对比，从而调节数据处理器的数据输出[4]。

4.3 数据的失电保护

在传统模式下，系统使用绝对编码器。当控制台（PLC）每次读取编码器时，读取的是支腿的实际位置值（以角度表示）。绝对值编码器在任何地方记录真实数据，因此不会丢失断电数据。在双检测轮技术中，支腿的绝对定位值由数据处理器计算，其数值被存储在处理机的内存中。要确保每次开机时，数据处理器都给出准确的绝对定位值，而存储定位信息的内存则要通过无易失的随机存储器，以保证向上位机传递的信息是支腿的绝对定位值。此外，在失电情况下，如果起重机在外力作用下移动，则不会检测到移动距离，因为即使是存储的数据也与实际情况不同。在这些情况下，必须通过校正同步工作状态来重置支腿的零位移值。当然，如果数据处理器使用可充电电池不间断供电，使数据处理器始终工作，则起重机断电状态下的定位测量可以得到妥善解决。

5 结束语

本文提出了一种新的双检测轮检测与校正设计方法，以提高起重机的可靠性和安全系数。这个假设是一个讨论，以便通过这种方式获得更理想的解决方案，使起重机位置监测更加可信，并确保了起重机的安全工作。笔者通过对1架42 m跨距的单门式起重机进行实验，剖析龙门式起重机中刚性腿与柔性脚行走同步产生误差的成因，并提出克服对策，从而设计了一种有效的纠缠系统。