桥式起重机大车机构双闭环纠偏技术及应用

桥式起重机大车机构双闭环纠偏技术及应用

聂 凯 庞 双

科尼起重机设备（上海）有限公司 上海 200331

摘 要：结合某些工业领域桥式起重机主从机联动应用中的稳定性、安全性问题，介绍了双闭环纠偏技术的基本原理，以及外环PID和内环PID功能描述。结合某电厂应用实践，介绍了系统的硬件组成、主要纠偏参数调整以及纠偏达到的效果。

关键词：桥式起重机；双闭环；啃轨；纠偏

中图分类号：TH215 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2019）16-0052-04

Abstract: Combined with the stability and safety problems in the application of master-slave linkage of bridge cranes in some

industrial fields, this paper introduces the basic principle of double closed-loop rectification technology and describes the functions of outer-loop PID and inner-loop PID. The hardware composition of the system, the adjustment of main correction parameters and the correction effect are introduced by combing with the application practice of a power plant.

Keywords: bridge crane; double closed loop; rail gnawing; correction

0 引言

近十几年来桥式起重机大车纠偏技术即大车车轮啃轨治理理论技术不断完善，各种工业领域桥式起重机大车纠偏技术应用于工程实践，并取得了显著的效果。

解决大车车轮啃轨现象根本出路在于纠正车架相对于轨道的偏斜，保证车轮沿着轨道的中心线行走，并把偏斜行走的侧向移动限制在侧隙范围内，则车轮轮缘与轨道侧面就没有接触和挤压，当然也就没有啃轨[3]。因此，同时调整桥式起重机大车侧移量（行进方向上的偏差），使起重机大车机构车轮沿轨道中心线行走，以及车轮偏斜量（大车车轮中心线和轨道中心线偏斜角）是合理的控制策略。基于这样的理论基础，应用现代自动控制技术，可以构建全新起重机大车机构双闭环纠偏控制系统，使大车车轮同时沿着轨道中心线并且沿着直线行走，实现全自动调整大车机构啃轨。

1 双闭环纠偏控制系统基本原理

双闭环纠偏控制系统是内、外环比例增益级联的自动系统。系统主要由外部信号采集和处理系统、调整大车侧移量的外环PID控制器、调整车轮偏斜量的内环PID控制器和输出执行系统组成。外部信号采集和处理系统负责检测处理并接收大车机构两侧位置信号、位置校正信号、大车车轮与轨道之间距离信号和大车运行速度及方向信号，同时把大车位置信号和轨道与车轮距离信号综合处理成相应的两个纠偏信号即大车侧移量和车轮偏斜量。

这两种纠偏信号分别作为外环PID控制器和内环PID控制器的纠偏信号，外环PID控制器接受大车侧移量信号，如果大车行走方向没有沿着轨道中心线行走，则侧移量信号超出控制器内部允许误差值，侧移量信号乘以外环输入比例增益，纠偏信号经过控制器计算后乘以外环输出增益，输出作为内环控制器输入给定信号，并自动启动纠偏功能，控制输出纠偏信号至输出执行系

引　用　格　式聂凯,庞双.桥式起重机大车机构双闭环纠偏技术及应用 [J]. 起重运输机械，2019（16）：52-55.52

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统，调整大车机构左右两侧运行速度，直到纠偏信号调整到正常范围之内，自动停止纠偏。

如图1所示，内环PID控制器同时接收外环纠偏输出信号和车轮偏斜量信号并进行逻辑计算，如果计算内环错误值超出正常允许值，该错误值乘以内环输入比例增益，经过计算后乘以内环输出增益，输出纠偏控制信号并自动启动纠偏功能，内环控制器输出纠偏信号，调整大车机构左右两侧速度，直至大车侧移量和车轮偏斜量调整到正常之内，系统自动停止纠偏.

图1 双闭环纠偏控制系统

2 外环PID纠偏控制系统功能

双闭环纠偏控制逻辑算法在PLC程序内实现。外环PID控制器接收大车侧移量信号。外环PID控制系统硬件主要由脉冲编码器、磁感应开关、磁感应块、PLC和变频器等构成。大车机构左右两侧端梁的被动轮上分别安装脉冲编码器, 大车运行时编码器将脉冲信号发给PLC, PLC对两边的脉冲信号进行处理,并综合处理内环PID系统的激光测距传感器信号计算出大车侧移量信号,如果该信号超出系统允许偏差值,则系统认为大车没有沿着直线行走,自动启动纠偏功能,外环PID控制器经过PLC程序逻辑处理和内部比例增益放大后输出速度纠正信号，该信号自动调整大车左右两个变频器的速度给定量,直至大车侧移量信号回到正常值，系统自动停止纠偏功能，如图2所示。

在两边端梁处还安装两只磁感应开关,并延着两根大车轨道每隔10 m安装磁感应块作为位置校验位,同时把这些物理位置存储在PLC中。当磁感应开关经过磁感应块时，PLC将大车两边的实际位置和存储位置进行比较，如果误差超出设定值，PLC把存储位置发送给

EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术编码器作为实际位置值,每隔10 m检测更新一次,保证了系统的检测精度。

图2 外环PID系统示意图

3 内环PID纠偏控制系统功能

内环PID控制器接收外环PID输出信号和车轮偏斜量信号。内环PID控制系统硬件主要由激光测距仪、PLC和变频器等构成。在一侧端梁的首尾两端同侧处安装二只激光测距仪检测车轮与轨道中心的相对位置，用来保证大车运行时车轮与轨道无偏斜。在大车运行过程

中, 该距离信号始终传送给PLC, 如果PLC接受到的两只激光测距仪距离差异信号,并综合大车脉冲编码器信号，计算出车轮偏斜量信号，如果该信号超出正常允许范围则PLC系统认为大车运行偏斜,自动启动纠偏功能, 内环PID控制器经过PLC程序逻辑处理和内部比例增益放大后输出速度纠正信号，调整大车机构左右两侧变频器速度纠正信号，直至车轮偏斜量信号回到正常范围，则自动停止纠偏功能，如图3所示。

图3 内环PID系统示意图

4 实际应用

某电厂汽轮厂房230/30 t起重机由于啃轨严重，采

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设备技术EQUIPMENT TECHNOLOGY

用双闭环纠偏系统就行纠偏。该起重机主要技术参数如下：起重机跨度为45.794 m；大车车轮数量为8(单边)只×2组=16只；大车车轮轮距(相邻)为0.550 m；大车车轮轮距(单边端梁首末两只)为6.8 m；大车车轮直径为Φ400 mm；整车自重为215 t（其中包括小车自重35 t）；大车共2台驱动电机，电机功率11 kW。

该起重机担负着汽轮机的吊运任务, 是汽轮机在大修期间的关键吊装设备，由于该跨只有一台起重机，故该设备担负该跨内所有地面设备的吊入或吊出的安装与运转工作。汽轮机设备检修期间,使用十分频繁。

如图4所示，该双闭环纠偏控制系统主要由安装在大车从动轮上的两套莱纳林德脉冲编码器、安装在大车端梁的两套施迈赛磁感应开关和沿着轨道方向安装的每隔10 m安装的感应磁铁、安装在一侧大车端梁首位两端的两套西克激光测距仪、安装在纠偏控制柜的西门子S7-300PLC系统和两台科尼变频器及若干继电器等组成。

在核心的PLC程序中，双闭环系统的外环、内环的输入输出增益、车轮位于轨道中心时激光检测距离（理想距离）、最大距离、最小距离、原始数据的滤波时间、车轮纠偏范围、纠偏响应时间、纠偏时间限制等参数的设置是纠偏的关键。

图4 双闭环系统硬件示意图

在工程实际应用中，PID调节结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便。通过比例增益级联的内环PID和

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外环PID构成了整个纠偏控制理论的基本结构。内、外环增益参数依靠现场经验和现场调试确定。

当大车车轮处于轨道中间时，通过编码器和激光测距仪测得理想距离为100 mm。当大车车轮轮缘靠近轨道两侧时极限位置分别为65 mm和135 mm。当大车侧移量信号和车轮偏斜量信号大于或小于100 mm时，则启动纠偏系统，PLC系统输出速度纠偏信号到两侧的变频器微调大车见图5。左右两侧的运行速度，直至偏斜信号回到理想距离100 mm为止。

图5 激光传感器理想距离示意图

如图6所示，基于车轮距离轨道理想距离，在实际应用中用五种端梁车轮位置来表示大车的最大偏斜情况，显示侧移量信号和车轮偏斜量信号的最大值。端梁车轮位置A显示车轮正好在理想的轨道中央位置100 mm，此时纠偏系统不工作；位置B和C显示端梁所有车轮轮缘靠近轨道左侧或右侧，也就是大车侧移量信号大于或小于理想距离100 mm，此时纠偏系统自动启动，外环PID系统开始工作，PLC每个扫描周期都微调整左右大车机构变频器运行速度，直至端梁全部车轮回到理

想位置A时停止纠偏；位置D和E显示端梁前后车轮偏斜最大位置，前部车轮轮缘靠近右侧轨道或左侧轨道，

后部车轮轮缘靠左侧轨道或右侧轨道，也就是车轮偏斜量信号大于或小于理想距离100 mm，此时内环PLD系

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统开始工作，纠偏系统自动启动，PLC每个扫描周期微调整左右两侧大车机构变频器运行速度，直至端梁全部车轮回到理想位置A时停止纠偏。

图6 大车车轮偏斜示意图

车轮纠偏范围设置为+/－2.5 mm。因为大车跨度约46 m，单侧端梁首尾两个车轮轮距约7 m，两个激光传感器安装距离5 m。所以当激光传感器安装位置最大允许偏差为+/－2.5 mm时，大车机构两侧允许最大偏差约+/－22 mm，单侧端梁首尾两个车轮允许最大偏差约+/－3.5 mm。该纠偏系统中，实测PLC程序的扫描周期介于10~15 ms之间，当激光传感器测得最大+/－2.5 mm偏差时，PLC系统需要10~15 s可以完全纠正+/－2.5 mm的单侧车轮偏斜。在现场利用Profi-bus专用数据采集计算机及Konecrane NCDrive 软件，对纠偏系统的数据进行分析优化，在整个大车运行区间内，在纠偏过程中，所有大车车轮偏离理想位置100 mm的最大允许值不超过+/－2.5 mm，即所有车轮轮缘距离轨道的偏差值始终保持在5 mm以内，彻底消除了啃轨故障。.

图7 车轮侧移量和偏斜量实际距离记录图(红线)

EQUIPMENT TECHNOLOGY设备技术5 结论

本文介绍的PLC纠偏系统是一个单独的控制系统, 不参与主钩、副钩、小车的控制，对大车而言只是一个优化大车走行的系统，用户可根据需要选择是否投入使用。如果用户选择使用该系统，只需将电控箱上的转换开关转到ON的位置即可，系统将自动投入使用，反之,则将转换开关转到OFF的位置。从而避免了由于PLC系统的故障而影响整台行车的运行。在纠偏实施的过程中，如果在检查点上轨道两端的磁感应块没有被检测到，则系统在该处不实施纠偏，以防止误纠偏而对设备造成损伤，运行至下一个检查点处，检测到位置信号后进行纠偏。如果由于传感器失效而引起的较大的比较偏差，则系统不实施纠偏，以防止机械损伤。

在纠偏功能投入运行中，PLC会输出大车偏斜、纠

偏功能投入的信号，并显示在操作台和电控箱的面板上(指示灯点亮)，当完成纠偏后，指示灯自动熄灭，整个过程是完全自动的。

参考文献

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作 者：聂 凯

电子信箱：kai.nie@konecranes.com 收稿日期：2019-02-27

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