軌行式設(shè)備自適應(yīng)軌道控制技術(shù)

周 平 陳 強(qiáng) 羅冬春

中交二航局第二工程有限公司 重慶 400000

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展，橋門式起重機(jī)等行走式設(shè)備在制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，軌行式設(shè)備在行走過程中常常發(fā)生行走機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)不同步的情況，以及不能適應(yīng)軌道曲線變化的情況，極易造成設(shè)備啃軌、脫軌，甚至傾覆等問題。

為確保行走式設(shè)備行走機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的同步性，常規(guī)的解決方法是由可編程控制器（PLC）根據(jù)設(shè)置在設(shè)備兩側(cè)門腿的編碼器數(shù)值差異進(jìn)行設(shè)備行走的自動糾偏控制。由于編碼器在軌道上滾動計(jì)量不準(zhǔn)確，累積誤差較大，在使用過程中，非但不能確保同步，反而容易造成更大的不同步問題，且這種方法也很難適用于不規(guī)則軌道的情況。

一般軌行式設(shè)備其行走機(jī)構(gòu)只適用于直線軌道，無法兼容不規(guī)則軌道的情況，特別是曲率半徑不斷變化的軌道。但由于場地規(guī)劃限制，軌道線形設(shè)置往往不規(guī)則，如果軌行式設(shè)備沒有一種良好的適應(yīng)曲線軌道的控制手段，將對場地規(guī)劃、施工方案設(shè)計(jì)造成較大的限制，從而導(dǎo)致項(xiàng)目成本增加，甚至埋下安全隱患。

自適應(yīng)軌道控制技術(shù)能很好解決軌行式設(shè)備在曲線軌道上安全行走的問題和行走的同步性問題，使設(shè)備安全、有效地運(yùn)行。

1 自適應(yīng)軌道控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為解決上述問題，需要從電氣控制和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2方面入手，本文以門式起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）為例進(jìn)行描述。

1.1 電氣設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電氣自動控制的核心原理是利用RFID無線射頻實(shí)時識別技術(shù)定位門機(jī)左右支腿的位置信息，并利用PLC通過控制變頻器調(diào)整左右支腿的行走速度實(shí)現(xiàn)同步。本系統(tǒng)與常規(guī)行走機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的區(qū)別主要包括：1)具有實(shí)時準(zhǔn)確檢測左右門腿行走位置的檢測裝置；2)可根據(jù)2門腿行走的位置差，計(jì)算2門腿行走的速度調(diào)整值，并將調(diào)整信號輸出到行走電動機(jī)的可編程控制器；3)2門腿的行走機(jī)構(gòu)分別配備可單獨(dú)調(diào)速的變頻器；4)設(shè)計(jì)具有意外情況的安全保護(hù)程序。根據(jù)以上思路，形成了該系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

1.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制原理

該系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、檢測裝置、可編程程序控制器、調(diào)速裝置、通訊系統(tǒng)等組成。

1）檢測裝置 該裝置由RFID標(biāo)簽及讀寫器組成。RFID標(biāo)簽作為絕對的物理定位坐標(biāo)，沿軌道徑向同一截面的左右軌道處均勻設(shè)置，每間隔一定距離設(shè)置1組標(biāo)簽，2個RFID讀寫器分別安裝在左支腿和右支腿的輪箱上，通過讀寫器讀取標(biāo)簽，從而檢測2支腿運(yùn)行的實(shí)際位置。

2）可編程程序控制器 PLC作為核心控制器，根據(jù)2個讀寫器檢測到同一組標(biāo)簽的時間差，確定2支腿實(shí)時的位置差，及時調(diào)節(jié)其中一支腿的運(yùn)行速度，進(jìn)行位置補(bǔ)償。從而實(shí)現(xiàn)門機(jī)在曲線軌道上的同步運(yùn)行。

3）調(diào)速裝置 門機(jī)行走機(jī)構(gòu)采用變頻驅(qū)動系統(tǒng)，左、右支腿分別采用單獨(dú)的變頻控制器。變頻器受PLC控制，PLC將運(yùn)算后的調(diào)速信號輸入到變頻器，進(jìn)而控制左右行走機(jī)構(gòu)的行走速度。

4）通訊系統(tǒng) 操作信號和檢測信號通過RS-485傳遞給PLC，PLC的控制信號通過以太網(wǎng)傳遞給控制左、右支腿速度的變頻器。

為了提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，PLC在程序設(shè)計(jì)時充分考慮了異常情況的安全處置。如果某一個RFID標(biāo)簽在讀取過程中丟失，則在讀取下一組RFID標(biāo)簽之后發(fā)出警示信號，將這2組RFID標(biāo)簽作為1組進(jìn)行位置偏差計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果作為下一階段運(yùn)行速度的調(diào)整依據(jù)，避免出現(xiàn)更大的偏差。如果出現(xiàn)連續(xù)2個（或以上）RFID標(biāo)簽丟失，則PLC會發(fā)出報警信號并停止大車運(yùn)行，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

1.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

設(shè)備行走過程中，PLC通過左右支腿RFID讀寫器讀取RFID標(biāo)簽的位置信息，判定左右支腿抵達(dá)這一組標(biāo)簽的先后順序及時間差，計(jì)算出不同步的偏差距離，然后PLC通過以太網(wǎng)控制左右支腿的變頻器頻率，調(diào)整左右支腿驅(qū)動電動機(jī)的速度，消除不同步的偏差距離。當(dāng)門機(jī)行走到下一組RFID標(biāo)簽，再次進(jìn)行左右支腿的同步對比，再次消除左右支腿的不同步偏差，如此動態(tài)循環(huán)，確保左右支腿始終保持在一定的同步偏差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)曲線軌道運(yùn)行速度差的控制。

PLC的計(jì)算原理如圖2所示。左右軌道每間隔距離L布置1組RFID標(biāo)簽N1和N2，左支腿運(yùn)行速度為V1，右支腿運(yùn)行速度為V2。當(dāng)左支腿運(yùn)行到b1時，右支腿還沒有抵達(dá)b2；而當(dāng)右支腿運(yùn)行到b2時，左支腿離開b1的時間為Δt，如果需要2支腿同時到達(dá)c1，即為

則需要調(diào)整右支腿的速度為

門機(jī)每通過一組標(biāo)簽，PLC對左右支腿的行走速度調(diào)整一次，及時消除不同步的偏差距離。如果標(biāo)簽b1(或b2)丟失，則系統(tǒng)發(fā)出警示信號但不停機(jī)，并以讀取標(biāo)簽c1、c2的時序進(jìn)行比較和計(jì)算，計(jì)算原理同上；如果標(biāo)簽b1和c1(或b2和c2)同時丟失，則系統(tǒng)報警并停機(jī)以確保安全。

1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)軌行設(shè)備行走機(jī)構(gòu)的車輪輪箱不具備水平旋轉(zhuǎn)的功能，為了讓車輪適應(yīng)曲線軌道，將行走機(jī)構(gòu)的車輪輪箱設(shè)計(jì)為具有在水平方向可自由隨動旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鉸，如圖3所示。

由于水平轉(zhuǎn)鉸的存在，車輪行駛在曲線軌道時，車輪輪箱可隨著軌道曲線水平旋轉(zhuǎn)，自動適應(yīng)軌道的弧度變化，進(jìn)一步避免了啃軌現(xiàn)象。

2 具體實(shí)施方案

2.1 電氣自動控制的實(shí)施

在曲線軌道左右兩側(cè)同一徑向斷面對應(yīng)的2個點(diǎn)設(shè)置1組RFID標(biāo)簽，沿軌道方向每間隔一定距離設(shè)置1組標(biāo)簽，每組標(biāo)簽寫入不同的識別號，布置如圖4所示。

RFID標(biāo)簽安裝在軌道梁上，可通過在軌道梁上鉆孔植入 RFID標(biāo)簽后，灌注環(huán)氧樹脂將其固定，也可直接將其澆筑在混凝土梁內(nèi)，如果室內(nèi)環(huán)境良好，也可直接粘附在軌道或軌道梁上。

RFID讀寫器分別安裝在門機(jī)左右支腿輪箱底部的對稱位置，如圖5所示。為了適應(yīng)不同的安裝場景，設(shè)計(jì)可專門的安裝支架。

RFID讀寫器支架為可調(diào)式，可沿水平和垂直方向?qū)ψx寫器的位置進(jìn)行調(diào)整，以確保RFID讀寫器和標(biāo)簽之間的相互位置和距離。如圖6所示。

RFID讀寫器應(yīng)選擇讀寫距離較近的型號，一般b取值為10 cm左右為宜（根據(jù)使用場景的不同，可有不同的選擇），若b值過大，支腿上的RFID讀寫器尚未行走到位就已感應(yīng)到RFID標(biāo)簽，則控制精度會降低。b值過小，RFID讀寫器安裝位置距離軌道梁太近，易發(fā)生磕碰損壞。

同一軌道RFID標(biāo)簽之間的間距根據(jù)設(shè)備允許的不同步誤差大小來確定。標(biāo)簽在軌道上設(shè)置越密集，則2支腿的同步性越好，可使行走設(shè)備的車輪始終沿軌道切線方向行駛，而不出現(xiàn)啃軌、脫軌、傾覆等現(xiàn)象。

2.2 行走機(jī)構(gòu)的制作

為了適應(yīng)曲線變化，行走機(jī)構(gòu)必須能夠水平旋轉(zhuǎn)，因此，需要在門腿與輪箱之間設(shè)置轉(zhuǎn)鉸，可采用平面止推軸承，也可制作簡易的轉(zhuǎn)鉸裝置。輪箱水平轉(zhuǎn)鉸的制作如圖7所示。

轉(zhuǎn)鉸的上體與下體之間可旋轉(zhuǎn)滑動，上體沿垂直方向支撐于下體上，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自重及荷載的有效傳遞。上體的下沿卡在下體內(nèi)，避免上下體發(fā)生脫離。上下體之間設(shè)置注油口，可在上下體之間的摩擦面加注潤滑脂。

3 應(yīng)用情況

某項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制箱梁安裝工藝，預(yù)制箱梁吊裝采用門式起重機(jī)。因場地條件限制，門式起重機(jī)軌道需要采用曲線軌道。如采用常規(guī)門式起重機(jī)作業(yè)，符合敷設(shè)直線軌道的場地會大幅減少，極大地制約制梁工效，影響施工效率，增加施工成本。采用自適應(yīng)曲線軌道控制技術(shù)解決了門式起重機(jī)在曲線軌道上行走的問題和同步性問題，提高了場地的使用面積，增加了預(yù)制臺座的數(shù)量，如圖8所示。

自適應(yīng)軌道控制系統(tǒng)的成功研制較好地解決了行走式設(shè)備的同步性問題和曲線軌道的行走問題，提高了行走式設(shè)備的適應(yīng)性和安全性，具有較好的應(yīng)用前景。