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1、专科毕业设计（论文）设计题目： 浅谈龙门吊的纠偏系统 系 部： 电气工程系 专 业： 电气自动化/计算机应用技术 班 级： 船港/微机 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 助讲 2009年6月 南京摘 要 本文介绍了600吨龙门吊的纠偏系统，其原理是利用绝对值编码器测量起重机车架相对于轨道的偏斜，通过PLC控制的变频器调整两边驱动电机的转速，自动修正车架的偏斜。用于位置检测的编码器，绝对值型多圈编码器最合适，它没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失，这是别的编码器所不具备的。信号传输也是这个系统中重要组成部分，光纤有无可比拟的优越性，通信容量大、传输距离远。光纤的损耗极低，信号串扰小、
2、保密性能好，从而使大车的运行情况迅速传送到ABB编码器模块。本龙门吊有三种纠偏方式：自动纠偏，手动纠偏，电磁铁纠偏。关键词 起重机纠偏 绝对值编码器 光纤通信 AbstractThis paper describes the correction of 600 tons gantry system. The principle is the use of absolute encoders crane frame measuring the deflection of the orbit, through PLC-controlled inverter drive motor to adjus
3、t the speed on both sides. The frame automatically correct the deviation. Position detection for the encoders, absolute multi-turn encoder is the most suitable, it does not accumulate error. Power will not be lost after removal of the location information, the other encoders do not have this feature
4、. The signal transmission is also an important component of the system, optical fiber has unparalleled advantage， such as communication capacity, transmission distance, Low loss，Signal crosstalk small, confidential performance, so that the operation of carts quickly sent to ABB encoder module. The g
5、antry has three corrective methods: automatic correction, manual correction, correcting electromagnet.Keywords crane deviation rectification absolute encoder fiber 目 录1 绪论11.1 如何选择编码器11.2 绝对编码器11.3 单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器21.4 绝对值编码器的信号输出31.4.1 并行输出31.4.2 串行SSI输出31.4.3 现场总线型输出31.4.4 编码器的选择32 如何通信32.1 光纤通信原
6、理42.2 光纤维护43 如何纠偏53.1 自动纠偏53.2 电磁铁纠偏63.3 机械纠偏63.4 纠偏装置常见故障6结 论8致 谢9参 考 文 献101 绪论本龙门吊跨距186米，高80米，对于这么一个龙门吊纠偏装置显得尤为重要。大车纠偏主要是指大跨度的门机大跨度的桥机大车运行不同步的纠偏，发生跑偏现象主要是大跨度门机，由于信号传输距离不同，支腿的变形及大车电机的不同步产生了车轮运行速度的不一致。主要解决方案：在两侧的大车运行车轮上被动轴上分别设置一个编码器，通过编码器的测量值，反馈到系统的变频器编码器模块和PLC中，然后通过电气自动纠偏，也可以通过屏显，反馈到司机室，司机通过操作控制每侧大
7、车电机的转速，使两侧的车轮偏差减小。如何选择传感器，如何使传感器和变频器编码器模块建立信号连接，以及如何纠偏是本文探讨的问题。1.1 如何选择编码器编码器安装在车轮上，起到接受信号作用，编码器单圈从经济型8位到高精度17位，价格可以从几百元到1万多不等；绝对编码器多圈大部分用25位，输出有SSI，总线 Profibus-DP,Can L2,Interbus,DeviceNet,价格也可以从3千多到1万多不等。旋转光电编码器测量角度和长度，编码器种类多种多样，我们应该选择什么类型编码器呢？1.2 绝对编码器绝对是相对于增量而言的，顾名思义，所谓绝对就是编码器的输出信号在一周或多周运转的过程中，其
8、每一位置和角度所对应的输出编码值都是唯一对应的，如此，便具备掉电记忆功能。“绝对型编码器”使用某种方式表示并记忆物体的绝对位置，角度和圈数。即一旦位置，角度和圈数固定，什么时候编码器的示值都唯一固定，包括停电后投电。“增量型编码器”做不到这一点。一般“增量型编码器”输出两个A、B脉冲信号，和一个Z(L)零位信号，A、B脉冲互差90度相位角。通过脉冲计数可以知道位置，角度和圈数增量，通过A,B脉冲信号超前或滞后可以知道方向，停电后，必须从约定的基准重新开始计数。“增量型编码器”表示位置，角度和圈数需要做后处理，重新投电要做“复零”操作，所以，“增量型编码器”比“绝对型编码器”在价格上便宜许多。
9、绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是： 1. 可以直接读出角度坐标的绝对值；2. 没有累积误差； 3. 电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数。绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码
10、盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。绝对式编码器是依据计算机原理中的位码来设计的，比如：8位码（0000 0011），16位码，32位码等。把这些位码信息反映在编码器的码盘上，就是多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线。如此编排的结果，比如对一个单圈绝对式而言，便是把一周360分为2的4次方，2的8次方，2的16
11、次方,位数越高，则精度越高，量程亦越大。这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。1.3 单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝
12、对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称之为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。1.4 绝对值编码器的信号输出绝对值编码器信
13、号输出有并行输出、串行输出、总线型输出。1.4.1 并行输出绝对值编码器输出的是多位数码（格雷码或纯二进制码），并行输出就是所有信号各占一信号线同时输出，以代表数码的1或0，对于位数不高的绝对编码器，一般就直接以此形式输出数码，可直接进入PLC或上位机的I/O接口，输出即时，连接简单。1.4.2 串行SSI输出 串行输出就是通过一定的协议，在时间上有先后的数据输出，这种约定称为通讯规约，其连接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485等。由于绝对值编码器好的厂家都是在德国，所以串行输出大部分是与德国的西门子配套的，如SSI同步串行输出。串行输出连接线少，传输距离远，对于编码器的保
14、护和可靠性就大大提高了。一般高位数的绝对编码器都是用串行输出的。1.4.3 现场总线型输出现场总线型编码器是多个编码器各以一对信号线连接在一起，通过设定地址，用通讯方式传输信号，信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号。总线型编码器信号遵循RS485的物理格式，其信号的编排方式称为通讯规约，目前全世界有多个通讯规约，各有优点，还未统一，编码器常用的通讯规约有如下几种：PROFIBUS-DP； CAN；DeviceNet； Interbus等总线型编码器可以节省连接线缆、接收设备接口，传输距离远，在多个编码器集中控制的情况下还可以大大节省成本。 编码器如是总线型输出，接受设备需配专用的
15、总线模块，例如PROFIBUS-DP。但是，如选择总线型输出编码器，在编码器与接收设备PLC中间，就无法加入其他显示仪表，如需现场显示，就要从PLC 再转出信号给与信号匹配的显示仪表。有些协议自定义的RS485输出信号进PLC的RS485接口，需PLC具有智能编程功能。1.4.4 编码器的选择我们要求：能够记录大车行走位置，和S7-300，ABB编码器模块能建立信号连接，所以我们选择多圈绝对值编码器.编码器电源电压为交流220V，信号输出及接口形式为总线接口PROFIBUS-DP，IP护等级（Protection）为外盖防护等级。2 如何通信PLC和各远程I/O用DP通讯连接，而传感器信号又是
16、如何送入CPU和变频器编码器模块的呢，光纤起很大作用。我们假设刚柔腿行走信号同时发出，可是信号总是先到刚腿（刚腿离的近），后到柔腿。这就会导致不管向哪个方向行走，刚腿都会走在前面，出现刚柔腿偏差，如何才能使信号同时到达接受端，使用什么样通信材料是本章探讨的问题。2.1 光纤通信原理光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一光纤是由绝缘的石英材料制成的，通过提高材料纯度和改进制造工艺，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程，光频作为载频已达通信载波的上限，因为光是一种频
17、率极高的电磁波，因此用光作为载波进行通信容量极大，是过去通信方式的千百倍，具有极大的吸引力，光通信是人们早就追求的目标，也是通信发展的必然方向。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围内），被全部反射回来。根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光，损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光
18、纤是否弯曲的影响（弯曲半径要大于最小弯曲半径）。大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。大车行走编码器发出的电信号经光纤中继发出光信号沿光纤传播，此时光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化。PLC柜则有 PIN 或 APD 光电二极管作为检波器接收信号。为确保信号的有效传输，在光发送端之前需增加光放大器，以提高入纤的光功率，在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。刚柔腿的行走信号被送入ABB编码器模块，如何自动纠偏在下章中叙述。2.2 光纤维护保持机房环境良好。要保持设备良好的运行状态，首先要处理好机房设备的散热问题，机房空调设备必须正常制冷，室温保持在25C。没备定
19、期除尘，定期清洗、装过滤网、风扇等，保证设备处于健康状态运行。清理灰尘时要小心谨慎，在清理前，首先记录各类开关、线缆接头的位置，以防清理出现的故障时，能及时、迅速恢复。清理时，不能用湿布，以防设备短路损坏板卡。3 如何纠偏3.1 自动纠偏开始初始化大车右行大车左行检测两侧门腿编码器脉冲计算出大车门腿速度及偏斜量S走行速度有偏差？偏斜量S超过限制值刚腿速度大于柔腿S0？刚腿变频器控制电流减小柔腿变频器控制电流减小 图1 纠偏原理图刚腿和柔腿行走绝对值编码器均用DP通讯电缆连接到相应的远程控制柜，通过光纤中继把DP信号转成光纤信号，然后把光纤信号通过光纤传输到PLC柜的光纤中继，光纤中继把光纤信号
20、转成DP通讯信号，送到变频器编码器模块和PLC的CPU，在司机室的触摸屏可以看到两车相对位置。刚柔腿各安装绝对值编码器一只，记录行走距离，理论上刚柔腿行走距离应相等，但由于由于路轨不平,电机驱动不一致,信号传输距离不一致等原因,一般情况下刚柔腿行走距离都不相等，增加了起重机不稳定不安全的因素,严重的会出现机毁人亡的局面,给船厂带来巨大损失。国家明文规定龙门吊刚柔腿偏差不得超过龙门吊跨距0.3%,对于一个跨距186米的龙门吊来说,允许偏差为186*0.3%=56CM,为了使龙门吊运行更稳定,我们的系统设定刚柔相差18.6CM,自动纠偏自动投入运行。变频器调整两边电动机的转速，自动修正两面的偏斜，
21、并加强两边的水平刚性按，采用变频方式驱动两套大车运行电机，通过调整两套变频器的输出频率，改变主动车轮运行速度，从而起到纠正车架偏斜的目的。自动纠偏的方法是快了就减速的方法如起重机在运行过程中，柔腿侧较快，且偏差已经到了18.6CM，这时柔腿变频器的控制端输入了减速控制信号，柔腿侧的12个电动机则立即进行减速运行，使柔、刚腿侧电动机又同时以相同的转速稳定运行。3.2 电磁铁纠偏纠偏装置的信号采集装置由安装在刚柔腿旁各安装磁感应开关一只以及在对应位置地面安装的多块磁块组成（轨道旁每隔50米），当偏差超过18.6CM时纠偏系统自动投入运行。优点是：安全性与可靠性高；采集的偏斜信号连续，纠偏的精度高；
22、外部因素对偏斜信号的影响小；偏斜的最终基准置于地面，基准准确。3.3 机械纠偏柔腿顶部安装两只行程开关,当刚柔腿偏差到一定程度时偏差超过跨度的0.4%时,开关动作, 偏斜限制器就自动断开大车运行控制回路,大车停止运行,此时可以投入手动纠偏，即刚腿或者柔腿单动，以达到纠偏目的。此时刚柔腿要有人测量，以防矫枉过正，拉垮大车。3.4 纠偏装置常见故障安装在刚柔腿的感应开关由于位置较低，会摩擦到钢板，甚至有可能被拖掉，这就要求大车车轮两侧不得有铁块，刚板之类东西。超载行走时，大车晃的厉害，柔腿上的限位开关有可能被撞到动作，大车停车。此时需到司机室触摸屏看看刚柔腿显示偏差是多少，然后拿着尺子测量刚柔腿实
23、际偏差。如果实际偏差很小，在允许范围内，只要到限位开关复位即可。如果实际偏差超出允许值，就要使用手动纠偏。如果显示偏差很大，但测量的实际偏差很小，则需要把触摸屏这一数值初始化。磁感应开关感应不到下面的磁铁，此时可以调节下面磁铁和开关的距离。大车在行走，但触摸屏显示编码器处于静止状态且不发出信号，故障可能是编码器和车轮的连接轴以损坏。结 论 经过调试，该纠偏系统运转状况良好。当偏差达到18.6CM时自动纠偏系统投入运行，自行调整两车速度，使刚柔腿偏差在允许范围内。大车纠偏是一个整体系统，要求编码器，光纤，变频器紧密配合，任何一个地方有故障都会影响系统功能的发挥，并且刚柔腿偏差过大将产生灾难性的后
24、果，所以大车纠偏一般都要有两到三层防护。该系统保证了龙门吊的正常工作，为提高驱动装置和金属构件的安全性和使用寿命作出了积极贡献。致 谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯，走得辛苦却也收获满囊。感谢蒋老师从论文题目的选定到论文写作的指导，经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟，使我对大车纠偏控制系统有了深刻的认识，并最终得以完成毕业论文。您严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度、以及诲人不倦的师者风范是我毕生的学习楷模。在四年的大学生涯里，还得到众多老师的关心支持和帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 同时,也要感谢在论文写作过程中，帮助过我、并且共同奋斗四年的同学们，祝愿大家有个美好的未来！最后还要感谢我的母校 技术学院四年来对我的培养。参 考 文 献1 丁晓平.轨道式场桥门腿刚性与啃轨问题的研究.港口装卸, 2005 (1) 2 唐书华, 曹志民. 32 m跨距龙门式起重机走斜问题分析及处理. 河南冶金, 2002 (1) 3 期刊论文机电一体化- 2003年4期- 谢剑刚4 期刊论文起重运输机械- 2003年5期- 谢剑刚 5 期刊论文 港口装卸 - 2008年3期- 林承朝
