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摘要：本文主要探讨了起重机自动纠偏系统的改进和纠偏系统。
关键词：起重机；自动偏离；系统改进
中图分类号：TH21文献标识码： A
前言
门式起重机在大型工矿企业、港口中有着广泛的应用。在大跨度门式起重机工作时，由于跨度大，经过长时间运行会出现两侧支腿超前或滞后，会使主梁变形，严重影响了起重机的使用时间和安全运行，为了解决这些问题，用户对纠偏技术提出很严格的要求，传统的纠偏方法是依靠手动操作和仪器测量调整，但是，起重机运行比较频繁，这样不但效率低、而且存在严重的安全隐患。本文中基于PLC和传感器的自动纠偏装置克服了以上的集中问题，而且实时监控起重机运行状态，实时在偏差范围进行自动纠偏。
1.装置的组成
本装置有工控机、人机界面、PLC、两个绝对值编码器、两个自由轮和两个接近开关组成。
图：自动纠偏装置结构框图
本纠偏装置逻辑控制为起重机自身电气控制系统的西门子S7-226型PLC；采用倍加福NBB15-30GM50-12电感式接近开关为啃轨信号检测传感器，它具有精密检测和适应恶劣环境等优点;安装在从动轮上的绝对值编码器检测大车位移速度，通过PLC逻辑比较计算，对支腿进行速度调整。
2.变频纠偏系统
2.1、变频纠偏原理
随着变频技术的不断发展和广泛的应用，起重机的大车运行机构也越来越选择与变频调速的方案。使用变频空调技术可以使得大车运行机构具有比较完美的机械特性和良好的启、制动性能。笔者提出了变频纠偏在起重机纠偏上的原理，并且设计出变频纠偏的实验装置，如下图所示。
图：变频纠偏装置示意图
1、3—主动车轮；2、5—电机；4、8-变频器；6-单片机系统；7-车架；9、10、11、12-编码器。
该系统采用自动检测、自动调整的主动式预防纠偏，是解决起重机啃轨的一种新方法。该系统由位移传感器、计算机、变频器、电动机组成。纠偏电压根据起重机的运行速度而改变，纠偏电压的保持周期与信号采样间隔时间相等。变频器在此控制的电压作用之下，一套升高输出频率，另一套则是降低输出频率，方便于使变频器控制在电动车轮一边增加其行驶的速度，另一边又降低其行驶的速度或者保持输出的频率不变，将另一套做出调整的方案。总而达到纠正车架的偏斜，减少车轮轮磨损的现象。
2.2、技术关键
这种系统的关键和最困难的地方就在于信号的采集问题和PID参数的整定问题。由于本系统的工作环境相对于比较复杂，所以在采集信号中的有效信号就成为了一个关键性的问题。本系统所选取的信号采集的工具是旋转编码器。在进行采集信号之后，必须要经过滤波和提高其信号的分辨率。滤波的目的是为了滤除无效信号的干扰，使本系统得到的数据更加可靠。另外由旋转编码器测得的脉冲信号分辨率比较小，不利于后期的计算，因此必须对信号进行倍频。
3.控制系统硬件设计
3.1、硬件电路结构
本系统采用国内常用的51系列单片机作为微处理控制器。单片机控制系统是由微处理芯片和外围电路组成。外围电路系统包括：采样电路（包含滤波电路）、信号处理电路、外部存储扩展电路、键盘、输出电路（包括D/A转换）、调试电路等。单片机硬件电路框图如下图所示：
图：硬件电路框图
3.2、采样电路
采样电路的目的是对传感器出来的信号进行处理，以便得到良好信号，为后面的工作做准备。旋转编码器的控制系统的变量就是为了车轮边缘和轨道之间的间隙。控制的目的就是为了保持其间隙不便。由于起重机在运行的过程中的冲击力比较大，而且现场的工作环境较差，直接使用位移传感器检测车轮边缘和轨道之间的间隙也很困难。光电旋转编码器就是利用光栅衍射原理来实现位移和数字之间的变化，其有结构简单、可靠性、计量精度高、寿命长等优点，在精密定位、速度、长度、加速度、振动检测等方面得到广泛的应用。
起重机运行时，由于振动和轨道本身的光滑度的原因，旋转编码器轴有时会处于一种抖动状态，此时旋转编器的波形图如下图所示：
图：旋转编码器抖动时波形图
这种在很短的时间之内产生的抖动频率较高，因此在设计的过程中可以加入RC滤波电路去掉高频分量。在设计滤波电路的时候最主要的就是要确定车轮发生偏斜的频率范围和抖动的范围。起重机属于一个大型的设备，而且运行的速度较低，编码器的旋转角度不会很剧烈。本设计采用光电偶合电路来采集信号，然后再让信号经过一次非门。非门有延时作用，可以消除信号上的毛刺。
3.3、信号处理电路
从旋转编码器得到的信号分为两相，分别为A相和B相两种。可以从这两相中得到的信息是编码器的旋转角度和方向。因为信号要经过CPU的处理，因此信号必须是89C52可以进行处理的信号，因此对于接收的信号必须要经过处理之后得到所需要的信号。
3.4、输出电路
输出电路需要完成的任务就是要将89C52计算处理过的结果，通过数模转换芯片将数字信号转换，转换成变频器TD1000-4T0015G可以接收的信号。所用变频器接受的电压范围为0-10V，因此必须对D/A以后的数字进行缩小或放大，从而可以实现0-4095与0-10V两组数据的匹配。而决定数据关系的器件有两个：一个是所选D/A芯片，一个是所选变频器。
3.5、程序存储器扩展
本设计由于要设计的算法比较多，89C52内部自带的RAM为256位，不能满足需要，必须进行程序存储器的扩展。为了便于以后程序的修改，选择28F512芯片，它为64K电可擦除芯片。
3.6、串口通信
在调试程序的过程中，不可以避免的要用到PC，这样就必须实现纠偏系统与PC之间的通信问题。PC上提供了串行通讯的接口RS232，因此要想实现纠偏电路和串口RS232之间的相互电路，还必须要增加串口的通信电路。这个电路的作用就是为了后面程序的调试提供良好的通道。
4.控制系统软件设计
4.1、采样周期的选择
在数字控制的系统中，采样周期是一个必须的参数。它的选取直接影响到了数据的采集、信号的复原和计算的精度等，严重的会控制其系统的稳定性和可靠性。从信号的保真度来说，采用采样周期的时间不适合太长。从控制性能的要求来考虑，应该尽量减小采样周期。采样周期越小就越接近连续控制。采样周期太小也会受到CPU运算速度的限制。
就本设计而言，其输入变量为车轮与轨道的间隙和这种间隙的变化率，这两个变量是通过两次采样而得到的，因此，为了获取较为精细和详细的控制规律，应该将误差的变化值看起来比较明显，从这一点来看，采样的周期不适合太小。但是从一次影响过程中控制的次数和作用来看，一般情况下不得低于五次，否则就会影响控制的精细度。
4.2、PID控制器
在控制理论和技术飞速发展的今天，PID控制由于其简单、稳定性能好、可靠性能高等优点，对于大多数控制系统它能提供良好的控制品质。PID控制器是一种应用十分广泛，技术成熟的控制器方法。这样的控制方法具有简易和直观的有点，一般情况可以满足工业的控制要求。常规PID控制如下图所示：
图：模拟PID控制器的原理框图
其中r(t)为系统给定值，c(t)为系统的实际输出，u（t）为控制量，e（t）为偏差。按偏差的比例、积分、微分进行控制的控制器称为PID控制器。PID控制解决了自动控制理论所要解决的基本问题，即系统的稳定性、快速性、准确性。调节PID的参数，可以实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时由于PID控制器中引入了积分项，系统增加了一个零积点，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
采用参数不同的PID，其控制系统的效果都不相同，系统的闭环特性在很大的程度上主要取决于PID控制器的性能，所以控制器参数的调节和优化主要控制了PID控制系统是否可以达到其控制的性能。传统的PID参数整定的方法主要就是采取人工手动的整定方法，整定PID参数的主要依据就是阶跃响应。这种方法不仅仅要根据其动态响应来整定其参数的控制器，具有很明确的物理意义和有点，因此适合广泛的应用。但是PID参数整定需要经验丰富的技术人员来操作，需要大量的的试验反复的调控，这样既消耗时间，同时也消耗了人力，出现了在计算机的基础上整定参数的方法。相对于传统的方法来说，最优的方法具有很明显的优越性，其整定的结果也比较精确，控制的效果也相对于较好，但是这种方法必须要建立在较为精确的数学模擬之上，而且还必须要在解空间内部连续可导。
结束语
综上所述中可以看出，起重机自动纠偏系统的改进必须要从细节上开始对其的改进，全面保证自动纠偏系统，在起重机的系统中具有很好的使用意义，为后期的起重机设计奠定了良好的基础。
参考文献
[1]谢剑刚.起重机自动纠偏系统[J].机电一体化,2003,04:50-53.
[2]白宏伟,秦国喜,马文波.一种新型自动纠偏装置在门式起重机上的应用[J].河南机电高等专科学校学报,2012,04:11-13.
[3]李金东.起重机自动纠偏系统的改进[J].港口装卸,2013,05:26.
[4]何光.起重机自动纠偏系统控制[D].武汉科技大学,2008.
关键词：起重机；自动偏离；系统改进
中图分类号：TH21文献标识码： A
前言
门式起重机在大型工矿企业、港口中有着广泛的应用。在大跨度门式起重机工作时，由于跨度大，经过长时间运行会出现两侧支腿超前或滞后，会使主梁变形，严重影响了起重机的使用时间和安全运行，为了解决这些问题，用户对纠偏技术提出很严格的要求，传统的纠偏方法是依靠手动操作和仪器测量调整，但是，起重机运行比较频繁，这样不但效率低、而且存在严重的安全隐患。本文中基于PLC和传感器的自动纠偏装置克服了以上的集中问题，而且实时监控起重机运行状态，实时在偏差范围进行自动纠偏。
1.装置的组成
本装置有工控机、人机界面、PLC、两个绝对值编码器、两个自由轮和两个接近开关组成。
图：自动纠偏装置结构框图
本纠偏装置逻辑控制为起重机自身电气控制系统的西门子S7-226型PLC；采用倍加福NBB15-30GM50-12电感式接近开关为啃轨信号检测传感器，它具有精密检测和适应恶劣环境等优点;安装在从动轮上的绝对值编码器检测大车位移速度，通过PLC逻辑比较计算，对支腿进行速度调整。
2.变频纠偏系统
2.1、变频纠偏原理
随着变频技术的不断发展和广泛的应用，起重机的大车运行机构也越来越选择与变频调速的方案。使用变频空调技术可以使得大车运行机构具有比较完美的机械特性和良好的启、制动性能。笔者提出了变频纠偏在起重机纠偏上的原理，并且设计出变频纠偏的实验装置，如下图所示。
图：变频纠偏装置示意图
1、3—主动车轮；2、5—电机；4、8-变频器；6-单片机系统；7-车架；9、10、11、12-编码器。
该系统采用自动检测、自动调整的主动式预防纠偏，是解决起重机啃轨的一种新方法。该系统由位移传感器、计算机、变频器、电动机组成。纠偏电压根据起重机的运行速度而改变，纠偏电压的保持周期与信号采样间隔时间相等。变频器在此控制的电压作用之下，一套升高输出频率，另一套则是降低输出频率，方便于使变频器控制在电动车轮一边增加其行驶的速度，另一边又降低其行驶的速度或者保持输出的频率不变，将另一套做出调整的方案。总而达到纠正车架的偏斜，减少车轮轮磨损的现象。
2.2、技术关键
这种系统的关键和最困难的地方就在于信号的采集问题和PID参数的整定问题。由于本系统的工作环境相对于比较复杂，所以在采集信号中的有效信号就成为了一个关键性的问题。本系统所选取的信号采集的工具是旋转编码器。在进行采集信号之后，必须要经过滤波和提高其信号的分辨率。滤波的目的是为了滤除无效信号的干扰，使本系统得到的数据更加可靠。另外由旋转编码器测得的脉冲信号分辨率比较小，不利于后期的计算，因此必须对信号进行倍频。
3.控制系统硬件设计
3.1、硬件电路结构
本系统采用国内常用的51系列单片机作为微处理控制器。单片机控制系统是由微处理芯片和外围电路组成。外围电路系统包括：采样电路（包含滤波电路）、信号处理电路、外部存储扩展电路、键盘、输出电路（包括D/A转换）、调试电路等。单片机硬件电路框图如下图所示：
图：硬件电路框图
3.2、采样电路
采样电路的目的是对传感器出来的信号进行处理，以便得到良好信号，为后面的工作做准备。旋转编码器的控制系统的变量就是为了车轮边缘和轨道之间的间隙。控制的目的就是为了保持其间隙不便。由于起重机在运行的过程中的冲击力比较大，而且现场的工作环境较差，直接使用位移传感器检测车轮边缘和轨道之间的间隙也很困难。光电旋转编码器就是利用光栅衍射原理来实现位移和数字之间的变化，其有结构简单、可靠性、计量精度高、寿命长等优点，在精密定位、速度、长度、加速度、振动检测等方面得到广泛的应用。
起重机运行时，由于振动和轨道本身的光滑度的原因，旋转编码器轴有时会处于一种抖动状态，此时旋转编器的波形图如下图所示：
图：旋转编码器抖动时波形图
这种在很短的时间之内产生的抖动频率较高，因此在设计的过程中可以加入RC滤波电路去掉高频分量。在设计滤波电路的时候最主要的就是要确定车轮发生偏斜的频率范围和抖动的范围。起重机属于一个大型的设备，而且运行的速度较低，编码器的旋转角度不会很剧烈。本设计采用光电偶合电路来采集信号，然后再让信号经过一次非门。非门有延时作用，可以消除信号上的毛刺。
3.3、信号处理电路
从旋转编码器得到的信号分为两相，分别为A相和B相两种。可以从这两相中得到的信息是编码器的旋转角度和方向。因为信号要经过CPU的处理，因此信号必须是89C52可以进行处理的信号，因此对于接收的信号必须要经过处理之后得到所需要的信号。
3.4、输出电路
输出电路需要完成的任务就是要将89C52计算处理过的结果，通过数模转换芯片将数字信号转换，转换成变频器TD1000-4T0015G可以接收的信号。所用变频器接受的电压范围为0-10V，因此必须对D/A以后的数字进行缩小或放大，从而可以实现0-4095与0-10V两组数据的匹配。而决定数据关系的器件有两个：一个是所选D/A芯片，一个是所选变频器。
3.5、程序存储器扩展
本设计由于要设计的算法比较多，89C52内部自带的RAM为256位，不能满足需要，必须进行程序存储器的扩展。为了便于以后程序的修改，选择28F512芯片，它为64K电可擦除芯片。
3.6、串口通信
在调试程序的过程中，不可以避免的要用到PC，这样就必须实现纠偏系统与PC之间的通信问题。PC上提供了串行通讯的接口RS232，因此要想实现纠偏电路和串口RS232之间的相互电路，还必须要增加串口的通信电路。这个电路的作用就是为了后面程序的调试提供良好的通道。
4.控制系统软件设计
4.1、采样周期的选择
在数字控制的系统中，采样周期是一个必须的参数。它的选取直接影响到了数据的采集、信号的复原和计算的精度等，严重的会控制其系统的稳定性和可靠性。从信号的保真度来说，采用采样周期的时间不适合太长。从控制性能的要求来考虑，应该尽量减小采样周期。采样周期越小就越接近连续控制。采样周期太小也会受到CPU运算速度的限制。
就本设计而言，其输入变量为车轮与轨道的间隙和这种间隙的变化率，这两个变量是通过两次采样而得到的，因此，为了获取较为精细和详细的控制规律，应该将误差的变化值看起来比较明显，从这一点来看，采样的周期不适合太小。但是从一次影响过程中控制的次数和作用来看，一般情况下不得低于五次，否则就会影响控制的精细度。
4.2、PID控制器
在控制理论和技术飞速发展的今天，PID控制由于其简单、稳定性能好、可靠性能高等优点，对于大多数控制系统它能提供良好的控制品质。PID控制器是一种应用十分广泛，技术成熟的控制器方法。这样的控制方法具有简易和直观的有点，一般情况可以满足工业的控制要求。常规PID控制如下图所示：
图：模拟PID控制器的原理框图
其中r(t)为系统给定值，c(t)为系统的实际输出，u（t）为控制量，e（t）为偏差。按偏差的比例、积分、微分进行控制的控制器称为PID控制器。PID控制解决了自动控制理论所要解决的基本问题，即系统的稳定性、快速性、准确性。调节PID的参数，可以实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时由于PID控制器中引入了积分项，系统增加了一个零积点，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
采用参数不同的PID，其控制系统的效果都不相同，系统的闭环特性在很大的程度上主要取决于PID控制器的性能，所以控制器参数的调节和优化主要控制了PID控制系统是否可以达到其控制的性能。传统的PID参数整定的方法主要就是采取人工手动的整定方法，整定PID参数的主要依据就是阶跃响应。这种方法不仅仅要根据其动态响应来整定其参数的控制器，具有很明确的物理意义和有点，因此适合广泛的应用。但是PID参数整定需要经验丰富的技术人员来操作，需要大量的的试验反复的调控，这样既消耗时间，同时也消耗了人力，出现了在计算机的基础上整定参数的方法。相对于传统的方法来说，最优的方法具有很明显的优越性，其整定的结果也比较精确，控制的效果也相对于较好，但是这种方法必须要建立在较为精确的数学模擬之上，而且还必须要在解空间内部连续可导。
结束语
综上所述中可以看出，起重机自动纠偏系统的改进必须要从细节上开始对其的改进，全面保证自动纠偏系统，在起重机的系统中具有很好的使用意义，为后期的起重机设计奠定了良好的基础。
参考文献
[1]谢剑刚.起重机自动纠偏系统[J].机电一体化,2003,04:50-53.
[2]白宏伟,秦国喜,马文波.一种新型自动纠偏装置在门式起重机上的应用[J].河南机电高等专科学校学报,2012,04:11-13.
[3]李金东.起重机自动纠偏系统的改进[J].港口装卸,2013,05:26.
[4]何光.起重机自动纠偏系统控制[D].武汉科技大学,2008.