CN202072406U - 龙门起重机的同步装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种龙门起重机的同步装置，包括布置在所述龙门起重机的第一支腿处并且随第一支腿移动的第一移动站，其接收第一卫星定位信号并且根据第一卫星定位信号确定第一支腿位置；布置在所述龙门起重机的第二支腿处并且随第二支腿移动的第二移动站，其接收第二卫星定位信号并且根据第二卫星定位信号确定第二支腿位置；和控制器，其根据从第一移动站和第二移动站分别接收的第一支腿位置和第二支腿位置来控制第一支腿和第二支腿之间的同步。该系统通过移动站检测龙门起重机的柔腿和刚腿的实际位置，控制系统根据该实际位置判断该偏差是否在允许范围内，然后通过速度调整功能来同步刚腿和柔腿，将龙门起重机的刚、柔腿偏差限定于允许的极小范围内。

Description

龙门起重机的同步装置

技术领域

本发明涉及龙门起重机，更具体地说，涉及龙门起重机的同步装置。 

背景技术

在日常作业过程中，由于机械或是电气的原因，龙门起重机的柔腿和刚腿在行走时出现不同步，从而产生了它们实际位置的偏差。这种偏差如果不加以监测和弥补，会引起累积和扩大，导致最终发生安全事故。另外，在联合起吊作业时，两台龙门起重机需要严格地保持相对位置不变，否则轻者影响正常作业，严重时会导致安全事故。 

发生上述两种情况的根本原因可以归结为：龙门起重机的位置检测与控制未能维持要求的精确度和可靠性。 

具体来说，传统的龙门起重机位置检测方法包括绝对值编码器、限位开关和地面磁感应开关等，但都存在安装方式或机械结构的缺陷。例如：龙门起重机柔腿绞点处的限位开关往往在安装和日常维护上无法达到要求，因此也达不到要求的灵敏度，而且在龙门起重机快速行走时，保护效果进一步降低；对于地面的磁感应开关，它主要起同步校准龙门起重机绝对值编码器的作用，但因此产生了龙门起重机位置跳变的情况，导致龙门起重机急停等事故，反而增加了安全隐患；绝对值编码器是应用较为普遍的一种检测方式，虽然理论上可以满足要求，而实际上由于轨道高低不平、轨道打滑或机械安装不稳定等原因，其输出的位置数据并不可靠，曾经就发生过龙门起重机刚、柔腿绝对值编码器的位置差值为0.03m，而实际测得的位置差竟然高达3m多，差点酿成严重事故。所以，龙门起重机位置检测一直是提高作业安全性和效率的瓶颈因素。 

实用新型内容

针对上述技术问题，本发明提供本发明提供一种龙门起重机的同步装置， 其特征在于包括位于所述龙门起重机外部的基站，实时地根据其所接收的第三卫星定位信号的载波相位向第一移动站和第二移动站发送报文；布置在所述龙门起重机的第一支腿处并且随第一支腿移动的第一移动站，其接收第一卫星定位信号并且根据第一卫星定位信号确定第一支腿位置并且根据第一卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第一支腿位置的误差；布置在所述龙门起重机的第二支腿处并且随第二支腿移动的第二移动站，其接收第二卫星定位信号并且根据第二卫星定位信号确定第二支腿位置并且根据第二卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第二支腿位置的误差；和控制器，其根据从第一移动站和第二移动站分别接收的第一支腿位置和第二支腿位置来控制第一支腿和第二支腿之间的同步。该系统通过移动站检测龙门起重机的柔腿和刚腿的实际位置，控制系统根据该实际位置判断该偏差是否在允许范围内，然后通过速度调整功能来同步刚腿和柔腿，将龙门起重机的刚、柔腿偏差限定于允许的极小范围内。 

根据本实用新型的另一个方面，提供一种龙门起重机的同步装置，其特征在于包括：位于所述第一和第二龙门起重机外部的基站，实时地根据其所接收的第三卫星定位信号的载波相位向第一移动站和第二移动站发送报文；布置在第一龙门起重机处并且随第一龙门起重机移动的第一移动站，其接收第一卫星定位信号并且根据第一卫星定位信号确定第一龙门起重机位置并且根据第一卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第一龙门起重机的误差；布置在第二龙门起重机处并且随第二龙门起重机移动的第二移动站，其接收第二卫星定位信号并且根据第二卫星定位信号确定第二龙门起重机位置并且根据第二卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第二龙门起重机的误差；和控制器，其根据从第一移动站和第二移动站分别接收的第一龙门起重机位置和第二龙门起重机位置来控制第一龙门起重机和第二龙门起重机之间的距离。在多台龙门起重机同步的过程中，每台龙门起重机的大车刚、柔腿位置仍然被采集，若系统检测到需要纠偏，则不受主、从关系的影响，相应的PLC仍会输出速度调整给定，实现单台龙门起重机纠偏。因此事实上可以认为，每台龙门起重机的RTK系统充分利用了其位置检测的优越性，不仅用于纠偏，也能用于和其它龙门起重机同步。 

附图说明

图1A示出根据本实用新型的一个实施例、应用支腿同步系统的龙门起重机； 

图1B示出根据本实用新型的另一个实施例、应用多台同步系统的龙门起重机； 

图2示出根据本实用新型的一个实施例的移动站的布置； 

图3示出根据本实用新型的一个实施例的龙门起重机支腿同步系统； 

图4A示出根据本实用新型的一个实施例、应用支腿同步的龙门起重机驱动系统； 

图4B示出根据本实用新型的另一个实施例、同步多台龙门起重机的驱动系统； 

图5示出根据本实用新型的另一个实施例、应用同步系统的龙门起重机；和 

图6示出根据本实用新型的一个实施例的基站的安装。 

具体实施方式

图1A示出根据本实用新型的一个实施例、应用支腿同步系统的龙门起重机。如图1A所示，同步系统1a(虚线框内)包括布置在龙门起重机10a的第一支腿100a处并且随第一支腿100a移动的第一移动站11a，布置在龙门起重机10a的第二支腿101a处并且随第二支腿101a移动的第二移动站12a和控制器13a。第一移动站11a接收第一卫星定位信号并且根据第一卫星定位信号确定第一支腿位置，第二移动站12a接收第二卫星定位信号并且根据第二卫星定位信号确定第二支腿位置并且控制器13a根据从第一移动站11a和第二移动站12a分别接收的第一支腿位置和第二支腿位置来控制第一支腿100a和第二支腿101a之间的同步。 

图1B示出根据本实用新型的另一个实施例、应用多台同步系统的龙门起重机。如图1B所示，龙门起重机的同步装置1b虚线框内)包括：布置在第一龙门起重机10b处并且随第一龙门起重机10b移动的第一移动站11b，布置在第二龙门起重机12b处并且随第二龙门起重机12b移动的第二移动站13b和控制器14b。第一移动站11b接收第一卫星定位信号并且根据第一卫星 定位信号确定第一龙门起重机10b位置，第二移动站13b接收第二卫星定位信号并且根据第二卫星定位信号确定第二龙门起重机12b位置，控制器14b根据从第一移动站11b和第二移动站13b分别接收的第一龙门起重机位置和第二龙门起重机位置来控制第一龙门起重机10b和第二龙门起重机12b之间的距离。 

卫星定位信号可以采用GPS信号。GPS(Global Positioning System，全球定位系统)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统。 

第一支腿100a和第二支腿101a可以是龙门起重机10a的刚腿和柔腿；当然，第一支腿100a和第二支腿101a可以是龙门起重机10a的柔腿和刚腿。为了同时获得刚腿和柔腿的实际位置，系统配置了两个移动站(即第一移动站11a和第二移动站12a)分别安装在的刚腿和柔腿侧并且随之移动。同样，为了同时获得两台龙门起重机10b、12b的实际位置，系统配置了两个移动站(即第一移动站11b和第二移动站13b)分别安装在的两台龙门起重机10b、12b侧并且随之移动。 

图2示出根据本实用新型的一个实施例的移动站的布置。龙门起重机20大梁200顶端和刚、柔腿201、202的底部边缘位置是最合适的两个安装位置来安装移动站203、204。前者视野开阔，最有利于卫星信号的接收，但缺点是晃动也较大导致测量精确度下降；后者避免了龙门起重机晃动导致的精度差的问题，但以牺牲一定的卫星信号为代价。如何权衡和选择安装地点是位置检测的关键一步，因此进行了一次测试：分别在两个地点放置一台GPS移动站，在龙门起重机不停地往返行驶过程中，记录下各自的GPS原始数据。如果晃动不存在，则两个移动站的位置数据差应始终保持一致，晃动越大，则该位置差变动也越大。经过统计，当龙门起重机在加减速的时间段中晃动最大，并且超过了允许的大车刚、柔腿偏差范围，也就是说，龙门起重机的晃动会严重影响GPS的位置检测。另外，通过观察两组GPS移动站的原始数据，可以对比出两个安装地点的卫星接收情况，发现，在大梁顶部接收卫星颗数平均9颗，而底部平均8颗。卫星数少了，但仍然足够GPS移动站产生固定解(达到厘米级精度的状态)。所以通过测试，最终确定了将GPS移动站安装于大车底部。 

图3示出根据本实用新型的一个实施例的龙门起重机支腿同步系统。如图3所示，控制器33包括嵌入式工控机30。嵌入式工控机30负责采集移动站原始经、纬度数据、数据后处理和数据发送的功能，即： 

●移动站数据的采集； 

●基于高斯投影的WGS84坐标系到北京54坐标系的转换；现场的相对坐标系，符合现场的要求规定。比如，原来的原点在国外，把原点移到国内，北京54坐标系或西安80坐标系，使得得出的位置相对于现场相符合，有利于控制算法的实现； 

●移动站和基站自身状态的检测； 

●含OPC客户端，用于自动连接变频调速系统的OPC服务器，并主动发送测量数据，实现RTK系统(下面将说明)与PLC控制系统的通信，为龙门起重机支腿速度控制提供数据源； 

●建立基于TCP/IP的服务器，供其它客户端的数据监测，如PDA。 

在该软件的设计中，实时性和可靠性被予以了充分考虑。如采用了精简的嵌入式操作系统Windows XPE，以及不同优先级的多线程编程思想使所有功能的完成处于流水线作业等，经测试，执行周期小于10ms，OPC通信的周期在200ms±5％范围内，与移动站数据5Hz的更新率以及PLC相应程序块的200ms执行周期匹配，满足要求。 

由于第一、第二移动站31、32和嵌入式工控机30的距离较远，可以采用诸如RS232转光纤一样的媒介33连接。嵌入式工控机30接入龙门起重机现场的无线802.11b局域网34，供手持式监控设备35实现远距离状态监测。 

在多台龙门起重机同步的过程中，每台龙门起重机的大车刚、柔腿位置仍然被采集，若系统检测到需要纠偏，则不受主、从关系的影响，相应的PLC仍会输出速度调整给定，实现单台龙门起重机纠偏。因此事实上可以认为，每台龙门起重机的RTK系统充分利用了其位置检测的优越性，不仅用于纠偏，也能用于和其它龙门起重机同步。 

图4A示出根据本实用新型的一个实施例、应用支腿同步的龙门起重机驱动系统。龙门起重机驱动系统4a包括作为控制器13a的组成部件的PLC控制系统40a、变频调速系统41a和驱动龙门起重机支腿的电动机42a。例如，控制算法上，变频调速系统41a采用DTC变频调速技术，其能够达到精确的 静、动态速度和转矩控制，允许高过载能力并能提供高起动力矩，在工业起重机上已经有了普遍的应用。PLC控制系统40a不仅实现了龙门起重机所有的控制逻辑，并且能够进一步实现很多额外的功能，龙门起重机的支腿速度调整功能就是其中之一。在与变频调速系统41a的通信中，DriveBus作为和PLC的协议43a，它的周期可达到10ms以内。PLC控制系统40a以以太网44a为媒介，通过标准的OPC协议和龙门起重机位置监测系统中的嵌入式工控机45a通信，周期为200ms。 

嵌入式工控机45将刚、柔腿的位置由OPC协议传送至PLC40后，PLC40计算出两腿的位置差，从而计算出是否需要进行同步。如果需要同步，则PLC40启动程序计算出柔腿或刚腿的速度给定，该给定由DriveBus被送入变频调速系统41实现最终对柔腿或刚腿的速度控制。该系统通过移动站检测龙门起重机的柔腿和刚腿的实际位置，控制系统根据该实际位置判断该偏差是否在允许范围内，然后通过速度调整功能来同步刚腿和柔腿，将龙门起重机的刚、柔腿偏差限定于允许的极小范围内。 

图4B示出根据本实用新型的另一个实施例、同步多台龙门起重机的驱动系统。如图4B所示，为了实现至少两台龙门起重机的同步，当第一和第二龙门起重机进行同步时，它们分别启动各自的如图4A所示的同步装置，由第一龙门起重机40b的工控机41b和第二龙门起重机42b的工控机43b采集和计算后将位置数据送入各自的PLC44b、45b中，这时候两台机的PLC44b、45b通过Profibus进行通信，由PLC44b、45b中的一个计算出两台龙门起重机40b、42b的相对位置是否满足预先设定的距离范围和速度给定，并送入对应的传动系统实现的两台龙门起重机40b、42b同步。 

为了提高移动站对龙门起重机支腿位置的检测精度，进一步采用载波相位差分技术。RTK(Real Time Kinematic，载波相位差分技术)技术，实时处理两个测站载波相位观测量的差分GPS方法，尤其适合于精确度和实时性要求极高的场合。由于RTK技术独特的优势及其在测绘等领域的成功应用，ABB将它引入于龙门起重机系统中，不但创造了RTK技术新地应用领域，而且是传统的龙门起重机同步技术的一次技术革新。 

RTK(Real Time Kinematic)技术，是实时处理两个移动站载波相位观测量的差分方法，它将基站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这种差分方式能得到厘米级的精度，实时性可达到20Hz，影响可靠性的 因素很少，只要合理安装确保天线能够无障碍地接收到GPS卫星信号，就能达到很高的可靠性。利用RTK技术实现龙门起重机支腿位置的检测，能够有效弥补传统方法的缺陷，极大提高检测的精确度、实时性和可靠性。 

图5示出根据本实用新型的另一个实施例、应用同步系统的龙门起重机。与图1所示的实施例相比较，本实施例的不同之处在于：同步系统5除了包括第一移动站51、第二移动站52和控制器53等之外，还包括基站54。基站54实时地根据其所接收的第三卫星定位信号的载波相位向第一移动站51和第二移动站52发送报文。第一移动站51根据第一卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第一支腿位置的误差(卫星定位信号经过大气层带来的误差，实际的经纬和移动站解析处的经纬的误差)；并且第二移动站52根据第二卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第二支腿位置的误差。 

具体来说，龙门起重机支腿位置检测中，RTK技术发挥了主导作用。RTK系统在硬件上采用了南方测绘公司的S86系统主要由基准站即天线、移动站及天线，UHF无线电台组成，其工作原理概括为：RTK的基站54和移动站51、52分别依靠各自的卫星天线接收GPS卫星的信号，然后经过其内部的处理器计算出标准格式的报文，同时移动站51、52通过UHF无线电台实时地接收来自基站54的报文，基于它们的相位差解算出移动站天线所在位置的实际位置(经度和纬度)。该位置值由移动站经RS232标准串口协议输出至嵌入式工控机53，进一步计算得出以轨道起点为原点的移动站天线位置的三维座标。 

图6示出根据本实用新型的一个实施例的基站的安装。基站6的安装条件是将其安装在龙门起重机65外部并且基站卫星天线60到任何一个移动站卫星天线的直线距离不超过15km，同时它的卫星天线60和电台天线61的安装位置开阔，无遮挡物，周围电磁干扰小。例如，选择在现场一幢办公楼楼顶安装天线，基站主机62则安装在大楼内部，并通过同轴电缆63和天线60、61连接。 

任何系统都不可能是100％有效的，因此冗余和容错设计是一个必要的补充和安全措施。冗余设计是指以RTK系统作为龙门起重机支腿位置检测的主体后，仍然保留绝对值编码器的位置检测功能，以避免万一RTK系统失灵的情况下，控制器仍然具有暂时的纠偏和同步功能。容错设计是指在RTK系统 和绝对值编码器共存且都正常工作的情况下，利用RTK系统得到的位置来修正和校准绝对值编码器的位置输出，以避免在系统切换到绝对值编码器时它们的初始位置存在较大误差。 

通过冗余，即使在控制器失灵或无效时候，将在一个PLC周期(50ms)内将数据源切换到编码器，使其仍然能够正常工作。这种切换是自动进行的，对于龙门起重机司机来说没有任何影响，龙门起重机行驶也不会产生任何波动。 

容错设计保证了编码器投入工作的瞬间，其数据是准确的，因此消除了累积误差，将编码器运行时的整体误差降到最小。事实证明，冗余和容错设计是有效的。基于冗余设计的原则，绝对值编码器的位置检测功能予以保留，为RTK的位置检测作备份。正常工作时，大车位置检测依赖于RTK系统，同时实时校准绝对值编码器的位置，当RTK系统工作不正常的时候，则龙门起重机位置从绝对值编码器读取，这样龙门起重机在任何时刻都能有纠偏保护。 

虽然已参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。 

Claims (8)

1.一种龙门起重机的同步装置，其特征在于包括：

位于所述龙门起重机外部的基站，实时地根据其所接收的第三卫星定位信号的载波相位向第一移动站和第二移动站发送报文；

根据第一卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第一支腿位置的误差的第一移动站，其布置在所述龙门起重机的第一支腿处并且随第一支腿移动并且接收第一卫星定位信号并且根据第一卫星定位信号确定第一支腿位置；

根据第二卫星定位信号确定第二支腿位置并且根据第二卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第二支腿位置的误差的第二移动站，其布置在所述龙门起重机的第二支腿处并且随第二支腿移动并且接收第二卫星定位信号；和

控制器，其根据从第一移动站和第二移动站分别接收的第一支腿位置和第二支腿位置来控制第一支腿和第二支腿之间的同步。

2.如权利要求1所述的同步装置，其中所述控制器包括基于高斯投影对对第一支腿位置和第二支腿位置进行不同坐标系转换的嵌入式工控机。

3.如权利要求2所述的同步装置，其中所述控制器包括PLC控制系统，其与所述嵌入式工控机通信并且通过改变第一支腿或第二支腿的速度给定来控制所述同步。

4.如权利要求3所述的同步装置，其中第一支腿为刚腿，第二支腿为柔腿。

5.如权利要求1所述的同步装置，其中第一移动站和第二移动站分别布置在第一支腿和第二支腿的底部边缘。

6.一种龙门起重机的同步装置，其特征在于包括：

位于所述第一和第二龙门起重机外部的基站，实时地根据其所接收的第三卫星定位信号的载波相位向第一移动站和第二移动站发送报文；

根据第一卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第一龙门起重机的误差的第一移动站，其布置在第一龙门起重机处并且随第一龙门起重机移动并且接收第一卫星定位信号并且根据第一卫 星定位信号确定第一龙门起重机位置；

根据第二卫星定位信号的载波相位和其接收的报文所表示的载波相位之间的相差消除第二龙门起重机的误差的第二移动站，其布置在第二龙门起重机处并且随第二龙门起重机移动并且接收第二卫星定位信号并且根据第二卫星定位信号确定第二龙门起重机位置；和

控制器，其根据从第一移动站和第二移动站分别接收的第一龙门起重机位置和第二龙门起重机位置来控制第一龙门起重机和第二龙门起重机之间的距离。

7.如权利要求6所述的龙门起重机的同步装置，其中所述控制器包括分别计算第一龙门起重机的天线和第二龙门起重机支腿的天线在以所述龙门起重机的轨道起点为原点的三维坐标系中三维坐标的第一嵌入式工控机和第二嵌入式工控机。

8.如权利要求7所述的龙门起重机的同步装置，其中所述第一嵌入式工控机和第二嵌入式工控机分别包括彼此通信的第一PLC控制系统和第二PLC控制系统，其分别与所述第一嵌入式工控机和第二嵌入式工控机通信并且第一PLC控制系统或第二PLC控制系统通过改变第一或第二龙门起重机的速度给定来控制所述第一和第二龙门起重机之间的距离。 

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