地车定位系统设计研究

刘 佳，董敬凯，孙 杰，马宝春

（1.太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024；2.华能山东石岛湾核电有限公司，山东 荣成 264300）

1 研究目标

根据实际工艺控制及运行工艺要求，为实现特殊起重机控制定位系统大小车运行±3 mm 的精度设计功能，进行了特殊起重机运行定位系统的详细设计及施工，并最终以试验验证了设计结构满足使用要求。

2 研究技术指标和参数

1）特殊起重机运行定位精度须小于±3 mm。可以采用PLC 控制器自动定位和手动操作精确定位相结合的方式实现特殊起重机与目标位置中心孔的准确定位。

2）为便于手动操作精确定位，最小点动步进长度应小于3 mm。

3）应能连续可靠地检测大车、小车位置。采用能达到特殊起重机定位精度要求的位置行程检测装置，如编码器等，行程检测装置重复定位精度高。同时附以摄像探头指示精确定位。

3 研究内容

收到本任务后，项目组就开始进行仔细研究和分析，了解了起重机运行机构定位系统的各项功能和原理，并进行了大量的调研工作，包括技术方案论证、材料的国产化、加工制造工艺、包装工艺、表面涂装工艺、厂内试验工艺等工作，从而形成了自主创新的定位技术，提出符合高温气冷堆核电站特殊起重机技术要求的材料以及制造工艺条件等关键技术，使我国具备自主研发、设计和制造核电站特殊起重机[1]定位系统的能力，并为以后核电起重机定位系统的批量化应用打好基础，最终顺利完成了本课题的总目标。并于去年年底提供了用于高温气冷堆核电特殊起重机样机试验所需要的特殊起重机定位系统一套以及定位系统设计图一套。

3.1 机械定位研究

研究的机械定位包括轨道精度、水平轮间隙和编码器的固定。

特殊起重机定位系统依附于大、小车运行机构及相应检测系统。特殊起重机大车运行机构采用四角独立驱动方式。驱动装置为电动机、减速机、制动器组成的三合一减速机[2]，在减速器的低速轴为空心结构，直接套装在主动车轮轴上。同一主梁下的两套大车运行机构[2]可以分别驱动，四套驱动两套为一组，两组互为备用。垂直承载车轮为12 个直径为500 mm 的车轮，每两个车轮组成一个平衡架。一个平衡架和一个从动车轮组成一个三轮平衡臂架。起重机每个角上有1 个三车轮平衡臂架。所有的车轮与轨道间留有15 mm 左右的 间隙，以防由于车轮与轨道产生干涉，影响定位精度。见图1。为了使大车保持较高的运行拟合度，特殊起重机一侧端梁下设有两组水平导向轮。大车轨道的一根导向轨道双侧面都加工，以保证水平轮与轨道的合理间隙配合。见下页图2。

图1 特殊起重机运行机构与水平轮

图2 轨道（单位：mm）

编码器的固定也能保证编码器能读到精确的大小车运行信息。其中，齿轮与齿条为竖直接触，这样避免了齿间落入异物时影响运行精度的问题。在编码器与结构件的固定中采用了允许弹性变形的装置，即齿轮与齿条间始终保持一定的压力，齿轮与齿条始终处于正常啮合状态，同时也避免了齿条安装直线度对检测结果的影响。为了确保定位系统的可靠性，在大车桥架的双侧端梁下均安装了定位系统。这样，即使定位系统发生故障，仍然不影响特殊起重机的定位精度检测。见图3。

图3 编码器布置图

特殊起重机小车的定位系统与大车定位系统结构模式一样，只是安装到不同的载体上而已，故此不在熬述。只是大车定位系统控制着大车运行方向的精度，小车定位系统控制着小车运行方向的精度。这两个方向互相垂直，这两个方向的运行精度共同定位了特殊起重机整体的运行精度。

3.2 电气定位研究

电气设备由五部分组成，每一部分为独立运行系统，但互为补充。为保证实现最终精度的实现，而互不可少。这五部分包括PLC 控制系统、西门子伺服控制系统、外部编码器系统、摄像定位确认系统及零位定位系统。

3.2.1 PLC 控制工艺设计

首先操作人员在上位机上下达指令，PLC 发送位置指令信号给驱动器，指挥运行机构运行至指定位置坐标，由伺服控制系统驱动电机开始运行，外部编码器系统同时工作，实时将运行位移数据反馈给驱动装置进行比较，校正驱动电机。到达指定位置后通过摄像系统观测地面标牌确定位移误差是否在设计允许范围内，如误差较大，则通过PLC 系统的手动装置点动运行至要求位置。在一个工作循环完成后，特殊起重机回归零位，由零位定位系统复位归零，消除运行累计误差。

PLC 系统在定位设计中主要用于上位机指令的下达及保存；手动点动信号的下达等工作。见图4。

图4 PLC 控制网络图

3.2.2 伺服控制系统组成

伺服系统采用西门子运动控制系统SIMOTION。SIMOTION 适用于执行同一个系统内同时实现轴的运动控制和机器逻辑控制，将PLC 功能与工艺控制功能相结合，缩短了各个控制部件之间的数据传输时间，便于对设备统一和透明的编程、诊断。

特殊起重机及其屏蔽罩设备采用的是SIMOTION D 系列控制器，它是基于驱动的运动控制系统。SIMOTION D 集成了西门子S120 伺服驱动器的一个控制单元，可以方便的与S120 驱动器的电机组件连接。带有编码器接口、DP 接口等控制通讯接口。

伺服运动系统设备电气部分的走行驱动控制包括书本型电机模块、SIMOTION D435 伺服控制器、伺服电动机、外部绝对值编码器以及PLC 联锁、控制线路等。

3.2.3 编码器系统组成

外部位移编码器安装在车轮旁，与运行机构相连接。编码器轴上安装有齿轮，齿轮随着车轮转动而在轨道旁的齿条上运行。编码器跟随特殊起重机运动，运行机构停止时编码器计数停止变化，编码器信号实时传输回PLC 进行比较处理。

外部的位置编码器用于校正位移信号，故而编码器精度十分重要。编码器采用1217 绝对值编码器，即编码器自身精度为：12（圈）×217。

车轮转动时编码器上的齿轮跟随转动，即编码器码盘计数，可根据车轮转动一圈位移计算出编码器内部转动圈数，根据编码器自身精度计算出齿轮齿条编码器运行精度：齿轮直径R2=105 mm；齿轮运行一圈走行距离L2=πR2=329.7 mm；绝对值编码器分辨率17 位，即为2 的17 次方=131 072。在单圈旋转绝对值编码器的运行分辨度为329.7 mm/131 072=0.002 5 mm。由此能得出，外部的位置编码器在本机构的运行分辨度为0.002 5 mm，满足控制要求。

3.2.4 摄像定位系统组成

摄像系统可分为两部分，他们分别为：第一部分是分别用于整体观测的云台摄像机和观测井盖吊具的2 台云台摄像机；第二部分是分别用于定位辅助的井盖位和贮罐位的2 台高倍固定摄像机。在定位系统中主要采用第二部分。见图5。

图5 井盖摄像辅助

整套定位摄像系统中用于校验定位精度的有两台，分别显示井盖定位标牌和贮罐定位标牌。显示界面上分别显示两个地面标牌的状态，在显示界面的中心有定位用光标，而标牌上则有刻度尺，到位后操作人员即可观测到两组信息，一是竖井的铭牌缩写；二是目前的定位数值差。这样就可以选择手动装置进行运行机构点动运行，调整运行精度达到控制要求。

在试验过程中运行情况良好，因装置运行精度可完全达到要求，目前定位辅助摄像主要用于操作人员确认使用。

3.2.5 零位校正系统介绍

在大车运行机构及小车运行机构的车轮旁各安装了一个接近开关，信号反馈回PLC 回路，之后由程序进行编码器回零动作，这就是零位系统的设计思路。零位系统主要作用是消除每一个工作循环后编码器累计误差，保证定位编码器的运行精度。见图6。

图6 运行机构清零逻辑图

4 伺服驱动的软件

大小车运行机构采用SIMOTION-D435 伺服定位功能，主要编程及控制在西门子SIMOTION Scout软件中实现。

在Simotion Scout[3]软件中建立项目，根据本设备特殊要求，在D435 控制器内部为行走机构的4个电机分别建立实轴，再建立一个虚拟轴，令4 个实轴完全跟随虚拟轴而动作，实现同步。见图7 和图8。

图7 模型建立

图8 硬件搭接

PLC 给出的运行目的坐标值在程序中转化为实际位移值，通过PLC 与Simotion D435 的控制通讯，赋值给Scout 软件中建立的运行虚拟轴，定位功能通过外部绝对值编码器来实现，外部编码器的单圈精度达到17 位，即每圈131 072 个脉冲。见图9。将绝对值编码器的位置值赋给虚拟轴，虚拟轴将根据当前的实时位置来驱动4 个实轴，达到定位的目的。

图9 控制精度

在D435 内需要通过MCC 语言编程来实现对轴的控制，包括起动、同步、定位、停止、信号处理等功能。PLC 将启动信号、需要到达的绝对位置和运行速度通过Profibus DP 通讯传输至D435 控制器，D435 内的MCC 程序接收后将虚拟轴和实轴同步，起动虚轴，按照预设的加速度加速至接收到的运行速度向指定位置运行。在接近指定位置时会自动减速，到达指定位置时将减至零速，然后进行微调，消除整车惯性影响，最终定位。

5 完成目标及成果

1）据现场定位试验测量，定位的结果大小车整体运行后，误差控制在±1 mm 之内。完成并远远超过了控制精度要求。

2）设计中控制部分采用了伺服驱动系统，是首次在大惯量设备上使用此种设计，大大提高了控制精度。

3）外部编码器的使用有效地消除了因车轮大小等工艺因素而产生的实际位移误差，提高了运行精度。

4）摄像系统及定位标牌的使用可直观地表现出目前的运行位置，便于手动调整校准。

5）手动点动系统的加入，点动步进值直至为1 mm。在运行误差出现后可以轻松调整位置，点动运行设备，双重保证精度要求。

6）回零系统在每一次运行后及时彻底地消除编码器的累积误差，为多次反复运行的精度提供了重要保证。

6 应用效果和社会效益

通过详细设计、计算及产品论证，实现了特殊工艺要求下的地车设计。可根据以上研究成果设计并制造大惯量起重机的精准定位操作，保证特殊工艺要求下的起重机工作，是衡量一个起重机设计制造实力的标志性产品。它的研制成功，不但节约了大量资金，而且对进一步提升我国起重机的设计制造能力和国际市场竞争力，打破国外在该领域的垄断具有重要的意义。该项目研制开发的技术，同样适用于其他行业精确控制程度要求比较高的运行运输设备。