專利名稱：龍門起重機的同步裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及龍門起重機，更具體地說，涉及龍門起重機的同步裝置。
背景技術：
在日常作業(yè)過程中，由于機械或是電氣的原因，龍門起重機的柔腿和剛腿在行走時出現(xiàn)不同步，從而產生了它們實際位置的偏差。這種偏差如果不加以監(jiān)測和彌補，會引起累積和擴大，導致最終發(fā)生安全事故。另外，在聯(lián)合起吊作業(yè)時，兩臺龍門起重機需要嚴格地保持相對位置不變，否則輕者影響正常作業(yè)，嚴重時會導致安全事故。發(fā)生上述兩種情況的根本原因可以歸結為龍門起重機的位置檢測與控制未能維持要求的精確度和可靠性。具體來說，傳統(tǒng)的龍門起重機位置檢測方法包括絕對值編碼器、限位開關和地面磁感應開關等，但都存在安裝方式或機械結構的缺陷。例如龍門起重機柔腿絞點處的限位開關往往在安裝和日常維護上無法達到要求，因此也達不到要求的靈敏度，而且在龍門起重機快速行走時，保護效果進一步降低；對于地面的磁感應開關，它主要起同步校準龍門起重機絕對值編碼器的作用，但因此產生了龍門起重機位置跳變的情況，導致龍門起重機急停等事故，反而增加了安全隱患；絕對值編碼器是應用較為普遍的一種檢測方式，雖然理論上可以滿足要求，而實際上由于軌道高低不平、軌道打滑或機械安裝不穩(wěn)定等原因，其輸出的位置數據并不可靠，曾經就發(fā)生過龍門起重機剛、柔腿絕對值編碼器的位置差值為 0. 03m，而實際測得的位置差竟然高達: 多，差點釀成嚴重事故。所以，龍門起重機位置檢測一直是提高作業(yè)安全性和效率的瓶頸因素。

實用新型內容針對上述技術問題，本發(fā)明提供本發(fā)明提供一種龍門起重機的同步裝置，其特征在于包括位于所述龍門起重機外部的基站，實時地根據其所接收的第三衛(wèi)星定位信號的載波相位向第一移動站和第二移動站發(fā)送報文；布置在所述龍門起重機的第一支腿處并且隨第一支腿移動的第一移動站，其接收第一衛(wèi)星定位信號并且根據第一衛(wèi)星定位信號確定第一支腿位置并且根據第一衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第一支腿位置的誤差；布置在所述龍門起重機的第二支腿處并且隨第二支腿移動的第二移動站，其接收第二衛(wèi)星定位信號并且根據第二衛(wèi)星定位信號確定第二支腿位置并且根據第二衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第二支腿位置的誤差；和控制器，其根據從第一移動站和第二移動站分別接收的第一支腿位置和第二支腿位置來控制第一支腿和第二支腿之間的同步。該系統(tǒng)通過移動站檢測龍門起重機的柔腿和剛腿的實際位置，控制系統(tǒng)根據該實際位置判斷該偏差是否在允許范圍內，然后通過速度調整功能來同步剛腿和柔腿，將龍門起重機的剛、柔腿偏差限定于允許的極小范圍內。根據本實用新型的另一個方面，提供一種龍門起重機的同步裝置，其特征在于包
3括位于所述第一和第二龍門起重機外部的基站，實時地根據其所接收的第三衛(wèi)星定位信號的載波相位向第一移動站和第二移動站發(fā)送報文；布置在第一龍門起重機處并且隨第一龍門起重機移動的第一移動站，其接收第一衛(wèi)星定位信號并且根據第一衛(wèi)星定位信號確定第一龍門起重機位置并且根據第一衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第一龍門起重機的誤差；布置在第二龍門起重機處并且隨第二龍門起重機移動的第二移動站，其接收第二衛(wèi)星定位信號并且根據第二衛(wèi)星定位信號確定第二龍門起重機位置并且根據第二衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第二龍門起重機的誤差；和控制器，其根據從第一移動站和第二移動站分別接收的第一龍門起重機位置和第二龍門起重機位置來控制第一龍門起重機和第二龍門起重機之間的距離。在多臺龍門起重機同步的過程中，每臺龍門起重機的大車剛、柔腿位置仍然被采集，若系統(tǒng)檢測到需要糾偏，則不受主、從關系的影響，相應的PLC仍會輸出速度調整給定，實現(xiàn)單臺龍門起重機糾偏。因此事實上可以認為，每臺龍門起重機的RTK系統(tǒng)充分利用了其位置檢測的優(yōu)越性，不僅用于糾偏，也能用于和其它龍門起重機同步。

圖IA示出根據本實用新型的一個實施例、應用支腿同步系統(tǒng)的龍門起重機；圖IB示出根據本實用新型的另一個實施例、應用多臺同步系統(tǒng)的龍門起重機；圖2示出根據本實用新型的一個實施例的移動站的布置；圖3示出根據本實用新型的一個實施例的龍門起重機支腿同步系統(tǒng)；圖4A示出根據本實用新型的一個實施例、應用支腿同步的龍門起重機驅動系統(tǒng)；圖4B示出根據本實用新型的另一個實施例、同步多臺龍門起重機的驅動系統(tǒng)；圖5示出根據本實用新型的另一個實施例、應用同步系統(tǒng)的龍門起重機；和圖6示出根據本實用新型的一個實施例的基站的安裝。
具體實施方式
圖IA示出根據本實用新型的一個實施例、應用支腿同步系統(tǒng)的龍門起重機。如圖 IA所示，同步系統(tǒng)Ia (虛線框內)包括布置在龍門起重機IOa的第一支腿IOOa處并且隨第一支腿IOOa移動的第一移動站11a，布置在龍門起重機IOa的第二支腿IOla處并且隨第二支腿IOla移動的第二移動站1 和控制器13a。第一移動站Ila接收第一衛(wèi)星定位信號并且根據第一衛(wèi)星定位信號確定第一支腿位置，第二移動站1 接收第二衛(wèi)星定位信號并且根據第二衛(wèi)星定位信號確定第二支腿位置并且控制器13a根據從第一移動站Ila和第二移動站1 分別接收的第一支腿位置和第二支腿位置來控制第一支腿IOOa和第二支腿IOla 之間的同步。圖IB示出根據本實用新型的另一個實施例、應用多臺同步系統(tǒng)的龍門起重機。如圖IB所示，龍門起重機的同步裝置Ib虛線框內)包括布置在第一龍門起重機IOb處并且隨第一龍門起重機IOb移動的第一移動站11b，布置在第二龍門起重機12b處并且隨第二龍門起重機12b移動的第二移動站1 和控制器14b。第一移動站lib接收第一衛(wèi)星定位信號并且根據第一衛(wèi)星定位信號確定第一龍門起重機IOb位置，第二移動站1 接收第二衛(wèi)星定位信號并且根據第二衛(wèi)星定位信號確定第二龍門起重機12b位置，控制器14b根據從第一移動站lib和第二移動站1 分別接收的第一龍門起重機位置和第二龍門起重機位置來控制第一龍門起重機IOb和第二龍門起重機12b之間的距離。衛(wèi)星定位信號可以采用GPS信號。GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成， 具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。第一支腿IOOa和第二支腿IOla可以是龍門起重機IOa的剛腿和柔腿；當然，第一支腿IOOa和第二支腿IOla可以是龍門起重機IOa的柔腿和剛腿。為了同時獲得剛腿和柔腿的實際位置，系統(tǒng)配置了兩個移動站(即第一移動站Ila和第二移動站12a)分別安裝在的剛腿和柔腿側并且隨之移動。同樣，為了同時獲得兩臺龍門起重機10b、12b的實際位置， 系統(tǒng)配置了兩個移動站(即第一移動站lib和第二移動站13b)分別安裝在的兩臺龍門起重機10b、1 側并且隨之移動。圖2示出根據本實用新型的一個實施例的移動站的布置。龍門起重機20大梁200 頂端和剛、柔腿201、202的底部邊緣位置是最合適的兩個安裝位置來安裝移動站203、204。 前者視野開闊，最有利于衛(wèi)星信號的接收，但缺點是晃動也較大導致測量精確度下降；后者避免了龍門起重機晃動導致的精度差的問題，但以犧牲一定的衛(wèi)星信號為代價。如何權衡和選擇安裝地點是位置檢測的關鍵一步，因此進行了一次測試分別在兩個地點放置一臺 GPS移動站，在龍門起重機不停地往返行駛過程中，記錄下各自的GPS原始數據。如果晃動不存在，則兩個移動站的位置數據差應始終保持一致，晃動越大，則該位置差變動也越大。 經過統(tǒng)計，當龍門起重機在加減速的時間段中晃動最大，并且超過了允許的大車剛、柔腿偏差范圍，也就是說，龍門起重機的晃動會嚴重影響GPS的位置檢測。另外，通過觀察兩組GPS 移動站的原始數據，可以對比出兩個安裝地點的衛(wèi)星接收情況，發(fā)現(xiàn)，在大梁頂部接收衛(wèi)星顆數平均9顆，而底部平均8顆。衛(wèi)星數少了，但仍然足夠GPS移動站產生固定解(達到厘米級精度的狀態(tài))。所以通過測試，最終確定了將GPS移動站安裝于大車底部。圖3示出根據本實用新型的一個實施例的龍門起重機支腿同步系統(tǒng)。如圖3所示，控制器33包括嵌入式工控機30。嵌入式工控機30負責采集移動站原始經、緯度數據、 數據后處理和數據發(fā)送的功能，即 移動站數據的采集； 基于高斯投影的WGS84坐標系到北京M坐標系的轉換；現(xiàn)場的相對坐標系，符合現(xiàn)場的要求規(guī)定。比如，原來的原點在國外，把原點移到國內，北京M坐標系或西安80 坐標系，使得得出的位置相對于現(xiàn)場相符合，有利于控制算法的實現(xiàn)； 移動站和基站自身狀態(tài)的檢測； 含OPC客戶端，用于自動連接變頻調速系統(tǒng)的OPC服務器，并主動發(fā)送測量數據，實現(xiàn)RTK系統(tǒng)(下面將說明)與PLC控制系統(tǒng)的通信，為龍門起重機支腿速度控制提供數據源； 建立基于TCP/IP的服務器，供其它客戶端的數據監(jiān)測，如PDA。在該軟件的設計中，實時性和可靠性被予以了充分考慮。如采用了精簡的嵌入式操作系統(tǒng)Windows XPE,以及不同優(yōu)先級的多線程編程思想使所有功能的完成處于流水線作業(yè)等，經測試，執(zhí)行周期小于10ms，OPC通信的周期在200ms 士 5%范圍內，與移動站數據 5Hz的更新率以及PLC相應程序塊的200ms執(zhí)行周期匹配，滿足要求。[0027]由于第一、第二移動站31、32和嵌入式工控機30的距離較遠，可以采用諸如RS232 轉光纖一樣的媒介33連接。嵌入式工控機30接入龍門起重機現(xiàn)場的無線802. Ilb局域網 34，供手持式監(jiān)控設備35實現(xiàn)遠距離狀態(tài)監(jiān)測。在多臺龍門起重機同步的過程中，每臺龍門起重機的大車剛、柔腿位置仍然被采集，若系統(tǒng)檢測到需要糾偏，則不受主、從關系的影響，相應的PLC仍會輸出速度調整給定， 實現(xiàn)單臺龍門起重機糾偏。因此事實上可以認為，每臺龍門起重機的RTK系統(tǒng)充分利用了其位置檢測的優(yōu)越性，不僅用于糾偏，也能用于和其它龍門起重機同步。圖4A示出根據本實用新型的一個實施例、應用支腿同步的龍門起重機驅動系統(tǒng)。 龍門起重機驅動系統(tǒng)如包括作為控制器13a的組成部件的PLC控制系統(tǒng)40a、變頻調速系統(tǒng)41a和驅動龍門起重機支腿的電動機42a。例如，控制算法上，變頻調速系統(tǒng)41a采用DTC 變頻調速技術，其能夠達到精確的靜、動態(tài)速度和轉矩控制，允許高過載能力并能提供高起動力矩，在工業(yè)起重機上已經有了普遍的應用。PLC控制系統(tǒng)40a不僅實現(xiàn)了龍門起重機所有的控制邏輯，并且能夠進一步實現(xiàn)很多額外的功能，龍門起重機的支腿速度調整功能就是其中之一。在與變頻調速系統(tǒng)41a的通信中，DriveBus作為和PLC的協(xié)議43a，它的周期可達到IOms以內。PLC控制系統(tǒng)40a以以太網4 為媒介，通過標準的OPC協(xié)議和龍門起重機位置監(jiān)測系統(tǒng)中的嵌入式工控機4 通信，周期為200ms。嵌入式工控機45將剛、柔腿的位置由OPC協(xié)議傳送至PLC40后，PLC40計算出兩腿的位置差，從而計算出是否需要進行同步。如果需要同步，則PLC40啟動程序計算出柔腿或剛腿的速度給定，該給定由DriveBus被送入變頻調速系統(tǒng)41實現(xiàn)最終對柔腿或剛腿的速度控制。該系統(tǒng)通過移動站檢測龍門起重機的柔腿和剛腿的實際位置，控制系統(tǒng)根據該實際位置判斷該偏差是否在允許范圍內，然后通過速度調整功能來同步剛腿和柔腿，將龍門起重機的剛、柔腿偏差限定于允許的極小范圍內。圖4B示出根據本實用新型的另一個實施例、同步多臺龍門起重機的驅動系統(tǒng)。如圖4B所示，為了實現(xiàn)至少兩臺龍門起重機的同步，當第一和第二龍門起重機進行同步時， 它們分別啟動各自的如圖4A所示的同步裝置，由第一龍門起重機40b的工控機41b和第二龍門起重機42b的工控機4 采集和計算后將位置數據送入各自的PLC44b、4^3中，這時候兩臺機的PLC44b、4^3通過ftOfibus進行通信，由PLC44b、4^3中的一個計算出兩臺龍門起重機40b、42b的相對位置是否滿足預先設定的距離范圍和速度給定，并送入對應的傳動系統(tǒng)實現(xiàn)的兩臺龍門起重機40b、42b同步。為了提高移動站對龍門起重機支腿位置的檢測精度，進一步采用載波相位差分技術。RTK(Real Time Kinematic，載波相位差分技術)技術，實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分GPS方法，尤其適合于精確度和實時性要求極高的場合。由于RTK技術獨特的優(yōu)勢及其在測繪等領域的成功應用，ABB將它引入于龍門起重機系統(tǒng)中，不但創(chuàng)造了 RTK技術新地應用領域，而且是傳統(tǒng)的龍門起重機同步技術的一次技術革新。RTK (Real Time Kinematic)技術，是實時處理兩個移動站載波相位觀測量的差分方法，它將基站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機，進行求差解算坐標。這種差分方式能得到厘米級的精度，實時性可達到20Hz，影響可靠性的因素很少，只要合理安裝確保天線能夠無障礙地接收到GPS衛(wèi)星信號，就能達到很高的可靠性。利用RTK技術實現(xiàn)龍門起重機支腿位置的檢測，能夠有效彌補傳統(tǒng)方法的缺陷，極大提高檢測的精確度、實時性和可靠性。[0034]圖5示出根據本實用新型的另一個實施例、應用同步系統(tǒng)的龍門起重機。與圖1 所示的實施例相比較，本實施例的不同之處在于同步系統(tǒng)5除了包括第一移動站51、第二移動站52和控制器53等之外，還包括基站54?；綧實時地根據其所接收的第三衛(wèi)星定位信號的載波相位向第一移動站51和第二移動站52發(fā)送報文。第一移動站51根據第一衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第一支腿位置的誤差(衛(wèi)星定位信號經過大氣層帶來的誤差，實際的經緯和移動站解析處的經緯的誤差)；并且第二移動站52根據第二衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第二支腿位置的誤差。具體來說，龍門起重機支腿位置檢測中，RTK技術發(fā)揮了主導作用。RTK系統(tǒng)在硬件上采用了南方測繪公司的S86系統(tǒng)主要由基準站即天線、移動站及天線，UHF無線電臺組成，其工作原理概括為=RTK的基站討和移動站51、52分別依靠各自的衛(wèi)星天線接收GPS衛(wèi)星的信號，然后經過其內部的處理器計算出標準格式的報文，同時移動站51、52通過UHF無線電臺實時地接收來自基站M的報文，基于它們的相位差解算出移動站天線所在位置的實際位置(經度和緯度)。該位置值由移動站經RS232標準串口協(xié)議輸出至嵌入式工控機 53，進一步計算得出以軌道起點為原點的移動站天線位置的三維座標。圖6示出根據本實用新型的一個實施例的基站的安裝?；?的安裝條件是將其安裝在龍門起重機65外部并且基站衛(wèi)星天線60到任何一個移動站衛(wèi)星天線的直線距離不超過15km，同時它的衛(wèi)星天線60和電臺天線61的安裝位置開闊，無遮擋物，周圍電磁干擾小。例如，選擇在現(xiàn)場一幢辦公樓樓頂安裝天線，基站主機62則安裝在大樓內部，并通過同軸電纜63和天線60、61連接。任何系統(tǒng)都不可能是100%有效的，因此冗余和容錯設計是一個必要的補充和安全措施。冗余設計是指以RTK系統(tǒng)作為龍門起重機支腿位置檢測的主體后，仍然保留絕對值編碼器的位置檢測功能，以避免萬一 RTK系統(tǒng)失靈的情況下，控制器仍然具有暫時的糾偏和同步功能。容錯設計是指在RTK系統(tǒng)和絕對值編碼器共存且都正常工作的情況下，利用RTK系統(tǒng)得到的位置來修正和校準絕對值編碼器的位置輸出，以避免在系統(tǒng)切換到絕對值編碼器時它們的初始位置存在較大誤差。通過冗余，即使在控制器失靈或無效時候，將在一個PLC周期(50ms)內將數據源切換到編碼器，使其仍然能夠正常工作。這種切換是自動進行的，對于龍門起重機司機來說沒有任何影響，龍門起重機行駛也不會產生任何波動。容錯設計保證了編碼器投入工作的瞬間，其數據是準確的，因此消除了累積誤差， 將編碼器運行時的整體誤差降到最小。事實證明，冗余和容錯設計是有效的?；谌哂嘣O計的原則，絕對值編碼器的位置檢測功能予以保留，為RTK的位置檢測作備份。正常工作時， 大車位置檢測依賴于RTK系統(tǒng)，同時實時校準絕對值編碼器的位置，當RTK系統(tǒng)工作不正常的時候，則龍門起重機位置從絕對值編碼器讀取，這樣龍門起重機在任何時刻都能有糾偏保護。雖然已參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例示出并描述了本實用新型，但本領域技術人員應當明白，在不背離由所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式上和細節(jié)上對其做出各種變化。
權利要求1.一種龍門起重機的同步裝置，其特征在于包括位于所述龍門起重機外部的基站，實時地根據其所接收的第三衛(wèi)星定位信號的載波相位向第一移動站和第二移動站發(fā)送報文；根據第一衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第一支腿位置的誤差的第一移動站，其布置在所述龍門起重機的第一支腿處并且隨第一支腿移動并且接收第一衛(wèi)星定位信號并且根據第一衛(wèi)星定位信號確定第一支腿位置；根據第二衛(wèi)星定位信號確定第二支腿位置并且根據第二衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第二支腿位置的誤差的第二移動站，其布置在所述龍門起重機的第二支腿處并且隨第二支腿移動并且接收第二衛(wèi)星定位信號；和控制器，其根據從第一移動站和第二移動站分別接收的第一支腿位置和第二支腿位置來控制第一支腿和第二支腿之間的同步。
2.如權利要求1所述的同步裝置，其中所述控制器包括基于高斯投影對對第一支腿位置和第二支腿位置進行不同坐標系轉換的嵌入式工控機。
3.如權利要求2所述的同步裝置，其中所述控制器包括PLC控制系統(tǒng)，其與所述嵌入式工控機通信并且通過改變第一支腿或第二支腿的速度給定來控制所述同步。
4.如權利要求3所述的同步裝置，其中第一支腿為剛腿，第二支腿為柔腿。
5.如權利要求1所述的同步裝置，其中第一移動站和第二移動站分別布置在第一支腿和第二支腿的底部邊緣。
6.一種龍門起重機的同步裝置，其特征在于包括位于所述第一和第二龍門起重機外部的基站，實時地根據其所接收的第三衛(wèi)星定位信號的載波相位向第一移動站和第二移動站發(fā)送報文；根據第一衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第一龍門起重機的誤差的第一移動站，其布置在第一龍門起重機處并且隨第一龍門起重機移動并且接收第一衛(wèi)星定位信號并且根據第一衛(wèi)星定位信號確定第一龍門起重機位置；根據第二衛(wèi)星定位信號的載波相位和其接收的報文所表示的載波相位之間的相差消除第二龍門起重機的誤差的第二移動站，其布置在第二龍門起重機處并且隨第二龍門起重機移動并且接收第二衛(wèi)星定位信號并且根據第二衛(wèi)星定位信號確定第二龍門起重機位置； 和控制器，其根據從第一移動站和第二移動站分別接收的第一龍門起重機位置和第二龍門起重機位置來控制第一龍門起重機和第二龍門起重機之間的距離。
7.如權利要求6所述的龍門起重機的同步裝置，其中所述控制器包括分別計算第一龍門起重機的天線和第二龍門起重機支腿的天線在以所述龍門起重機的軌道起點為原點的三維坐標系中三維坐標的第一嵌入式工控機和第二嵌入式工控機。
8.如權利要求7所述的龍門起重機的同步裝置，其中所述第一嵌入式工控機和第二嵌入式工控機分別包括彼此通信的第一 PLC控制系統(tǒng)和第二 PLC控制系統(tǒng)，其分別與所述第一嵌入式工控機和第二嵌入式工控機通信并且第一 PLC控制系統(tǒng)或第二 PLC控制系統(tǒng)通過改變第一或第二龍門起重機的速度給定來控制所述第一和第二龍門起重機之間的距離。
專利摘要本實用新型提供一種龍門起重機的同步裝置，包括布置在所述龍門起重機的第一支腿處并且隨第一支腿移動的第一移動站，其接收第一衛(wèi)星定位信號并且根據第一衛(wèi)星定位信號確定第一支腿位置；布置在所述龍門起重機的第二支腿處并且隨第二支腿移動的第二移動站，其接收第二衛(wèi)星定位信號并且根據第二衛(wèi)星定位信號確定第二支腿位置；和控制器，其根據從第一移動站和第二移動站分別接收的第一支腿位置和第二支腿位置來控制第一支腿和第二支腿之間的同步。該系統(tǒng)通過移動站檢測龍門起重機的柔腿和剛腿的實際位置，控制系統(tǒng)根據該實際位置判斷該偏差是否在允許范圍內，然后通過速度調整功能來同步剛腿和柔腿，將龍門起重機的剛、柔腿偏差限定于允許的極小范圍內。
文檔編號B66C13/22GK202072406SQ20102018606
公開日2011年12月14日 申請日期2010年5月10日 優(yōu)先權日2010年5月10日
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