齊凱軒

神華黃驊港務公司 河北滄州 061113

黃驊港堆場區(qū)域移動單機采用集控操作、自動控制模式，自動程度的提高對單機實時位置的準確性要求特別高，本文針對目前設備現(xiàn)狀提出了可靠的、簡易的、極具推廣價值的方案。

1 黃驊港堆場現(xiàn)狀及其問題描述

隨著自動化技術的不斷推廣完善，目前國家能源集團黃驊港港務公司已實現(xiàn)堆場區(qū)域集控操作、現(xiàn)場無人化的階段性成果。為確保生產(chǎn)的安全可靠，實現(xiàn)作業(yè)的精細化管理，準確、實時掌握移動單機的各類狀態(tài)信息尤為重要，其中移動單機的位置信息是避免臨近單機發(fā)生碰撞、避免貨運事故的重要保障也是自動化作業(yè)準確運行的基本條件。目前堆場單機基于GPS建立統(tǒng)一的模型管理系統(tǒng)，所有設備在統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中，以實現(xiàn)單機的位置確認。隨著近幾年的運行，其中隱藏的問題逐漸凸顯出來，對自動化作業(yè)產(chǎn)生一定影響：編碼器數(shù)據(jù)由于依賴性降低，對編碼器數(shù)據(jù)的維護不到位，在GPS數(shù)據(jù)不可靠的情況下，編碼器數(shù)值不夠準確，影響自動作業(yè)。

（1）GPS信號采集及使用中存在的問題。GPS基本的定位原理是衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息。每一顆衛(wèi)星連續(xù)不斷地向GPS接收機發(fā)送可跟蹤的唯一編碼序列，GPS接收機可根據(jù)編碼辨認相關的衛(wèi)星，進而計算出接收機的確切位置和準確時間[1]。

為建立統(tǒng)一坐標，在黃驊港堆場系統(tǒng)實際應用中，采用的是相對坐標：采用基站、移動站通訊，通過計算獲取用戶所需的坐標值。其基本原理如下：選擇合適地點作為基準站，并在該位置安裝一臺GPS天線接收器，不間斷地進行觀測接收器接收范圍內的所有GPS衛(wèi)星，并通過相應的通訊設備將其數(shù)據(jù)實時地發(fā)送給各個移動站。各移動站的GPS天線接收器同樣的掃描和接收各GPS衛(wèi)星信號通過有效的通訊接收基準站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后通過計算，建立統(tǒng)一的相對坐標系統(tǒng)，各移動站的位置則實時的顯示出來。

GPS通訊由天線接收器、無線電臺、雙天線平板電腦、串口服務器以及相應通訊線纜組成。通過近幾年的連續(xù)工作，目前整體運行穩(wěn)定，但出現(xiàn)問題后由于故障點不好排查，往往造成較長時間的故障停機，對生產(chǎn)造成一定的影響，其中各移動站故障事件較為突出：

（2）隨著自動化程度的逐步推進，現(xiàn)場設備附屬產(chǎn)品越來越多，天線接收器接收的高頻信號有時會包含其他誤信號，對GPS的精度產(chǎn)生影響。

（3）設備在實際應用中的工作環(huán)境并不理想。比如說，目前移動站單機由于軌道不平等一系列原因，各單機移動時會有不同程度的震動現(xiàn)象，GPS系統(tǒng)電器件較多，各接口偶爾出現(xiàn)松動現(xiàn)場導致GPS信號錯誤。

（4）其它未知原因造成的串口服務器死機或者GPS數(shù)據(jù)變慢情況時有發(fā)生。

當出現(xiàn)異常情況時，為保證移動單機能正常工作而不影響生產(chǎn)效率，則需要將準確的編碼器數(shù)值進行調用，以保證移動單機不受GPS問題的影響。

2 行走編碼器及使用中存在的問題

絕對值編碼器的位置確定唯一的輸出數(shù)值。編碼器的輸出值與位置的起始點和終點有關，而與中間的測量過程沒有關系：在一圈里，每個編碼器的輸出數(shù)值對應唯一的數(shù)字代碼，編碼器的每一個數(shù)字代碼對應的編碼器位置也是唯一的。絕對值編碼器按照使用量程一般又包括單圈編碼器和多圈編碼器。多圈絕對值編碼器生產(chǎn)制作方法是基于單圈絕對值編碼器的：根據(jù)鐘表齒輪機械的原理，當中心碼盤旋轉時，通過齒輪傳動另一組碼盤（或多組齒輪，多組碼盤），由此生產(chǎn)廠家利用此方法巧妙的在單圈編碼的基礎上再增加適當圈數(shù)的編碼，以擴大編碼器的測量范圍，這樣的絕對值編碼器就稱為多圈絕對值編碼器，它同樣是由機械位置確定編碼，每個位置編碼唯一不重復，從而每一個輸出值都是唯一的，由于數(shù)值由機械位置確定所以不會發(fā)生因為斷電產(chǎn)生丟失數(shù)據(jù)的情況。多圈編碼器另一個優(yōu)點是由于測量范圍大，實際使用往往富裕較多，這樣在安裝時不必要費勁找零點，將某一中間位置作為起始點就可以了，而大大簡化了安裝調試難度[2]。

黃驊港移動單機行走距離較長，多采用多圈絕對值編碼器。根據(jù)編碼器通訊方式選擇對應的模塊進行連接通訊獲取編碼器初始值，并通過相應運算，計算出相應的數(shù)值。在現(xiàn)場實際的使用過程中，編碼器壽命可達10年以上，出色的使用年限是保證編碼器可靠的必要條件。但是由于編碼器安裝在行走輪的從動輪上面，由于從動輪偶爾會出現(xiàn)受力不均的情況，從動輪有時候會出現(xiàn)多轉或者少轉的情況，導致編碼器出現(xiàn)不同程度的偏差，需要進行校正。以往情況是在行走軌道上，布置用于觸發(fā)校正的開關，當單機移動至該位置并觸發(fā)此開關后進行校正，其缺點顯而易見：

（1）單機行走過程中通過觸發(fā)預定位置的校正開關來校正編碼器數(shù)值，由于行走速度、開關響應時間以及程序運算的影響，校正后的位置不夠準確，往往存在半米左右甚至更高的誤差，即便PLC運算中各主管人員添加校正偏差，由于每一次的工況都不盡相同，其結果也不大理想，偏差一直存在。

（2）開關存在誤觸發(fā)情況，導致編碼器位置錯誤。

（3）開關數(shù)量多，線路較長，損壞后恢復不易。

編碼器的優(yōu)點以及校正存在的客觀問題，使得港口機械對于編碼器可以說是又愛又恨，既舍不得丟掉，又擔心校正問題出現(xiàn)偏差。

本論文所提供的方法將解決以上問題，確保編碼器數(shù)值真實有效。GPS信號作業(yè)移動單機行走的常規(guī)數(shù)據(jù)來源，當出現(xiàn)GPS信號問題時，通過PLC控制器用編碼器數(shù)據(jù)替代GPS數(shù)據(jù)參與移動單機的自動、手動控制，實現(xiàn)數(shù)值間的無間斷投切。本文設計系統(tǒng)由編碼器、GPS系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的各硬件設備組成，無需額外添加其他設備，甚至于一定程度上可以精簡其他不必要的檢測裝置，例如布置在單機及其行走軌道上的各校正開關等等。本文設計利用GPS系統(tǒng)，在GPS信號正常情況下，通過計算偏差值來校正行走編碼器，使移動單機能夠在GPS信號異常情況下能自動投切到編碼器數(shù)值并保持與原有GPS坐標的一致性，從而保證移動單機能不間斷作業(yè)，減少甚至避免因此造成的故障停機，提高移動單機的作業(yè)效率。

3 軟件設計與實現(xiàn)

編碼器基于GPS數(shù)值校正程序設計思路分為兩種方法，均基于GPS信號正常的情況下。第一種是每月定期校正：當行走命令消失60秒后，在GPS信號（標簽gIN_GPSSignalsValid_OK）正常的情況下，每月1日自動計算一次GPS行走數(shù)值與行走編碼器數(shù)值的偏差，然后計算編碼器數(shù)值與該偏差值數(shù)值之和即為校正后的單機位置值。第二種是因其他情況出現(xiàn)較大誤差時的自動校正：移動單機行走結束一分鐘后計算GPS數(shù)值與編碼器數(shù)值的差值，差值的絕對值在1（可根據(jù)實際情況進行調整，以下數(shù)值相同）米以內不校正，1到5米之間自動校正，校正的計算方法與第一種方法相同；大于5米或者每天自動校正次數(shù)超過2次則不再觸發(fā)該校正程序，因為按照編碼器的穩(wěn)定性來講，一般不會出現(xiàn)頻繁校正或者誤差值突然增大的情況，誤差都是較長時間的累積疊加起來的，出現(xiàn)此種情況該段程序結束執(zhí)行，并通過HMI報警進行報錯，提醒操作員以及技術人員及時查找原因并解決問題，避免出現(xiàn)編碼器因長時間不使用而不了解其工作狀態(tài)的情況。

以上校正方法，通過獲取靜止時候，GPS信號正常下的GPS行走數(shù)值來校正移動單機編碼器，有效解決了GPS信號不準的問題以及常規(guī)情況下編碼器數(shù)值出現(xiàn)偏差的問題。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證本方法的可行性，對1號堆取料機進行了長期的數(shù)據(jù)觀察對比，在GPS信號以及編碼器正常運轉情況下，通過觸發(fā)自動校正程序，編碼器與GPS數(shù)值的差值始終維持在1米以內，滿足黃驊港堆場單機自動作業(yè)條件。

圖1 程序設計圖

5 結語

本論文基于現(xiàn)場現(xiàn)有設備，并對編碼器校正環(huán)節(jié)進行改進和完善，解決了造成編碼器校正不準的問題，減少了人工的干預程度，提高了設備的自動化程度。

經(jīng)測試本文設計的移動單機行走編碼器基于GPS的校正方案，很高的準確性，能保證編碼器數(shù)值處于待命狀態(tài)，當GPS信號異常時可隨時進行投切并投入使用，能有效避免因行走位置不準確造成的故障停機，在保證移動單機持續(xù)作業(yè)方面具有很高的推廣價值。