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双重起重浮吊协同控制系统
摘要
本文提出了两种不同类型的浮式起重机的双吊装及其协调控制系统。随着船舶和离岸平台的扩大，船舶建造中的巨型建造和千兆级建造被用于处理较重和较宽的块体和模块。然而,没有设备来处理这样的 Tera-blocks。为了克服现有浮式起重机性能的限制,双重提升在这项研究中被提出。在双重提升中,两台浮式起重机连接良好，这提升了两台起重机的起重能力，但实际上只有一台起重机在起重。双重提升的两个主要限制如下:首先，两个浮式起重机的驳船应作为刚体约束，不得在两驳船和两主钩之间引起相对运动，起重机应被控制为单台起重机的主吊钩。也就是说,开发双浮体协同控制系统是十分必要的，为了维持模块的重心，最大限度地减小起重机在起重和卸载过程中的倾斜角度。两台浮式起重机作为主从系统进行处理。主起重机能够收集所有工作条件的信息通过 tcp / ip 协议与从机进行通信，决定控制各个吊钩的速度。所开发的控制系统在实际的浮吊系统中进行了嵌入，并于2015年在 SHI船厂进行了五次双吊装演示。对提升模块的运动角度进行了分析，验证了其适用于提升控制。实践证明，双重提升可以应用于多种场合为缩短船舶和离岸平台的建造时间，建造较重和较宽的模块和模块。
版权所有copy;2018 韩国船舶工程师协会。制作和主持: Elsevier b.v。本文是一篇基于Cc BY-NC-ND 许可证的开放存取文章。(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)
关键词：协同控制系统;协同控制系统;浮式起重机;吊装控制;主从系统
1.引言
随着船舶和岸外平台规模的扩大，各造船企业都在努力建造巨型、千兆、万兆等大型码头，以缩短码头建造时间，提高生产效率。除此之外，为了起更大的石块并把它们转移到造船厂的其他地方，海上的浮式起重机比岸上
的巨型起重机更有用。因此，浮动起重机的地位越发重要，所占比重也越来越多，因为它能够举起和卸下比巨型起重机更重的货物。
对现有浮式起重机超越能力的新要求，导致了一种新的起重方式——双吊，即将两台浮式起重机作为一台起重机，以协调的方式进行起重、操纵和卸载。为了成功地完成双吊装，需要进行大量的相关研究，包括两台浮式起重机与载荷之间的动力相互作用分析、并排内部系泊分析、操纵分析、协同控制系统等。其中，开发能够安全起卸货物的协调控制系统是关键因素之一。如果为了保持升降模块的平衡或者不断维持模块的重心，可能会发生转动载荷或翻转载荷等重大事故。
许多研究人员试图分析浮吊的行为(Ku et al., 2014; Cha et al., 2012)。浮式起重机在海上作业，受到风、浪流、阵风等环境条件的影响。由于各种浮式起重机的特点和使用方法因具体情况的不同而有所不同，所以大多数的研究都集中在双吊装方法的发展上 (Hwang et al., 2009a,b; SHI, 2007)。此外，还研究了同一两台浮吊的同步控制系统(Hwang et al., 2009a)。无论如何，这些研究大多集中在同步控制系统本身的硬件设计上。
很少有研究考虑起重控制的性能和双提升系统安全性的设计。为了提高双吊装效率，本文提出了一种具有联锁功能的闭环速度控制、安全报警处理系统和双吊装过程监控系统。该系统可以集成任意两台实际的浮式起重机进行双吊装作业，并于 2015 年在三星重工船厂进行了五次双吊装作业，验证了系统的性能。此外，双重起吊是由海事保修验船师批准的。
本文由六个部分组成，包括本文的导论。第二节介绍了浮吊系统，重点介绍了主钩的传动原理。第二节介绍了双提升机构的协调控制。第二节介绍了双升降起重机协调控制系统的设计与开发。第节给出了应用结果，并对实验数据进行了讨论。最后，第五部分强调了本研究的贡献以及今后的研究方向。
2.浮吊系统
一个典型的海上浮式起重机包括一个浮动驳船和起重机部分，处理重载如图所示。
系泊系统
驳船部件
主吊钩
起重机部件
三角帆
锚定系统
图1 浮式起重机的结构
浮力驳由三个系统组成:控制浮力的压载系统、系泊系统和靠泊在船尾的锚泊系统。起重机由主吊钩和吊臂组成。吊钩被用来垂直提升或降低载荷，这被称为提升运动。吊臂臂被用来改变伸展角度，这就是所谓的变幅运动。提升运动是由安装在单个主钩绞车上的缠绕和未缠绕的钢丝绳完成的，可以提升和卸载货物。变幅运动的驱动机构类似于提升运动。即在臂架起重机的绞车上安装缠绕和未缠绕的钢丝绳进行变幅运动，使臂架伸长和缩短。
这是主钩控制器的示意图。如果操作者在操作台上拉动操纵杆的操作杆,一些驱动感应电动机的信号通过可编程序控制器(PLC)产生并传输到变频驱动器(VFD)。安装在主钩绞车系统中的感应电动机由变频器驱动。感应电动机的驱动速度和方向取决于步距和杠杆的方向。一条单线的钢丝绳紧紧地均匀地缠绕在一个绞车卷筒上，通过滑轮从一个绞车连接到另一个绞车。在由许多固定和移动滑轮组成的机构中，这种钢丝绳也用于传递力。也就是说，固定滑轮和移动滑轮的组合可以用较小的力提起重负荷。
当主钩上下移动负载时，负载的重量和移动距离分别通过负载销和编码器实时测量。一个负载销安装在一个特定的滑轮附近的繁荣提示措施一线张力，它是转换成一个真正的重量在实时。同时，编码器直接测量单个主钩的移动距离。这些重量和距离数据用于监测数据，了解当前状态，并作为提升运动闭环速度控制的反馈。
3.双吊运协同控制任务的确定
为了克服现有浮式起重机的性能限制，处理更重、更宽的浮式起重机和模块，提出了两种不同类型的浮式起重机的双吊装及其协调控制系统。本研究开发的协同控制系统意味着双浮式起重机作业时，系统是自动控制两台独立浮式起重机主吊钩起升速度的系统。这种控制系统能够保持两台浮吊之间的平衡，对安全起卸货物至关重要。
如果两台不同的浮式起重机(f/c#1 和 f/c#2)的主钩在双重起吊过程中的起吊速度不一致，则可采用双重起吊方式同步，一个重心(COG)的升降模块可以改变，这导致产生的负荷倾斜角度如图所示。
如果由于提升模块的一个齿轮的变化导致倾斜角度超过了特定的极限值，则可能导致悬挂载荷的旋转或翻转，从而造成双重提升过程中的重大事故。因此，起重机各主吊钩的起升速度控制性能是双吊成功的重要因素之一。SHI浮式起重机有三种不同的起重能力:3000吨F/C, 3600吨F/C 和8000吨F/C。本研究选用 3600吨f/c 和 8000吨f/c，以最大限度地提高双重
提升所能承受的重量和宽度。3600吨f/c 和 8000吨f/c 分别有 4
个和 8 个主钩。两台起重机的驳船大小和提升速度不同，如表1。
动滑轮
定滑轮
编码器
负载
发动机
绞车
变频器
操纵杆
图2 主钩控制器的示意图
值得注意的是早有已发表的使用两台相同的起重机进行双重起重的文章 (Hwang et al., 2009a,b)，但是还没有关于使用两台不同起重机进行协同控制的研究或验证。关于船舶起降的指导方针已由DNV-GL提供。根据 DNV-GL，对于单独的海上驳船上的双钩起重机，每个钩起重机的单个总钩载荷为5。五钩以上的两台浮吊作业条件恶劣，需要特殊考虑。本研究的目标是开发最大倾斜角为3，最大钩高差为1.0m 的协同控制系统。这是非常具有挑战性的两台起重机具有不同的能力和总共12钩。
图3 双重提升时的倾斜角度
4.协同控制系统的设计与开发
该协同控制系统采用主从结构，以8000吨f/c和3600吨f/c分别作为主从机构。
该系统允许操作人员使用同步操作台一次操作两台独立浮吊。主机上的同步操作台可自动控制两台起重机的所有主钩，并在双吊期间保持载荷平衡。主起重机通过tcp/ip 向从起重机发送一些指令来指示从起重机的动作和从起重机的状态。此外，从起重机还能够收集主起重机的所有状态信息。针对这一数据传输，考虑到起重机的不同布局的广泛应用，已经建立了有线和无线网络系统。通过同步操作台上的监控系统和从站上的 M-CMS，可以分别显示获得的信息来识别对方的状态。主机上的 S-WOD 可以根据需要在从机上操作系泊绞车系统。
协同控制系统包括起重控制和卸载控制、安全运行报警处理系统和双重起重过程监控系统。
数据通信
紧急制动
活体检测
8000吨F/C主起重机
同步操作台
辅绞车操作台
主起重机监控系统
3600吨F/C辅起重机
驳船操纵台
绞车操作台
辅操作台
主操作台
起重机监控系统
图4 协同控制系统的结构
4.1.吊装控制
给出了双吊机协调控制系统的吊装控制算法流程图。两台浮式起重机的主钩运行时，应使用位于主起重机上的同步操作台。如果操作者在操作台上拉动操纵杆的杠杆，主起重机的控制器检查两台起重机的状态。如果两台浮式起重机处于正常行驶状态，则感应电动机的起升运动采用闭环速度控制。也就是说，比例控制是为每个主钩的提升速度而开发的，例如
其中 Vout 为控制提升速度，Kp 为比例反馈增益，e 为重量误差，即双重提升过程中参考重量与实际重量的差值。提升速度取决于操作台上操纵杆的移动速度。提出的速度控制是指每个主钩的重量应保持其参考重量，以保持载荷的初始位置和方向。
为了保证双吊装过程中的载荷平衡和协调控制系统的安全性，通过检查各主钩之间的位置关系、各主钩的重量偏差和提升模块倾斜角度的变化，设计了一种联锁系统。测量偏差大于设定值时，主起重机控制器报警，使两台浮吊停止。
4.2.警报处理系统
由于系统故障或故障的破坏性影响，浮式起重机的系统安全性是影响其安全性的重要因素之一。由于双吊比单吊承受更大、更重的载荷，系统安全对协调控制系统的重要性不能得到充分的重视。
根据系统故障、通信报警、紧急停机等故障，设计了协同控制系统的报警器。系统错误包括让操作者知道正在操作的浮吊状态的警告和显示控制器同时停止两台浮吊状态的警告。由于两台浮式起重机之间是通过 tcp/ip 协议进行通信的，因此需要一个稳定的连接。如果主从起重机之间的连接丢失，每台起重机的控制器都会发出警报并自动停止操作。每台起重机都有一个紧急开关，通过硬线连接，以便在需要时能够正常工作。如果按下开关，主起重机的控制器会发出警报，立即停止两台浮吊。
4.3.监察系统
由于主起重机的控制器负责双重起吊，因此需要开发能够实时采集浮式起重机状态信息和检测载荷状态的监控系统。
换句话说，主起重机的操作员监视主起重机和从起重机的所有状态。例如，每个吊钩的高度，每个吊钩的载荷，每个吊臂的总载荷，每个吊臂的角度等都在LCD屏幕上显示。
联锁功能
模块状态监测
F/C状态监控
监测系统
报警处理系统
提升控制
协同控制系统
为了检查负载的平衡和监测双重提升的进度，一个倾斜仪已经被改装。注意，保持负载平衡使系统性能不受每台浮式起重机系统特性的影响。
否
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