英语原文共 8 页

Cooperative control system of the floating cranes for the dual lifting

Mihee Nam^a,b, Jinbeom Kim^b, Jaechang Lee^b, Daekyung Kim^b,Donghyuk Lee^c, Jangmyung Lee^a，c

Robotics Related Interdisciplinary Course, Pusan National University, Busan, 46241, South Korea

Central Research Institute, Samsung Heavy Industries Co., Ltd, Geoje-si, 53261, South Korea

Electronic Engineering, Pusan National University, Busan, 46241, South Korea

Received 1 October 2016; revised 8 March 2017; accepted 10 March 2017 Available online 12 April 2017

双提升浮式起重机协同控制系统

译者：梁尧

摘要

本文提出了一种双提升及其与两种不同浮式起重机的协同控制系统。随着船舶和海上平台的扩大，造船中的巨型安装和千兆安装用于处理更重和更宽的块和模块。但是，没有设备来处理这种Tera块。为了克服现有浮式起重机的性能限制，本研究提出了双重提升。在双提升中，两个浮动起重机协调良好，以增加两台起重机的升力能力，而不会造成任何损失，因此几乎只有一台起重机可以起吊，操纵和卸载。双提升的两个主要限制条件如下：首先，两个浮式起重机驳船应该被限制为一个刚体，不会引起两个驳船之间的相对运动，两个起重机的主钩应该被控制为单个起重机的主勾。换句话说，有必要开发两个浮动起重机的协同控制，以便维持模块的重心并最小化两个浮动起重机在提升和卸载期间的倾斜角度。两个浮动起重机作为主从系统处理。主起重机能够收集有关所有工作条件的信息，并决定控制单个挂钩速度，通过TCP / IP与从属起重机通信。已经开发的控制系统已嵌入到实际浮式起重机系统中，并且在2015年SHI造船厂已经进行了五次双重升降。对提升模块的运动角进行了分析，验证其适用于提升控制。经验证，双提升可应用于更多更重，更宽的块体和模块，以缩短船舶和海上平台的施工时间

关键词：协同控制系统;双提升;浮吊;吊装控制;主从系统

1介绍

随着船舶和海上平台的扩大，所有造船公司都在努力建造更大的区块，如Mega-blocks，Giga-blocks和Tera-blocks，以减少停靠时间并提高生产率。为了提升更大的区块并将它们转移到造船厂的其他地方，海上的浮式起重机比陆上的巨型起重机更有用。因此浮动起重机的重要性正在增加。它能够比岸上巨型起重机提升和卸载更重的负载。

对超过现有浮式起重机能力的新要求导致了一种新的提升方法，即双提升，这意味着两个浮式起重机作为单个起重机进行管理，以便以良好协调的方式进行提升，操纵和卸载（Jung等，2016）。为了成功完成双重提升，需要进行多项相关研究，两台浮吊与负荷之间的动力相互作用分析，并列内部系泊分析，机动分析，协同控制系统等（Jung等，2016）。其中，开发协调控制系统是安全卸载和卸载的最重要因素之一。如果它不能成功保持提升模块的平衡或不断地维持模块的重心，可能发生诸如旋转负载或转动负载之类的重大事故

许多研究人员试图分析浮式起重机的行为（Ku等，2014;Cha等，2012）。浮式起重机在海上作业并受到环境条件的影响，例如风，波浪流和阵风。大多数研究都集中在双提升方法的发展上，因为每台浮式起重机都有特征规格，应用方法因具体情况而有所不同（Hwang等，2009a，b;SHI, 2007）。此外，一个两台浮式起重机的同步控制系统极影被研究了（Hwang等，2009a）。然而，这些研究大多集中在同步控制系统本身的硬件设计上。

很少有研究考虑过吊装的性能控制和设计考虑到双提升的系统安全性。在这项研究中，提出了一种具有用于提升的互锁功能的闭环速度控制，用于安全的警报处理系统和在双提升期间的监控系统，以提高双提升效率。该系统可用于整合任意两台真正的浮式起重机进行双提升，并且在2015年SHI（三星重工）造船厂应用五次双重升降验证了性能。此外，双重提升已被MWS承认（海事保修测量师）。

本文由六个部分组成，包括本介绍。在节中2，介绍了浮吊系统，重点介绍了主吊钩的驱动原理。在节中3，介绍了双提升的协同控制。在节中4 阐述了双提升起重机协同控制系统的设计与开发。部分5 显示了应用结果以及对实验数据的一些讨论。最后，部分6 最后强调了这项研究的贡献和对后来者的期望。

2浮吊系统

典型的海上浮式起重机由一艘浮式驳船和一个处理重物的起重机部件组成，如图1所示：

图1.浮式起重机的配置

浮力驳船由三个系统组成：用于控制浮力的压载系统，用于将驳船系在船首上的系泊系统和用于停泊在船尾上的锚固系统。起重机由主钩和臂架组成。钩子已被用于垂直升高或降低负载，这被称为提升运动。臂架已被用于改变外展，这被称为变幅运动。通过卷绕和展开安装在单个主钩的绞盘上的钢丝绳来执行提升运动，这使得能够提升和卸载负载。俯冲运动的驱动机构类似于提升运动。即，通过卷绕和展开安装在臂架的绞盘上的钢丝绳来进行变幅运动使外展延长和缩短、

图2显示了主钩控制的示意图。如果操作员在操作台上拉动操纵杆的杆，通过可编程逻辑控制器（PLC）驱动感应电动机的一些信号被生成并传输到变频驱动器（VFD）。安装在主钩的绞盘系统中的感应电动机由逆变器驱动器驱动。感应电动机的驱动速度和方向取决于杠杆的台阶和方向。通过滑轮将单线绞合线牢固且均匀地缠绕在绞盘鼓上，从一个绞盘连接到另一个绞盘。这种钢丝绳还用于在由许多固定和可动滑轮组成的机构中传递力。也就是说，固定滑轮和可动滑轮的组合允许以较小的力提升重载。

当主钩上下移动负载时，分别使用负载销和编码器实时测量负载的重量和移动距离。安装在靠近吊杆末端的特定滑轮中的负载销测量线张力，并实时转换为实际重量。此外，编码器直接测量各个主钩的移动距离。这种重量和距离数据用于监视知道当前状态的数据，并且是用于提升运动的闭环速度控制的反馈。

图2.主钩控制的示意图

3双重提升的协同控制任务的定义

本文提出了双提升及其与两种不同浮式起重机的协同控制系统，以克服现有浮式起重机的性能限制，处理更重，更宽的块和模块。本研究开发的协同控制系统表明，当双浮动起重机运行时，系统可以自动控制两个浮动起重机主钩的提升速度。该控制系统对于通过保持两个浮动起重机之间的平衡来安全地提升和卸载负载是至关重要的。

如果在双提升过程中两个不同的浮动起重机（F/C＃1和F/C＃2）的主钩的提升速度不是同步后，可以改变提升模块的重心（COG），这会导致产生负载的倾斜角度，如图所示图3.

图3.双提升过程中的倾斜角度。

如果倾斜角度由于提升模块的COG的变化而超过特定极限，则悬挂负载可以旋转或翻转，这将导致双重提升期间的大事故。因此，起重机所有主钩的提升速度控制的性能是成功双提升的最重要因素之一。在SHI中有三个具有不同容量的浮式起重机：3000-吨F / C，3600吨F / C和8000吨F / C.在本研究中，选择3600 TF / C和8000 TF / C，以最大化双提升可以处理的负载的重量和宽度。3600 TF / C和8000 TF / C分别有四个和八个主钩。两台起重机的驳船尺寸和起升速度不同，如图所示表格1.

表格1浮式起重机的规格。

请注意，已经发布了使用两台相同起重机的双提升（Hwang等，2009a，b但是，没有研究或验证使用两种不同起重机的协同控制。DNV-GL提供了有关船舶升降的指导原则（GL, 2015）。根据DNV-GL，对于在单独的海上驳船上使用起重机的双钩升降机，每个吊钩升降机的单个总吊钩载荷应该是倾斜度为5o的更加繁重的条件。对于具有超过5个钩子的两个浮动起重机的操作具有苛刻的条件并且需要特殊考虑。本研究的目的是开发协同控制系统，最大倾斜度为3o ，最大钩高差为plusmn;1.0 m。这是非常具有挑战性的两个不同容量的起重机和总共12个挂钩。

4同控制系统的设计与开发

协同控制系统基于双提升的主从配置，其中8000 TF / C和3600 TF / C分别被定义为主设备和从设备。

这个系统许一个操作员使用同步操作台一次操作两个独立的浮动起重机，如图所示图4.主机上的同步操作台可以自动控制两个起重机的所有主挂钩，并在双提升期间保持平衡负载。主起重机向从属起重机发送一些命令以指示从属机构的动作并通过TCP / IP接收从属起重机的状态。此外，从属起重机还能够收集有关主起重机的所有状况的信息。对于这种数据传输，考虑到两种起重机的不同布局的广泛使用，已经建立了有线和无线网络系统。所获取的信息可以被显示为分别通过从属设备上的M-CMS和同步操作台上的监视系统识别另一侧的状态。当需要时，主机上的S-WOD能够在从机上操作系泊和锚定绞车系统。

协同控制系统包括用于提升和卸载负载的提升控制，用于安全操作的报警处理系统，以及用于监控双提升进度的监控系统，如图所示。图5.

图4.协同控制系统的配置。

图5.协同控制系统

4.1吊装系统

图6演示了用于双重提升的协同控制系统的提升控制算法的流程图。当应用双提升并且两个浮动起重机的主钩正在移动时，操作员应使用位于主起重机上的同步操作台。如果操作员在操作台上拉动操纵杆的杠杆，则主起重机的控制器检查两个起重机的状态。如果两个浮动起重机是用于驱动的正常状态，则将闭环速度控制应用于用于提升运动的感应电动机。即，比例控制是针对每个主钩的提升速度而开发的

V_out=K_p*e V_d (1)

其中V_out控提升速度，Kp 表示比例反馈增益，e是重量误差，它是双提升过程中参考重量和实际重量的差值。Vd是所需的提升速度，取决于操作台上操纵杆的台阶。所提出的速度控制意味着每个主钩的重量应保持其“参考重量”，以便保持负载的初始位置和方向。

为了在双提升期间保持负载平衡和协同控制系统的安全性，通过检查所有主钩之间的位置偏差，每个主钩的重量偏差和倾斜角的变化来设计联锁系统。提升模块。如果测得的偏差大于设定值，主起重机的控制器发出报警，使两个浮动起重机停止。

图6.提升控制的流程图

4.2报警系统

故障或故障的破坏性影响，浮式起重机的系统安全性是最重要的因素之一。由于使用两个浮动起重机的双提升处理比单个起重机更重和更宽的负载，因此不能足够强调系统安全对于协同控制系统的重要性。

系统的报警是根据系统错误，通信报警和紧急停止等故障设计的。图7.系统错误包括警告，让操作员知道操作浮动起重机的状态和警报，指示控制器同时停止两个浮动起重机的情况。由于两个浮动起重机通过TCP / IP进行通信，因此必须具有稳定的连接。如果主起重机和从起重机之间的连接丢失，则每台起重机的控制器发出警报并自行停止操作。每台起重机的紧急开关通过硬接线连接，以便在需要时正确执行。如果按下开关，主起重机的控制器会发出警报并立即停止两个浮动起重机。

图7.协同控制系统的报警

4.3监视系统

由于主起重机的控制器负责双提升，因此需要开发监控系统，该系统收集两个浮动起重机的状态信息并实时检查负载状态。

换句话说，主起重机中的操作员不仅监控主起重机的所有状态，还监控从起重机的所

资料编号：[4196]